2026-07-07 20:10:31
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材料承受机械载荷的能力对部件安全至关重要——例如在飞机中。研究人员现已发现一种此前未知的金属损伤机制，该机制对材料的成形性及回收过程中的安全性尤为关键。
制造部件时，理解材料将承受的载荷类型至关重要。材料的性能会受到拉伸、压缩、弯曲或剪切等机械载荷的影响。在剪切载荷下，材料各部分相互错动，产生称为剪切应力的内部应力。此前，研究人员假设剪切载荷不会导致材料损伤显著增加；因此，此前对于此类载荷下的材料失效缺乏解释依据。如今，来自卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）光子研究与同步辐射研究所（IPS）及同步辐射应用实验室（LAS）的科学家，与法国巴黎高科矿业学院（Mines Paris – PSL）的同事合作，发现了金属在剪切载荷下一种此前未知的损伤机制：在剪切载荷下，刚性颗粒形式的污染物可导致孔隙体积在变形过程中增加多达六倍。
“刚性颗粒形式的材料杂质在剪切载荷下也可能导致显著的损伤扩展，”KIT的IPS博士Mathias Hurst表示。研究人员以铝合金为例展示了这一损伤机制。铝合金特别适用于交通领域的轻量化结构——尤其是在飞机制造中。因此，该研究一方面与材料成形性高度相关，包括在移动和交通领域；另一方面，它对回收过程也至关重要，因为回收金属通常含有更高水平的颗粒杂质。
研究采用同步辐射计算层析成像与3D模拟
为展示剪切载荷下的损伤进展，研究人员结合了成像与模拟：他们使用了同步辐射计算层析成像（SR-CL），这是一种在KIT开发、类似于计算机断层扫描的方法。该方法能够对扁平宽大物体的内部进行高分辨率3D可视化，并允许以微米级分辨率检查厘米级样品内的特定区域。此外，团队还使用了先进的3D模拟——这些模拟是与法国科学家合作开发的——以在模型中复现观察到的损伤。
刚性颗粒阻碍材料流动并促进空洞生长
研究人员研究了铝合金（AA2198-T851），首先对材料施加拉伸载荷，随后施加剪切载荷。拉伸载荷导致材料中形成空洞，团队观察到这些空洞在剪切载荷下继续生长。这伴随着金属间颗粒上形成的孔隙体积增加了六倍。“因此，金属间颗粒是剪切载荷下金属损伤增长的关键驱动因素，”Hurst表示。“刚性颗粒阻碍材料流动并促进空洞生长。”该研究的发现为剪切载荷下的损伤机制提供了新见解，并有助于提高我们对实际应用相关载荷下部件失效的理解。这未来可能允许设计出既更耐用又更轻的部件——这对安全性和可持续性，尤其是在交通领域，具有重要意义。
来源：KIT
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