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日本查清鋁鋼的氫脆原理!

高強度鋁合金已廣泛應用于航空航天和體育用品等領域,但由于存在氫脆和應力腐蝕開裂等與氫有關的破壞現象,性能的進一步提高受到了阻礙。日前,日本九州大學研究生院工學研究院的主任教授戶田裕之和特任助教清水一行等人組成的研究小組,通過用大型同步輻射設施SPring-8進行4D觀察,查明了飛機等廣泛使用的高強度鋁合金的破壞機理。研究小組此次對高強度鋁合金的破壞過程進行4D觀察,並詳細解析了獲得的圖像。最終,精確地計算出了氫在金屬材料中的分布。

日本查明高強度鋁合金的氫脆機理 有望解決金屬界中的瘟疫

SPring-8鳥瞰

氫脆是指由于過量的氫原子進入金屬基體後 ,在應力作用下 ( 很可能是在材料的屈服強度以下 , 甚至是在正常的設計強度內 ) , 引起金屬韌性或承載能力的降低 , 從而發生斷裂( 通常是亞微觀的斷裂 ) 或者突然脆性失效。

以前一直認爲鋁合金的氫脆現象是由名爲位錯的微觀缺陷引起的。但解析發現,大部分氫存在于此前認爲不會吸收氫的材料的微細顆粒中,隨著微細顆粒與鋁的界面剝離,就會發生鋁合金氫脆現象。另外研究還發現,以前被視爲障礙物的粗大顆粒也會儲存氫,因此通過生成適當的粗大顆粒,可以減少微細顆粒中的氫量,抑制鋁合金的氫脆現象。


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圖1:最近100年來的材料強度提高過程


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圖2:鋁(圖中爲Al)、鐵(Fe)和銅(Cu)的氫溶解度對溫度的依賴性。固態鋁含有大量的氫,因爲只有鋁在熔點(670℃左右)時氫的溶解度會大幅變化。黃色帶狀部分表示實際材料在常溫下的氫濃度。可以看出,與液態鋁一樣含有大量氫。


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圖3:鋁合金的延展性~可以控制脆性破壞現象的氫異質分散控制概念圖。圖中的間隙、固溶體原子、空位和析出物等標記是指鋁合金的納米結構及納米缺陷的類型。


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圖4:鋁合金破壞現象的4D觀察結果。a)爲加載負荷前。b)和c)爲加載6.3%及8.6%的形變時的圖像。紅色表示含有高壓氫氣的氣孔,黃色表示裂痕。


利用此次的研究成果,有望進一步提高鋁合金的性能,比如強度和延展性等。此外,今後通過繼續進行各種解析,還有望開發出簡單、低成本且可應用于産業用途的技術。


相關研究成果已于7月3日(周三)發布在金屬材料工學領域最權威的英文期刊《Acta Materialia》的網絡速報版上,正式內容預定發布在9月1日發行的第176卷中。


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