編輯推薦：本文提出了新的改善鋁合金疲勞壽命的方法，可大幅提高析出強化鋁合金的高周疲勞性能，疲勞壽命增加了一個數量級甚至更多，且疲勞強度增加到抗拉強度的1/2（與鋼基本持平）。該方法可以應用于其他含無析出帶的析出強化合金疲勞性能提高。
鋁（Al）合金是當今僅次于鋼的第二廣泛應用工程合金。與鋼相比，其密度是鋼的1/3，并且具有非磁性、優異的耐腐蝕性等。析出強化鋁合金也可以加工成相對堅硬的材料，因此其特殊的機械性能（比強度高）在輕量化應用中占有重要地位，在飛機、火車、汽車等運輸業中的應用越來越廣泛。運輸結構需承受交變力，并且材料承受的應力本質上是周期性的，所以材料的抗疲勞性是至關重要的。高強度鋁合金的疲勞性能較差，疲勞強度約為其抗拉強度的1/3，這是鋁合金致命弱點之一，大大限制了鋁合金的應用范圍。盡管材料科學家努力調控鋁合金的微觀結構使其更加堅硬，但疲勞強度的提高遠不及鋼。
澳大利亞莫納什大學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量級甚至更多，且疲勞強度增加到抗拉強度的1/2（與鋼基本持平）。相關論文以題為“Training high-strength aluminum alloys to with stand fatigue”發表在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生產的商用鋁合金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展（FCG）試驗。合金在鹽浴中固溶處理空冷以模仿工業冷卻過程，在油浴中時效，部分進行欠時效（UA），另一部分進行峰時效處理（PA），時效后合金保存在-35℃冰箱中，盡量減少自然時效。
研究發現UA態的合金屈服強度和抗拉強度均小于PA態，但是具有更高的疲勞壽命。析出強化鋁合金的關鍵特征是在靠近晶界處存在無析出帶（PFZ），雖然UA和PA析出強化鋁合金均包含PFZ，但在高周疲勞載荷下其行為不同。UA態下PFZ中含有溶質，在早期疲勞過程中，微塑性位于軟的PFZ中，但位錯運動會產生空位，從而促進動態析出并增強PFZ，動態析出相尺寸為1nm量級；在循環過程中，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已被耗盡，位錯運動產生的空位沒有溶質來促進動態析出，因此沒有得到強化。
表1 鋁合金成分及熱處理工藝
圖1 三種鋁合金的疲勞強度與抗拉強度
可以看出，本文是提出了提高鋁合金疲勞性能的一種方法，應用一種特定的循環訓練方案，通過動態析出來修復PFZ，以減小晶粒內部與PFZ之間的強度差。在0.2Hz時進行完全反向循環（R=-1）訓練，AA2024進行450個循環；AA6061進行700個循環；AA7075進行450個循環。訓練后AA2024合金的疲勞壽命提高了一個數量級；與PA狀態相比，受過訓練的AA7050的壽命提高了25倍，疲勞強度接近抗拉強度的1/2；AA6061改善較少。
圖2 欠時效（UA），峰時效（PA）和訓練后的合金的高循環疲勞（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的微觀結構的LAADF-STEM圖
圖5 UA態合金的循環訓練和循環訓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，該方法包含了靜態和動態載荷之間的差異，并利用與疲勞初始循環相關的機械能來設計微觀結構，以抵抗塑性局部化，同時顯著增加疲勞裂紋的萌生時間。該方法可以應用于其他含PFZ的析出硬化合金的疲勞性能提高。
（文：破風）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
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