Легкий и устойчивый к коррозии алюминий обладает очень хорошими характеристиками, когда речь идет о конструкции транспортных средств. Однако проблемы могут возникнуть из-за развития слабых мест из-за повторяющихся, чередующихся нагрузок (представьте, что скрепку сгибаете взад и вперед снова и снова, пока она не сломается). Ученые из Австралии предложили решение этой так называемой «усталости», изменив микроструктуру алюминиевых сплавов, чтобы они могли сами излечить эти слабые места.
«Восемьдесят процентов всех отказов технических сплавов происходят из-за усталости», - говорит профессор Университета Монаша, Кристофер Хатчинсон, который руководил исследованием. «Усталость - это отказ из-за переменного напряжения и имеет большое значение в производственной и машиностроительной промышленности».
Исследование, проведенное Хатчинсоном и его командой, описывается как первое в своем роде, и оно сосредоточено на основной причине этой усталости, называемой зонами PFZ (precipitate free zone). Это слабые звенья, которые образуются в алюминиевых сплавах в результате переменного напряжения, которые начинаются с крошечных пластичных пятен и продолжают образовывать трещины, прежде чем в конечном итоге разрушить материал.
Хатчинсон и его команда инженеров стремились помешать этому и вмешатьс яна ранних стадиях этого процесса, собирая механическую энергию, которая генерируется во время переменного напряжения. В частности, команда придумала способ захвата новых частиц, которые образуются при приложении к материалу напряжения, и использовать их для усиления слабых мест и значительного замедления появления трещин и переломов.
Используя коммерчески доступные алюминиевые сплавы AA2024, AA6061 и AA7050, исследователи использовали механическую энергию, передаваемую материалам во время ранних циклов усталости, чтобы залечить слабые места в микроструктуре (PFZ). Это сильно замедлило локализацию пластичности и возникновение усталостных трещин, а также увеличило усталостную долговечность и прочность.
Это достигается за счет «тренировочного» процесса, который имитирует нагрузки (деформации), прикладываемые к материалу, хотя и с большим нанапряжением, чем обычно, и повторяется через несколько сотен циклов. Это приводит к более высокой концентрации мелких частиц в слабых зонах, что увеличивает текучесть и предел прочности материала, который затем может самовосстанавливаться во время работы.
«В этом отношении структура тренируется, и график тренировок используется для исцеления PFZ, которые в противном случае представляли бы слабые места», - говорит Хатчинсон. «Подход является общим и может быть применен к другим дисперсионно-твердеющим сплавам, содержащим PFZ, для которых усталостные характеристики являются важным фактором».
Исследователи говорят, что изменение исходной микроструктуры таким способом может значительно улучшить усталостную долговечность алюминиевых сплавов. Они также отмечают, что высокопрочные алюминиевые сплавы, которые имеют заведомо низкую усталостную прочность, могут получить наибольшее преимущество, и их усталостная долговечность может быть увеличена в 25 раз.
«Наше исследование продемонстрировало концептуальные изменения в микроструктуре алюминиевых сплавов для применения в условиях динамической нагрузки», - говорит Хатчинсон. «Вместо того, чтобы спроектировать прочную микроструктуру и надеяться, что она останется стабильной как можно дольше во время усталостной нагрузки, мы осознали, что микроструктура будет изменена динамической нагрузкой, и, исходя из этого, мы спроектировали исходную микроструктуру (которая может иметь более низкую статическую прочность),но которая изменится таким образом, что его усталостные характеристики значительно улучшатся».
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Источник: New Atlas / Monash University
