研究设计微结构，面对铝合金的“疲劳失效”

文/陈根

铝合金是当今使用的第二大工程合金。

与钢相比，铝合金重量轻（密度为钢的1/3），无磁性，具有优异的耐腐蚀性。沉淀强化铝合金也可以加工成相对坚固的铝合金，因此其特定的机械性能（性能/密度）在重量减轻很重要的应用中提供了竞争优势。例如运输应用，如飞机、火车、卡车和汽车。运输业强调减轻重量以减少燃料排放，这导致铝合金在这些重要应用中的使用不断增加。

然而，铝可能遇到麻烦则是反复交替的应力发展成的弱点，这就类似于一个回形针来回弯曲，直到它断裂，这也被科学家称为“疲劳失效”。

研究人员表示，80%的工程合金失效都是由于“疲劳”引起的，合金的“抗疲劳性”在制造业和工程工业中具有重要意义。基于此，澳大利亚科学家提出了一种解决方法，即改变铝合金的微观结构，使其能够自行修复这些弱点。

具体来说，研究人员重点研究了这种疲劳的根本原因，即无沉淀区（PFZ）。这些是铝合金中通过交变应力形成的薄弱环节，交变应力最初是塑性的小斑点，然后在最终使材料断裂之前形成裂纹。

随后，研究人员通过利用交变应力产生的机械能来干预这一过程的早期阶段。更具体地说，研究小组想出了一种方法，捕捉在材料上施加应力时形成的新粒子，并利用这些粒子来强化薄弱环节，显著延缓裂纹和断裂的出现。这极大地延缓了塑性的局部化和疲劳裂纹的发生，并提高了疲劳寿命和强度。

总的来说，微结构的设计是为了利用在初始疲劳循环中传递的机械能，以动态修复微观结构中固有的弱点。该方法包含了静态和动态载荷之间的差异，并代表了疲劳微观结构设计的概念变化。

结果证实，高强度铝合金的疲劳寿命提高了25倍，疲劳强度提高到拉伸强度的1/2左右。这对运输制造业来说将是一个重大成果。

其研究结果已发表在《自然通讯》杂志上。