Nature子刊：一种简单的新方法！大幅提升铝合金疲劳性能

编辑推荐：本文提出了新的改善铝合金疲劳寿命的方法，可大幅提高析出强化铝合金的高周疲劳性能，疲劳寿命增加了一个数量级甚至更多，且疲劳强度增加到抗拉强度的1/2（与钢基本持平）。该方法可以应用于其他含无析出带的析出强化合金疲劳性能提高。

铝（Al）合金是当今仅次于钢的第二广泛应用工程合金。与钢相比，其密度是钢的1/3，并且具有非磁性、优异的耐腐蚀性等。析出强化铝合金也可以加工成相对坚硬的材料，因此其特殊的机械性能（比强度高）在轻量化应用中占有重要地位，在飞机、火车、汽车等运输业中的应用越来越广泛。运输结构需承受交变力，并且材料承受的应力本质上是周期性的，所以材料的抗疲劳性是至关重要的。高强度铝合金的疲劳性能较差，疲劳强度约为其抗拉强度的1/3，这是铝合金致命弱点之一，大大限制了铝合金的应用范围。尽管材料科学家努力调控铝合金的微观结构使其更加坚硬，但疲劳强度的提高远不及钢。

澳大利亚莫纳什大学的研究人员提出一种替代性的概念方法，可大幅提高析出强化铝合金的高周疲劳（HCF）性能，铝合金的疲劳寿命增加了一个数量级甚至更多，且疲劳强度增加到抗拉强度的1/2（与钢基本持平）。相关论文以题为“Training high-strength aluminum alloys to with stand fatigue”发表在Nature Communications。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19071-7

本研究使用的是凯撒铝业生产的商用铝合金AA2024、AA6061和AA7075合金。合金有棒状和板状，棒材用于拉伸和疲劳试验，板材用于疲劳裂纹扩展（FCG）试验。合金在盐浴中固溶处理空冷以模仿工业冷却过程，在油浴中时效，部分进行欠时效（UA），另一部分进行峰时效处理（PA），时效后合金保存在-35℃冰箱中，尽量减少自然时效。

研究发现UA态的合金屈服强度和抗拉强度均小于PA态，但是具有更高的疲劳寿命。析出强化铝合金的关键特征是在靠近晶界处存在无析出带（PFZ），虽然UA和PA析出强化铝合金均包含PFZ，但在高周疲劳载荷下其行为不同。UA态下PFZ中含有溶质，在早期疲劳过程中，微塑性位于软的PFZ中，但位错运动会产生空位，从而促进动态析出并增强PFZ，动态析出相尺寸为1nm量级；在循环过程中，PA样品的PFZ也具有一定的可塑性，但是由于它们都是空位且溶质已被耗尽，位错运动产生的空位没有溶质来促进动态析出，因此没有得到强化。

表1 铝合金成分及热处理工艺

图1 三种铝合金的疲劳强度与抗拉强度

可以看出，本文是提出了提高铝合金疲劳性能的一种方法，应用一种特定的循环训练方案，通过动态析出来修复PFZ，以减小晶粒内部与PFZ之间的强度差。在0.2Hz时进行完全反向循环（R=-1）训练，AA2024进行450个循环；AA6061进行700个循环；AA7075进行450个循环。训练后AA2024合金的疲劳寿命提高了一个数量级；与PA状态相比，受过训练的AA7050的寿命提高了25倍，疲劳强度接近抗拉强度的1/2；AA6061改善较少。

图2 欠时效（UA），峰时效（PA）和训练后的合金的高循环疲劳（HCF）SN曲线和PFZ

图3 具有明显的PFZ AA2024，AA7050和AA6061合金的表面演变

图4 HCF变形后PFZ的微观结构的LAADF-STEM图

图5 UA态合金的循环训练和循环训练过程中的显微组织演变

综上，本文提出了新的改善铝合金疲劳寿命的方法，该方法包含了静态和动态载荷之间的差异，并利用与疲劳初始循环相关的机械能来设计微观结构，以抵抗塑性局部化，同时显著增加疲劳裂纹的萌生时间。该方法可以应用于其他含PFZ的析出硬化合金的疲劳性能提高。（文：破风）