En världsförsta studie av Monash Universitys ingenjörer har visat förbättringar i utmattningslivslängden för höghållfasta aluminiumlegeringar med 25 gånger - ett betydande resultat för transporttillverkningsindustrin.

Publicerad idag (torsdag 15 oktober 2020) i den prestigefyllda tidskriften Naturkommunikation , forskare visade att den dåliga utmattningsprestandan hos höghållfasta aluminiumlegeringar berodde på svaga länkar som kallas "utfällningsfria zoner" (PFZ).

Teamet ledd av professor Christopher Hutchinson, professor i materialvetenskap och teknik vid Monash University i Australien, kunde tillverka mikrostrukturer av aluminiumlegeringar som kan läka de svaga länkarna under drift (dvs en form av självläkande).

Förbättringen av livslängden för höghållfasta aluminiumlegeringar kan vara 25 gånger jämfört med nuvarande toppmoderna legeringar.

Aluminiumlegeringar är den näst mest populära tekniska legeringen som används idag. Jämfört med stål, de är lätta (1/3 av densiteten), icke-magnetiska och har utmärkt korrosionsbeständighet.

Aluminiumlegeringar är viktiga för transportapplikationer eftersom de är lätta, vilket förbättrar bränsleeffektiviteten. Men, deras utmattningsegenskaper är notoriskt dåliga jämfört med stål med liknande styrka.

Professor Hutchinson sa när man använder aluminiumlegeringar för transport, konstruktionen måste kompensera för utmattningsbegränsningarna hos aluminiumlegeringar. Det betyder att mer material används än vad tillverkarna skulle vilja och att strukturerna är tyngre än vi skulle vilja.

"80 procent av alla tekniska legeringsfel beror på trötthet. Trötthet är misslyckande på grund av en omväxlande stress och är en stor sak inom tillverknings- och verkstadsindustrin, " sa professor Hutchinson.

"Tänk på att ta ett metallgem i händerna och försöka bryta metallen. Det kan man inte. Men, om du böjer den åt ett håll, sedan den andra, och fram och tillbaka ett antal gånger, metallen kommer att gå sönder.

"Detta är 'misslyckande på grund av trötthet' och det är en viktig faktor för alla material som används i transporttillämpningar, som tåg, bilar, lastbilar och flygplan."

Misslyckande på grund av trötthet sker i etapper. Den alternativa spänningen leder till mikroplasticitet (undergår permanent förändring på grund av spänning) och ackumulering av skador i form av en lokalisering av plasticitet vid de svaga länkarna i materialet.

Den plastiska lokaliseringen katalyserar en utmattningsspricka. Denna spricka växer och leder till slutlig fraktur.

Med kommersiellt tillgänglig AA2024, AA6061 och AA7050 aluminiumlegeringar, forskare använde den mekaniska energin som tillfördes materialen under de tidiga cyklerna av trötthet för att läka de svaga punkterna i mikrostrukturen (PFZ).

Detta försenade kraftigt lokaliseringen av plasticitet och initieringen av utmattningssprickor, och såg förbättrade trötthetsliv och styrkor.

Professor Hutchinson sa att dessa fynd kan vara betydelsefulla för transporttillverkningsindustrin eftersom efterfrågan på bränsleeffektiv, lätta och hållbara flygplan, bilar, lastbilar och tåg fortsätter att växa.

"Vår forskning har visat en konceptuell förändring i den mikrostrukturella designen av aluminiumlegeringar för dynamiska belastningstillämpningar, " han sa.

"Istället för att designa en stark mikrostruktur och hoppas att den förblir stabil så länge som möjligt under utmattningsbelastning, vi insåg att mikrostrukturen kommer att förändras av den dynamiska belastningen och, därav, designat en startmikrostruktur (som kan ha lägre statisk styrka) som kommer att förändras på ett sådant sätt att dess utmattningsprestanda förbättras avsevärt.

"I det här avseendet, strukturen tränas och träningsschemat används för att läka de PFZ som annars skulle representera de svaga punkterna. Tillvägagångssättet är generellt och kan tillämpas på andra fällningshärdade legeringar som innehåller PFZ för vilka utmattningsprestanda är en viktig faktor."