Een wereldwijd eerste onderzoek door ingenieurs van Monash University heeft 25 keer een verbetering aangetoond in de vermoeiingslevensduur van aluminiumlegeringen met hoge sterkte - een significant resultaat voor de transportindustrie.

Vandaag (donderdag 15 oktober 2020) gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurcommunicatie , onderzoekers toonden aan dat de slechte vermoeiingsprestaties van aluminiumlegeringen met hoge sterkte het gevolg waren van zwakke schakels die 'precipitaatvrije zones' (PFZ's) worden genoemd.

Het team onder leiding van professor Christopher Hutchinson, een professor in Materials Science and Engineering aan de Monash University in Australië, was in staat om microstructuren van aluminiumlegeringen te maken die de zwakke schakels kunnen genezen terwijl ze in bedrijf zijn (d.w.z. een vorm van zelfgenezing).

De verbetering van de levensduur van aluminiumlegeringen met hoge sterkte zou 25 keer kunnen zijn in vergelijking met de huidige state-of-the-art legeringen.

Aluminiumlegeringen zijn de op één na populairste technische legering die tegenwoordig wordt gebruikt. In vergelijking met staal, ze zijn licht (1/3 van de dichtheid), niet-magnetisch en hebben een uitstekende corrosieweerstand.

Aluminiumlegeringen zijn belangrijk voor transporttoepassingen omdat ze licht, wat de brandstofefficiëntie verbetert. Maar, hun vermoeiingseigenschappen zijn notoir slecht in vergelijking met staal van vergelijkbare sterkte.

Professor Hutchinson zei dat bij het gebruik van aluminiumlegeringen voor transport, het ontwerp moet de vermoeiingsbeperkingen van aluminiumlegeringen compenseren. Dit betekent dat er meer materiaal wordt gebruikt dan fabrikanten zouden willen en dat de constructies zwaarder zijn dan we zouden willen.

"Tachtig procent van alle defecten aan technische legeringen is te wijten aan vermoeidheid. Vermoeidheid is falen als gevolg van wisselende spanning en is een groot probleem in de productie- en technische industrie, ' zei professor Hutchinson.

"Denk aan een metalen paperclip in je handen nemen en proberen het metaal te breken. Dat kan niet. als je het een kant op buigt, dan de andere, en een paar keer heen en weer het metaal zal breken.

"Dit is 'falen door vermoeidheid' en het is een belangrijke overweging voor alle materialen die worden gebruikt in transporttoepassingen, zoals treinen, auto's, vrachtwagens en vliegtuigen."

Falen door vermoeidheid gebeurt in fasen. De alternatieve stress leidt tot microplasticiteit (ondergaat permanente verandering door stress) en de accumulatie van schade in de vorm van een lokalisatie van plasticiteit op de zwakke schakels in het materiaal.

De plastische lokalisatie katalyseert een vermoeiingsscheur. Deze scheur groeit en leidt tot een definitieve breuk.

Met behulp van in de handel verkrijgbare AA2024, AA6061 en AA7050 aluminiumlegeringen, onderzoekers gebruikten de mechanische energie die tijdens de vroege cycli van vermoeidheid in de materialen werd gegeven om de zwakke punten in de microstructuur (de PFZ's) te genezen.

Dit vertraagde sterk de lokalisatie van plasticiteit en het ontstaan ​​van vermoeiingsscheuren, en zag verbeterde vermoeidheidslevens en sterke punten.

Professor Hutchinson zei dat deze bevindingen belangrijk kunnen zijn voor de transportindustrie, aangezien de vraag naar brandstofefficiënte, lichtgewicht en duurzame vliegtuigen, auto's, vrachtwagens en treinen blijven groeien.

"Ons onderzoek heeft een conceptuele verandering aangetoond in het microstructurele ontwerp van aluminiumlegeringen voor dynamische belastingstoepassingen, " hij zei.

"In plaats van een sterke microstructuur te ontwerpen en te hopen dat deze zo lang mogelijk stabiel blijft tijdens vermoeiingsbelasting, we erkenden dat de microstructuur zal worden veranderd door de dynamische belasting en, Vandaar, ontwierp een startmicrostructuur (die mogelijk een lagere statische sterkte heeft) die zodanig zal veranderen dat de vermoeiingsprestaties aanzienlijk worden verbeterd.

"In dit opzicht, de structuur wordt getraind en het trainingsschema wordt gebruikt om de PFZ's te genezen die anders de zwakke punten zouden vertegenwoordigen. De benadering is algemeen en zou kunnen worden toegepast op andere geprecipiteerde geharde legeringen die PFZ's bevatten, waarvoor vermoeiingsprestaties een belangrijke overweging zijn."