高強(qiáng)度鋁合金已廣泛應(yīng)用于航空航天和體育用品等領(lǐng)域，但由于存在氫脆和應(yīng)力腐蝕開裂等與氫有關(guān)的破壞現(xiàn)象，性能的進(jìn)一步提高受到了阻礙。日前，日本九州大學(xué)研究生院工學(xué)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(shè)施SPring-8進(jìn)行4D觀察，查明了飛機(jī)等廣泛使用的高強(qiáng)度鋁合金的破壞機(jī)理。研究小組此次對高強(qiáng)度鋁合金的破壞過程進(jìn)行4D觀察，并詳細(xì)解析了獲得的圖像。最終，精確地計(jì)算出了氫在金屬材料中的分布。
SPring-8鳥瞰
氫脆是指由于過量的氫原子進(jìn)入金屬基體后 ,在應(yīng)力作用下 ( 很可能是在材料的屈服強(qiáng)度以下 , 甚至是在正常的設(shè)計(jì)強(qiáng)度內(nèi) ) , 引起金屬韌性或承載能力的降低 , 從而發(fā)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(rèn)為鋁合金的氫脆現(xiàn)象是由名為位錯(cuò)的微觀缺陷引起的。但解析發(fā)現(xiàn)，大部分氫存在于此前認(rèn)為不會(huì)吸收氫的材料的微細(xì)顆粒中，隨著微細(xì)顆粒與鋁的界面剝離，就會(huì)發(fā)生鋁合金氫脆現(xiàn)象。另外研究還發(fā)現(xiàn)，以前被視為障礙物的粗大顆粒也會(huì)儲(chǔ)存氫，因此通過生成適當(dāng)?shù)拇执箢w粒，可以減少微細(xì)顆粒中的氫量，抑制鋁合金的氫脆現(xiàn)象。
圖1：最近100年來的材料強(qiáng)度提高過程
圖2：鋁（圖中為Al）、鐵（Fe）和銅（Cu）的氫溶解度對溫度的依賴性。固態(tài)鋁含有大量的氫，因?yàn)橹挥袖X在熔點(diǎn)（670℃左右）時(shí)氫的溶解度會(huì)大幅變化。黃色帶狀部分表示實(shí)際材料在常溫下的氫濃度。可以看出，與液態(tài)鋁一樣含有大量氫。
圖3：鋁合金的延展性～可以控制脆性破壞現(xiàn)象的氫異質(zhì)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(biāo)記是指鋁合金的納米結(jié)構(gòu)及納米缺陷的類型。
圖4：鋁合金破壞現(xiàn)象的4D觀察結(jié)果。a）為加載負(fù)荷前。b）和c）為加載6.3％及8.6％的形變時(shí)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(jìn)一步提高鋁合金的性能，比如強(qiáng)度和延展性等。此外，今后通過繼續(xù)進(jìn)行各種解析，還有望開發(fā)出簡單、低成本且可應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)用途的技術(shù)。
相關(guān)研究成果已于7月3日（周三）發(fā)布在金屬材料工學(xué)領(lǐng)域最權(quán)威的英文期刊《Acta Materialia》的網(wǎng)絡(luò)速報(bào)版上，正式內(nèi)容預(yù)定發(fā)布在9月1日發(fā)行的第176卷中。
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