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2020-11-18 17:37:35 作者:材料科学与工程来源:材料科学与工程 分享至:

编辑推荐:本文提出了新的改善铝合金疲劳寿命的方法,可大幅提高析出强化铝合金的高周疲劳性能,疲劳寿命增加了一个数量级甚至更多,且疲劳强度增加到抗拉强度的1/2(与钢基本持平)。该方法可以应用于其他含无析出带的析出强化合金疲劳性能提高。


铝(Al)合金是当今仅次于钢的第二广泛应用工程合金。与钢相比,其密度是钢的1/3,并且具有非磁性、优异的耐腐蚀性等。析出强化铝合金也可以加工成相对坚硬的材料,因此其特殊的机械性能(比强度高)在轻量化应用中占有重要地位,在飞机、火车、汽车等运输业中的应用越来越广泛。运输结构需承受交变力,并且材料承受的应力本质上是周期性的,所以材料的抗疲劳性是至关重要的。高强度铝合金的疲劳性能较差,疲劳强度约为其抗拉强度的1/3,这是铝合金致命弱点之一,大大限制了铝合金的应用范围。尽管材料科学家努力调控铝合金的微观结构使其更加坚硬,但疲劳强度的提高远不及钢。


澳大利亚莫纳什大学的研究人员提出一种替代性的概念方法,可大幅提高析出强化铝合金的高周疲劳(HCF)性能,铝合金的疲劳寿命增加了一个数量级甚至更多,且疲劳强度增加到抗拉强度的1/2(与钢基本持平)。相关论文以题为“Training high-strength aluminum alloys to with stand fatigue”发表在Nature Communications。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19071-7

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本研究使用的是凯撒铝业生产的商用铝合金AA2024、AA6061和AA7075合金。合金有棒状和板状,棒材用于拉伸和疲劳试验,板材用于疲劳裂纹扩展(FCG)试验。合金在盐浴中固溶处理空冷以模仿工业冷却过程,在油浴中时效,部分进行欠时效(UA),另一部分进行峰时效处理(PA),时效后合金保存在-35℃冰箱中,尽量减少自然时效。


研究发现UA态的合金屈服强度和抗拉强度均小于PA态,但是具有更高的疲劳寿命。析出强化铝合金的关键特征是在靠近晶界处存在无析出带(PFZ),虽然UA和PA析出强化铝合金均包含PFZ,但在高周疲劳载荷下其行为不同。UA态下PFZ中含有溶质,在早期疲劳过程中,微塑性位于软的PFZ中,但位错运动会产生空位,从而促进动态析出并增强PFZ,动态析出相尺寸为1nm量级;在循环过程中,PA样品的PFZ也具有一定的可塑性,但是由于它们都是空位且溶质已被耗尽,位错运动产生的空位没有溶质来促进动态析出,因此没有得到强化。

表1 铝合金成分及热处理工艺

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图1 三种铝合金的疲劳强度与抗拉强度


可以看出,本文是提出了提高铝合金疲劳性能的一种方法,应用一种特定的循环训练方案,通过动态析出来修复PFZ,以减小晶粒内部与PFZ之间的强度差。在0.2Hz时进行完全反向循环(R=-1)训练,AA2024进行450个循环;AA6061进行700个循环;AA7075进行450个循环。训练后AA2024合金的疲劳寿命提高了一个数量级;与PA状态相比,受过训练的AA7050的寿命提高了25倍,疲劳强度接近抗拉强度的1/2;AA6061改善较少。

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图2 欠时效(UA),峰时效(PA)和训练后的合金的高循环疲劳(HCF)SN曲线和PFZ

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图3 具有明显的PFZ AA2024,AA7050和AA6061合金的万博演变

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图4 HCF变形后PFZ的微观结构的LAADF-STEM图

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图5 UA态合金的循环训练和循环训练过程中的显微组织演变


综上,本文提出了新的改善铝合金疲劳寿命的方法,该方法包含了静态和动态载荷之间的差异,并利用与疲劳初始循环相关的机械能来设计微观结构,以抵抗塑性局部化,同时显著增加疲劳裂纹的萌生时间。该方法可以应用于其他含PFZ的析出硬化合金的疲劳性能提高。

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