Новий час для титану (1)
Серед металів міцність і легкість титану, стійкість до корозії та здатність витримувати екстремальні температури вже давно вирізняють його цінність, особливо для застосувань, чутливих до ваги та навколишнього середовища. Коли його вперше описали наприкінці 18 століття, один із першовідкривачів назвав метал титанами — богами, народженими із землі та неба в давньогрецькій міфології.
Час лише висвітлив блиск титану. «Я матеріалознавець, тому люди іноді запитують мене: «Який твій улюблений елемент?», — каже Ендрю Майнор, професор матеріалознавства та інженерії. Що стосується будівель, літаків, ракет, космічних кораблів тощо, він каже: «Якщо вам потрібен найміцніший матеріал за найменшої ваги, це титан. Якби ми могли, ми б зробили все з титану».
Дійсно, для промислових дизайнерів перспектива міцних, легких, високоекономічних автомобілів, вантажівок і літаків, наприклад, або суперстійких до корозії вантажних кораблів, титан має бути справою мрії.
проблема? «Це надто дорого», — говорить Майнор про промисловий титан або титанові сплави, які в іншому випадку могли б замінити сталь, коли достатньо було б лише найміцніших і найдовговічніших матеріалів. Вартість виробництва титану приблизно в шість разів вища, ніж нержавіючої сталі. У результаті його використання обмежується спеціальними деталями для аерокосмічної галузі, предметами високого класу, такими як ювелірні вироби, або іншими нішевими додатками.
Більше того, чистий титан має лише помірну міцність, пояснює Майнор. Його можна зміцнити такими елементами, як кисень, алюміній, молібден, ванадій і цирконій; однак це часто відбувається за рахунок пластичності - здатності металу витягуватися або деформуватися без руйнування.
Тепер, після десятиліття досліджень, завдяки Майнору та його колегам з Берклі, зокрема Марку Асті, Дерілу Хрзану та Дж. В. Моррісу молодшому, також професорам кафедри, наближається нова ера для титану, включаючи значно розширені інженерні застосування. матеріалознавства та інженерії. Вони досліджували титан багатьма способами, сподіваючись розширити його практичне використання для різноманітних структурних чи інженерних застосувань.
Натомість причиною надмірної вартості комерційного титану, пояснює Майнор, є складний процес Кролла, який найчастіше використовується для виготовлення титанових прутків, злитків та інших форм металу, з яких можна виготовляти придатні для використання частини та інші вироби. Процес передбачає використання дорогих матеріалів, таких як газ аргон, і він є енергоємним, вимагає багаторазових плавлень при надзвичайно високих температурах, особливо для контролю домішок кисню.
Дійсно, титан і кисень мають дивовижний зв’язок, який Майнор, Аста, Хрзан, Морріс та їхні колеги хотіли зрозуміти краще. Команда знала, що домішка кисню часто використовується для титанових сплавів для використання потужного ефекту зміцнення. Титан, отриманий лише з невеликим збільшенням кількості атомарного кисню, може призвести до металу зі збільшенням міцності в кілька разів.
На жаль, кисень також може призвести до ще більшого зниження пластичності металу. Він стає крихким і ламається.
Але «кисень є скрізь», говорить Майнор про складність маневрування навколо високої чутливості титану до кисню. «Це не якась домішка, що надходить із вихідного матеріалу, якого можна просто уникнути».
Він характеризує чутливість титану до кисню як надзвичайну. «Дійсно дивно, наскільки це потужно», — каже Майнор. Він впливає на метал як добре, так і погано, тоді як присутність подібних кількостей кисню несуттєва для металів, таких як алюміній і сталь, оскільки з ним можна мати справу набагато легше.
Щоб дізнатися більше, команда звернулася до високопродуктивних обчислень, щоб змоделювати процес деформації титану під напругою та з різною кількістю кисню. Комп’ютерні моделі, каже Аста, — це «потужний набір інструментів, який дозволяє нам досліджувати цю видатну проблему в металургії титану».
Серед головних відкриттів команди ключем до розуміння втрати пластичності стало перемішування атомів кисню в кристалічній структурі титану, коли метал знаходиться під напругою. У ненапруженому стані молекули кисню безперешкодно перебувають у природних проміжках між атомами титану. Але під дією механічних сил атоми кисню можуть переміщуватися в сусідні простори, де вони забезпечують менший опір дислокаціям, які, якщо вони поширюються, послаблюють метал.
«Кисень сприяє структурній слабкості», — каже Майнор. Оскільки механічні сили деформують метал, зміщені атоми кисню замість того, щоб блокувати поширення структурних дефектів, можуть сприяти так званому плоскому ковзанню.
Планарне ковзання, каже Аста, схоже на брижі дефектів у кристалічній структурі металу, які створюють один на одному, що зрештою призводить до розломів, тріщин і крихкого шматка металу.
Щоб зрозуміти, як дислокація може утворюватися та поширюватися в титані, Хрзан пропонує візуалізувати спробу пересунути великий важкий килим.
«Дуже великий килим можна підхопити за один кінець і перетягнути по підлозі на нове місце», — каже він. Але ще один спосіб пересунути килим – це створити хвилі на одному кінці, а потім, човгаючи ногами по килиму, ви можете «пройти» по хвилях до іншого кінця. За умови, що ніщо не блокує його рух, весь килим буде зміщений на відстань, що дорівнює ширині брижів.
Такі «брижі» в титані можна побачити за допомогою електронної мікроскопії. «Ви бачите, що всі вивихи вишикувалися в ряди», — каже Майнор. «І це погано для пластичності, тому що якщо вони вишикуються в лінію і йдуть лише одна за одною, вони не заплутуються [і таким чином не зупиняються] так, що метал не загартується. Ви отримуєте концентрацію напруги, і ось де ви отримуєте тріщина».
(Продовження буде)