Самовосстанавливающиеся слабые места могут увеличить долговечность алюминия в 25 раз
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, свободными от преципитата (PFZ). 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 вмешаться на ранних стадиях этого процесса, используя механическую энергию, которая генерируется во время переменного напряжения. В частности, ученые придумали способ захвата новых частиц, которые образуются при приложении к материалу напряжения, и использовать их для усиления слабых мест и значительного замедления появления трещин и трещин.
Это достигается за счет «тренировочного» процесса, который имитирует нагрузки, прикладываемые к материалу, хотя и с большей нагрузкой, 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 Кристофер Хатчинсон. «Подход является общим и может быть применен к другим дисперсионно-твердым сплавам, содержащим PFZ, для которых усталость является важным фактором».
Исследователи говорят, что такое изменение исходной микроструктуры могло бы значительно улучшить усталостную долговечность алюминиевых сплавов. Они также отмечают, что высокопрочные алюминиевые сплавы, которые имеют заведомо низкую усталостную прочность, имеют наибольший выигрыш, 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, следовательно, спроектировали исходную микроструктуру (которая может иметь более низкую статическую прочность), которая изменится таким образом, что его усталостные характеристики значительно улучшатся.»
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.