編輯推薦：本文提出了新的改善鋁合金疲勞壽命的方法，可大幅提高析出強(qiáng)化鋁合金的高周疲勞性能，疲勞壽命增加了一個數(shù)量級甚至更多，且疲勞強(qiáng)度增加到抗拉強(qiáng)度的1/2（與鋼基本持平）。該方法可以應(yīng)用于其他含無析出帶的析出強(qiáng)化合金疲勞性能提高。
鋁（Al）合金是當(dāng)今僅次于鋼的第二廣泛應(yīng)用工程合金。與鋼相比，其密度是鋼的1/3，并且具有非磁性、優(yōu)異的耐腐蝕性等。析出強(qiáng)化鋁合金也可以加工成相對堅硬的材料，因此其特殊的機(jī)械性能（比強(qiáng)度高）在輕量化應(yīng)用中占有重要地位，在飛機(jī)、火車、汽車等運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。運(yùn)輸結(jié)構(gòu)需承受交變力，并且材料承受的應(yīng)力本質(zhì)上是周期性的，所以材料的抗疲勞性是至關(guān)重要的。高強(qiáng)度鋁合金的疲勞性能較差，疲勞強(qiáng)度約為其抗拉強(qiáng)度的1/3，這是鋁合金致命弱點(diǎn)之一，大大限制了鋁合金的應(yīng)用范圍。盡管材料科學(xué)家努力調(diào)控鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)使其更加堅硬，但疲勞強(qiáng)度的提高遠(yuǎn)不及鋼。
澳大利亞莫納什大學(xué)的研究人員提出一種替代性的概念方法，可大幅提高析出強(qiáng)化鋁合金的高周疲勞（HCF）性能，鋁合金的疲勞壽命增加了一個數(shù)量級甚至更多，且疲勞強(qiáng)度增加到抗拉強(qiáng)度的1/2（與鋼基本持平）。相關(guān)論文以題為“Training high-strength aluminum alloys to with stand fatigue”發(fā)表在Nature Communications。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19071-7
本研究使用的是凱撒鋁業(yè)生產(chǎn)的商用鋁合金AA2024、AA6061和AA7075合金。合金有棒狀和板狀，棒材用于拉伸和疲勞試驗，板材用于疲勞裂紋擴(kuò)展（FCG）試驗。合金在鹽浴中固溶處理空冷以模仿工業(yè)冷卻過程，在油浴中時效，部分進(jìn)行欠時效（UA），另一部分進(jìn)行峰時效處理（PA），時效后合金保存在-35℃冰箱中，盡量減少自然時效。
研究發(fā)現(xiàn)UA態(tài)的合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均小于PA態(tài)，但是具有更高的疲勞壽命。析出強(qiáng)化鋁合金的關(guān)鍵特征是在靠近晶界處存在無析出帶（PFZ），雖然UA和PA析出強(qiáng)化鋁合金均包含PFZ，但在高周疲勞載荷下其行為不同。UA態(tài)下PFZ中含有溶質(zhì)，在早期疲勞過程中，微塑性位于軟的PFZ中，但位錯運(yùn)動會產(chǎn)生空位，從而促進(jìn)動態(tài)析出并增強(qiáng)PFZ，動態(tài)析出相尺寸為1nm量級；在循環(huán)過程中，PA樣品的PFZ也具有一定的可塑性，但是由于它們都是空位且溶質(zhì)已被耗盡，位錯運(yùn)動產(chǎn)生的空位沒有溶質(zhì)來促進(jìn)動態(tài)析出，因此沒有得到強(qiáng)化。
表1 鋁合金成分及熱處理工藝
圖1 三種鋁合金的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度
可以看出，本文是提出了提高鋁合金疲勞性能的一種方法，應(yīng)用一種特定的循環(huán)訓(xùn)練方案，通過動態(tài)析出來修復(fù)PFZ，以減小晶粒內(nèi)部與PFZ之間的強(qiáng)度差。在0.2Hz時進(jìn)行完全反向循環(huán)（R=-1）訓(xùn)練，AA2024進(jìn)行450個循環(huán)；AA6061進(jìn)行700個循環(huán)；AA7075進(jìn)行450個循環(huán)。訓(xùn)練后AA2024合金的疲勞壽命提高了一個數(shù)量級；與PA狀態(tài)相比，受過訓(xùn)練的AA7050的壽命提高了25倍，疲勞強(qiáng)度接近抗拉強(qiáng)度的1/2；AA6061改善較少。
圖2 欠時效（UA），峰時效（PA）和訓(xùn)練后的合金的高循環(huán)疲勞（HCF）SN曲線和PFZ
圖3 具有明顯的PFZ AA2024，AA7050和AA6061合金的表面演變
圖4 HCF變形后PFZ的微觀結(jié)構(gòu)的LAADF-STEM圖
圖5 UA態(tài)合金的循環(huán)訓(xùn)練和循環(huán)訓(xùn)練過程中的顯微組織演變
綜上，本文提出了新的改善鋁合金疲勞壽命的方法，該方法包含了靜態(tài)和動態(tài)載荷之間的差異，并利用與疲勞初始循環(huán)相關(guān)的機(jī)械能來設(shè)計微觀結(jié)構(gòu)，以抵抗塑性局部化，同時顯著增加疲勞裂紋的萌生時間。該方法可以應(yīng)用于其他含PFZ的析出硬化合金的疲勞性能提高。
（文：破風(fēng)）
本文來自微信公眾號“材料科學(xué)與工程”。
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