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日本查清铝钢的氢脆原理!

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高强度铝合金已广泛应用于航空航天和体育用品等领域,但由于存在氢脆和应力腐蚀开裂等与氢有关的破坏现象,性能的进一步提高受到了阻碍。日前,日本九州大学研究生院工学研究院的主任教授户田裕之和特任助教清水一行等人组成的研究小组,通过用大型同步辐射设施SPring-8进行4D观察,查明了飞机等广泛使用的高强度铝合金的破坏机理。研究小组此次对高强度铝合金的破坏过程进行4D观察,并详细解析了获得的图像。最终,精确地计算出了氢在金属材料中的分布。

日本查明高强度铝合金的氢脆机理 有望解决金属界中的瘟疫

SPring-8鸟瞰

氢脆是指由于过量的氢原子进入金属基体后 ,在应力作用下 ( 很可能是在材料的屈服强度以下 , 甚至是在正常的设计强度内 ) , 引起金属韧性或承载能力的降低 , 从而发生断裂( 通常是亚微观的断裂 ) 或者突然脆性失效。

以前一直认为铝合金的氢脆现象是由名为位错的微观缺陷引起的。但解析发现,大部分氢存在于此前认为不会吸收氢的材料的微细颗粒中,随着微细颗粒与铝的界面剥离,就会发生铝合金氢脆现象。另外研究还发现,以前被视为障碍物的粗大颗粒也会储存氢,因此通过生成适当的粗大颗粒,可以减少微细颗粒中的氢量,抑制铝合金的氢脆现象。


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图1:最近100年来的材料强度提高过程


日本查明高强度铝合金的氢脆机理 有望解决金属界中的瘟疫

图2:铝(图中为Al)、铁(Fe)和铜(Cu)的氢溶解度对温度的依赖性。固态铝含有大量的氢,因为只有铝在熔点(670℃左右)时氢的溶解度会大幅变化。黄色带状部分表示实际材料在常温下的氢浓度。可以看出,与液态铝一样含有大量氢。


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图3:铝合金的延展性~可以控制脆性破坏现象的氢异质分散控制概念图。图中的间隙、固溶体原子、空位和析出物等标记是指铝合金的纳米结构及纳米缺陷的类型。


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图4:铝合金破坏现象的4D观察结果。a)为加载负荷前。b)和c)为加载6.3%及8.6%的形变时的图像。红色表示含有高压氢气的气孔,黄色表示裂痕。


利用此次的研究成果,有望进一步提高铝合金的性能,比如强度和延展性等。此外,今后通过继续进行各种解析,还有望开发出简单、低成本且可应用于产业用途的技术。


相关研究成果已于7月3日(周三)发布在金属材料工学领域最权威的英文期刊《Acta Materialia》的网络速报版上,正式内容预定发布在9月1日发行的第176卷中。


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