Un primo studio al mondo condotto dagli ingegneri della Monash University ha dimostrato miglioramenti di 25 volte nella durata a fatica delle leghe di alluminio ad alta resistenza, un risultato significativo per l'industria manifatturiera dei trasporti.

Pubblicato oggi (giovedì 15 ottobre 2020) sulla prestigiosa rivista Comunicazioni sulla natura , i ricercatori hanno dimostrato che le scarse prestazioni a fatica delle leghe di alluminio ad alta resistenza erano dovute a legami deboli chiamati "zone libere da precipitati" (PFZ).

Il team guidato dal professor Christopher Hutchinson, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Monash University in Australia, è stato in grado di realizzare microstrutture in lega di alluminio in grado di guarire gli anelli deboli durante il funzionamento (cioè una forma di autoriparazione).

Il miglioramento della durata delle leghe di alluminio ad alta resistenza potrebbe essere di 25 volte rispetto alle attuali leghe all'avanguardia.

Le leghe di alluminio sono la seconda lega di ingegneria più popolare in uso oggi. Rispetto all'acciaio, sono leggeri (1/3 della densità), non magnetici e hanno un'eccellente resistenza alla corrosione.

Le leghe di alluminio sono importanti per le applicazioni di trasporto perché sono leggere, che migliora l'efficienza del carburante. Ma, le loro proprietà a fatica sono notoriamente scarse rispetto ad acciai di resistenza simile.

Il professor Hutchinson ha detto che quando si usano le leghe di alluminio per il trasporto, il progetto deve compensare i limiti di fatica delle leghe di alluminio. Ciò significa che viene utilizzato più materiale di quanto i produttori vorrebbero e le strutture sono più pesanti di quanto vorremmo.

"L'80% di tutti i guasti delle leghe per l'ingegneria sono dovuti alla fatica. La fatica è un guasto dovuto a uno stress alternato ed è un grosso problema nell'industria manifatturiera e ingegneristica, "Ha detto il professor Hutchinson.

"Pensa di prendere una graffetta di metallo tra le mani e cercare di rompere il metallo. Non si può. Tuttavia, se lo pieghi in un modo, poi l'altro, e avanti e indietro un certo numero di volte, il metallo si romperà.

"Questo è 'fallimento per fatica' ed è una considerazione importante per tutti i materiali utilizzati nelle applicazioni di trasporto, come i treni, macchine, camion e aerei».

Il cedimento per fatica si verifica in più fasi. Lo stress alternativo porta alla microplasticità (sottoponendosi a un cambiamento permanente dovuto allo stress) e all'accumulo di danni sotto forma di una localizzazione della plasticità negli anelli deboli del materiale.

La localizzazione plastica catalizza una cricca da fatica. Questa crepa cresce e porta alla frattura finale.

Utilizzando AA2024 disponibile in commercio, leghe di alluminio AA6061 e AA7050, i ricercatori hanno utilizzato l'energia meccanica impartita ai materiali durante i primi cicli di fatica per guarire i punti deboli della microstruttura (i PFZ).

Ciò ha fortemente ritardato la localizzazione della plasticità e l'inizio delle cricche da fatica, e ha visto una maggiore fatica e punti di forza.

Il professor Hutchinson ha affermato che questi risultati potrebbero essere significativi per l'industria manifatturiera dei trasporti in quanto la domanda di carburante efficiente, aereo leggero e resistente, macchine, camion e treni continua a crescere.

"La nostra ricerca ha dimostrato un cambiamento concettuale nella progettazione microstrutturale delle leghe di alluminio per applicazioni di carico dinamico, " Egli ha detto.

"Invece di progettare una microstruttura forte e sperare che rimanga stabile il più a lungo possibile durante il carico di fatica, abbiamo riconosciuto che la microstruttura sarà modificata dal carico dinamico e, quindi, progettato una microstruttura di partenza (che può avere una resistenza statica inferiore) che cambierà in modo tale da migliorare significativamente le sue prestazioni a fatica.

"Nel rispetto, la struttura viene formata e il programma di allenamento viene utilizzato per sanare le PFZ che altrimenti rappresenterebbero i punti deboli. L'approccio è generale e potrebbe essere applicato ad altre leghe indurite per precipitazione contenenti PFZ per le quali le prestazioni a fatica sono una considerazione importante".