Nowy czas dla tytanu (2)

Strategie projektowania przerywające proces tasowania atomów tlenu lub promujące nanostruktury zapobiegające nawarstwianiu się płaskich poślizgów mogą prowadzić do powstania lepszych stopów. Minor twierdzi, że stopy te znajdą zastosowanie zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

Kriokucie nanotwinionego tytanu

Profesor Andrew Minor wylewa ciekły azot na próbkę tytanu, demonstrując w swoim laboratorium proces kriokucia stosowany do tworzenia nanotwinionego tytanu. (Zdjęcie: Adam Lau / Berkeley Engineering)

Aby rozwiązać te i inne problemy, zespół opiera się na połączeniu modelowania komputerowego, transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) i innych metod obrazowania oraz eksperymentach.

„Jedną z rzeczy, które były miłe w tym projekcie, jest to, że czasami obliczeniowcy i teoretycy wysuwają się nieco do przodu, a innym razem są to eksperymentatorzy” – mówi Asta. „Często się spotykamy i rozmawiamy o naszych odkryciach i nowych pomysłach”.

Na przykład przeprowadzone przez zespół badanie wrażliwości tytanu na tlen doprowadziło do zbadania tytanu stopowego z aluminium i tlenem. Odkryli, że kruchość tlenową można wyeliminować poprzez dodanie niewielkich ilości aluminium, zwłaszcza w temperaturach kriogenicznych, które wynoszą poniżej -150 stopni Celsjusza.

Zespół twierdzi, że przy zastosowaniu odpowiednich ilości aluminium i tlenu nowe uporządkowanie struktury kryształu tytanu zapobiegło przemieszaniu się atomów tlenu, które prowadziłoby do szkodliwego nagromadzenia dyslokacji, a ostatecznie pęknięć. Co więcej, ponieważ wprowadzenie aluminium zmniejszyło ogólną wrażliwość tytanu na tlen, koszty przetwarzania w celu wytworzenia użytecznego metalu również uległyby zmniejszeniu.

W jeszcze innym badaniu zespół przyjrzał się badaniom prowadzonym od lat 60. XX wieku, które wykazały, że wiele metali i stopów wykazuje dramatyczny wzrost plastyczności pod wpływem okresowych impulsów elektrycznych podczas odkształcania metalu. Jednak podstawowe mechanizmy wyjaśniające, dlaczego ta tak zwana elektroplastyczność może być prawdziwa, nie są jasne.

„Elektroplastyczność może prowadzić do obniżenia kosztów obróbki metalurgicznej, ponieważ formowanie metalu za pomocą impulsów elektrycznych wymaga mniej energii niż podgrzewanie całego metalu do wysokiej temperatury w celu uzyskania tej samej odkształcalności” – mówi Minor. „Co ciekawe, ten efekt elektroplastyczności jest uniwersalny, ponieważ wykazano, że działa w przypadku zasadniczo każdego metalu, nie tylko tytanu”.

Zespół przeprowadził próby rozciągania metalu w trzech różnych warunkach: w temperaturze pokojowej bez prądu elektrycznego, z okresowym impulsem elektrycznym trwającym 100 milisekund i przy stałym prądzie. Ponieważ przyłożenie prądu elektrycznego podgrzewa metal, zespół obawiał się rozróżnienia skutków powodowanych wyłącznie przez elektryczność od skutków powodowanych przez ciepło.

Wyniki pokazały, że pomimo zastosowania mniejszego niż w poprzednich badaniach impulsu okresowego, metoda prądu pulsacyjnego poprawiła wydłużenie przy rozciąganiu stopu tytanu, a także jego maksymalną wytrzymałość. Zauważają, że efekt ten był specyficzny tylko dla eksperymentu z prądem pulsacyjnym.

Wyniki uzyskane za pomocą TEM do obserwacji zmian w strukturze krystalicznej metalu sugerują, że obróbka prądem pulsacyjnym tłumi płaskie dyslokacje poślizgowe. Naukowcy odkryli, że impuls elektryczny utwardza ​​materiał i udaremnia rozwój poślizgu płaskiego, utrzymując rozproszony, trójwymiarowy wzór dyslokacji, który ostatecznie zapewnia wysoką wytrzymałość i plastyczność.

(Ciąg dalszy)