Ново време за титанијум (1)
Међу металима, чврстоћа и лакоћа титанијума, отпорност на корозију и способност да издржи екстремне температуре дуго су истакли његову вредност, посебно за апликације осетљиве на тежину и околину. Када је први пут описан у касном 18. веку, ко-откривач је назвао метал за Титане - богове рођене од Земље и неба у древној грчкој митологији.
Време је само усијало титанијумски сјај. „Ја сам научник о материјалима, па ме људи понекад питају: ’Који је твој омиљени елемент?’“, каже Ендрју Мајнор, професор науке о материјалима и инжењерства. За зграде, авионе, пројектиле, свемирске бродове и још много тога, он каже: „Ако желите најјачи материјал за најмању тежину, то је титанијум. Да можемо, све бисмо направили од титанијума.“
Заиста, за индустријске дизајнере, изгледи за јаке, лагане, високоефикасне аутомобиле, камионе и авионе, на пример, или супер отпорне на корозију теретне бродове, титанијум мора бити ствар снова.
проблем? „Прескупо је“, каже Минор о индустријском титанијуму или легурама титанијума које би иначе могле заменити челик када ће бити довољни само најјачи и најтрајнији материјали. Цена израде титанијума је око шест пута већа од цене нерђајућег челика. Као резултат тога, његова употреба је остала ограничена на специјалне делове за ваздухопловство, врхунске предмете попут накита или друге нишне апликације.
Штавише, чисти титанијум има само умерену снагу, објашњава Минор. Може се ојачати елементима као што су кисеоник, алуминијум, молибден, ванадијум и цирконијум; међутим, то је често на рачун дуктилности – способности метала да се вуче или деформише без ломљења.
Сада, после деценије истраживања, нова ера за титанијум, укључујући знатно проширене инжењерске примене, можда се приближава, захваљујући Мајнору и његовим колегама са Берклија, укључујући Марка Асту, Дерила Цхрзана и ЈВ Морриса Јр., такође професоре на Одсеку науке о материјалима и инжењерства. Испитивали су и гурали титанијум на разне начине у нади да ће проширити његову практичну употребу за различите структуралне или инжењерске примене.
Уместо тога, оно што покреће претерану цену титанијума комерцијалног квалитета, објашњава Минор, је сложен Кролл процес који се најчешће користи за прављење титанијумских шипки, ингота и других облика метала који се могу произвести у употребљиве делове и друге производе. Процес укључује употребу скупих материјала као што је гас аргон, и енергетски је интензиван, захтева више топљења на екстремно високим температурама, посебно за контролу нечистоћа кисеоника.
Заиста, титанијум и кисеоник имају загонетан однос, онај који су Минор, Аста, Цхрзан, Морис и колеге желели да боље разумеју. Тим је знао да се нечистоћа кисеоника често користи за легуре титанијума да би се искористио снажан ефекат јачања. Титанијум направљен са само малим повећањем количине атомског кисеоника може резултирати металом са неколико пута повећањем снаге.
Нажалост, кисеоник такође може довести до још већег смањења дуктилности метала. Постаје крхка и ломиће се и ломити.
Али „кисеоник је свуда“, каже Мајнор о потешкоћама у маневрисању око високе реакције титанијума на кисеоник. "То није нека нечистоћа која долази из изворног материјала коју једноставно можете избећи."
Он карактерише осетљивост титанијума на кисеоник као екстремну. "Заиста је чудно колико је моћан", каже Минор. Делује на метал, како добро тако и лоше, док је присуство сличних количина кисеоника незнатно за метале попут алуминијума и челика јер се са њим много лакше може носити у обради.
Да би сазнао више, тим се окренуо рачунарству високих перформанси како би моделирао процес деформације у титанијуму под стресом и са различитим количинама кисеоника. Компјутерски модели, каже Аста, су „моћан скуп алата који нам омогућавају да истражимо овај изузетан изазов у металургији титанијума“.
Од главних открића тима, мешање атома кисеоника у кристалној структури титанијума када је метал под стресом постало је кључно за разумевање губитка дуктилности. У стању без стреса, молекули кисеоника се налазе без инцидента у природним празнинама између атома титанијума. Али под механичким силама, атоми кисеоника могу да се померају у суседне просторе где пружају мањи отпор дислокацијама које, ако се шире, слабе метал.
"Кисеоник промовише структурну слабост", каже Минор. Како механичке силе деформишу метал, померени атоми кисеоника, уместо да блокирају ширење структурних дефеката, могу олакшати такозвано планарно клизање.
Планарни клизање, каже Аста, је попут таласања дефеката у кристалној структури метала који се граде један на другом, што на крају доводи до ломова, пукотина и крхког комада метала.
Да би разумео како се дислокација може формирати и ширити у титанијуму, Цхрзан предлаже визуализацију покушаја да се помери велики, тешки тепих.
„Веома велики тепих се може подићи на једном крају и превући преко пода на нову позицију“, каже он. Али други начин да померите простирку је да направите талас на једном крају, а затим, пребацујући стопала преко врха тепиха, можете да „прошетате“ талас до другог краја. Под условом да ништа не блокира његово кретање, цео тепих ће бити померен за растојање једнако ширини таласања.
Такве „мребање” у титанијуму могу се видети електронским микроскопом. "Видите да су све дислокације поређане, у редовима", каже Минор. „А то је лоше за дуктилност, јер ако се поређају и само прате једни друге, не заплићу се [и тиме заустављају] тако да се метал не стврдне. Добијате концентрацију напрезања и ту ћете добити пукотина."
(Наставиће се)
