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Ändern Sie die Mikrostruktur der Aluminiumlegierung, um ihre Ermüdungslebensdauer um das 25-fache zu erhöhen

Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, das sogenannte „Ermüdungsversagen“ bei Aluminiumlegierungen zu verzögern

Aluminiummetall ist leichtgewichtig und weist eine starke Korrosionsbeständigkeit auf, was sehr wünschenswerte Eigenschaften bei der Automobilherstellung bietet. Allerdings kann es durch seine wiederholte Wechselbelastung zu Problemen kommen (zB eine Büroklammer biegt sich hin und her bis sie bricht) und erzeugt Schwachstellen. Wissenschaftler in Australien haben eine Lösung für dieses sogenannte „Ermüdungsversagen“ vorgeschlagen, das das Gefüge von Aluminiumlegierungen so verändert, dass sie diese Schwachstellen selbst reparieren können.

Ändern Sie die Mikrostruktur der Aluminiumlegierung, um ihre Ermüdungslebensdauer um das 25-fache zu erhöhen

Christopher Hutchinson, Professor an der Monash University, der die Forschung leitete, sagte: „80 % der Ausfälle von technischen Legierungen sind auf Ermüdung zurückzuführen. Ermüdung ist ein Versagen aufgrund von Wechselbelastungen. Es ist ein sehr ernstes Problem.“

Hutchinson und sein Team führten diese Forschung als erste durch und konzentrierten sich auf die zugrunde liegende Ursache von Müdigkeit, die als niederschlagsfreie Zone (PFZ) bekannt ist. Diese schwachen Glieder entstehen in der Aluminiumlegierung durch Wechselspannungen, beginnend mit winzigen Kunststoffspitzen, über Risse bis zum endgültigen Bruch des Materials.

Hutchinson und sein Ingenieursteam versuchten schon früh, in den Prozess einzugreifen, indem sie mechanische Energie, die unter Wechselspannung erzeugt wurde, nutzten. Genauer gesagt schlug das Team eine Methode vor, um neue Partikel einzufangen und diese Partikel zu verwenden, um Schwachstellen zu verstärken, Risse zusammenzunähen oder das Auftreten von Rissen zu verzögern.

Dies wird durch einen „Trainingsprozess“ erreicht, der die Belastung des Materials simuliert (obwohl sie höher als die normale Belastung ist) und Hunderte von Zyklen wiederholt werden muss. Dies führt zu einer höheren Konzentration feiner Partikel im geschwächten Bereich, wodurch die Streckgrenze und Zugfestigkeit des Materials erhöht wird, das sich dann im Betrieb selbst heilen kann.

Hutchinson sagte: „Wir haben die Struktur ‚trainiert‘ und verwendet, um PFZ zu reparieren, die Schwachstellen darstellen können. Diese Methode ist universell und kann auf andere ausscheidungshärtende Legierungen mit PFZ angewendet werden.

Forscher sagen, dass eine solche Änderung der anfänglichen Mikrostruktur die Ermüdungslebensdauer von Aluminiumlegierungen erheblich erhöhen kann. Sie wiesen auch darauf hin, dass die Ermüdungsfestigkeit von hochfesten Aluminiumlegierungen notorisch niedrig ist, sie jedoch die meisten Vorteile erzielen, hauptsächlich, dass die Ermüdungslebensdauer um das 25-fache verlängert werden kann.

Hutchinson sagte: „Unsere Untersuchungen zeigen, dass das Mikrostrukturdesign der für dynamische Belastungen verwendeten Aluminiumlegierung eine konzeptionelle Änderung erfahren hat.“

„Wir haben keine starke Mikrostruktur entworfen, sondern wollten, dass sie bei Ermüdungsbelastungen so lange wie möglich stabil bleibt. Wir haben erkannt, dass sich die Mikrostruktur aufgrund dynamischer Belastungen ändern würde. Daher haben wir eine anfängliche Mikrostruktur entworfen (kann eine geringere statische Festigkeit aufweisen), wird die Arbeitsweise verändern und dadurch die Ermüdungsleistung deutlich verbessern.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

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