Nov čas za titan (1)
Med kovinami so trdnost in lahkotnost titana, odpornost proti koroziji in sposobnost, da vzdrži ekstremne temperature, dolgo razlikovale njegovo vrednost, zlasti za aplikacije, ki so občutljive na težo in okolje. Ko je bila prvič opisana v poznem 18. stoletju, je soodkritelj kovino poimenoval za Titane – bogove, rojene iz Zemlje in neba v starogrški mitologiji.
Čas je le požgal lesk titana. "Sem znanstvenik za materiale, zato me ljudje včasih vprašajo: 'Kateri je tvoj najljubši element?'," pravi Andrew Minor, profesor znanosti o materialih in inženiringa. Za zgradbe, letala, izstrelke, vesoljske ladje in drugo pravi: "Če želite najmočnejši material za najmanjšo težo, je to titan. Če bi lahko, bi vse naredili iz titana."
Za industrijske oblikovalce mora biti titan le sanje o močnih, lahkih avtomobilih, tovornjakih in letalih z veliko porabo goriva, na primer, ali super tovornih ladjah, odpornih proti koroziji.
Težava? "To je predrago," pravi Minor o industrijskem titanu ali titanovih zlitinah, ki bi sicer lahko nadomestile jeklo, ko bodo zadostovali le najmočnejši in najtrpežnejši materiali. Stroški izdelave titana so približno šestkrat višji od stroškov izdelave nerjavnega jekla. Posledično je njegova uporaba ostala omejena na posebne dele za vesoljsko vesolje, vrhunske predmete, kot je nakit, ali druge nišne aplikacije.
Še več, čisti titan ima le zmerno trdnost, pojasnjuje Minor. Lahko se ojača z elementi, kot so kisik, aluminij, molibden, vanadij in cirkonij; vendar je to pogosto na račun duktilnosti - sposobnosti kovine, da se vleče ali deformira brez zloma.
Zdaj, po desetletju raziskav, se morda bliža novo obdobje za titan, vključno z močno razširjenimi inženirskimi aplikacijami, zahvaljujoč Minorju in njegovim kolegom z Berkeleyja, vključno z Markom Asto, Darylom Chrzanom in JW Morrisom ml., prav tako profesorji na oddelku znanosti o materialih in inženiringa. Titan so preizkušali in preizkušali na številne načine v upanju, da bodo razširili njegovo praktično uporabo za različne konstrukcijske ali inženirske aplikacije.
Namesto tega je tisto, kar povzroča previsoke stroške komercialnega titana, pojasnjuje Minor, zapleten Krollov postopek, ki se najpogosteje uporablja za izdelavo titanovih palic, ingotov in drugih oblik kovine, ki jih je mogoče izdelati v uporabne dele in druge izdelke. Postopek vključuje uporabo dragih materialov, kot je plin argon, in je energetsko intenziven, saj zahteva večkratno taljenje pri izjemno visokih temperaturah, zlasti za nadzor nečistoč kisika.
Dejansko imata titan in kisik zmeden odnos, ki so ga Minor, Asta, Chrzan, Morris in sodelavci želeli bolje razumeti. Ekipa je vedela, da se za titanove zlitine pogosto uporablja nečistoča kisika za izkoriščanje močnega učinka krepitve. Titan, izdelan z le majhnim povečanjem količine atomskega kisika, lahko povzroči kovino z nekajkratno večjo trdnostjo.
Na žalost lahko kisik povzroči še večje zmanjšanje duktilnosti kovine. Postane krhka in se zlomi in zlomi.
Toda "kisik je povsod," pravi Minor o težavah pri manevriranju okoli visoke odzivnosti titana na kisik. "To ni neka nečistoča, ki prihaja iz izvornega materiala, ki se ji lahko preprosto izognete."
Občutljivost titana na kisik označuje kot ekstremno. "Resnično je čudno, kako močan je," pravi Minor. Na kovino ima dobre in slabe učinke, medtem ko je prisotnost podobnih količin kisika nepomembna za kovine, kot sta aluminij in jeklo, saj se z njim veliko lažje spopademo pri obdelavi.
Da bi izvedeli več, se je ekipa obrnila na visoko zmogljivo računalništvo, da bi modelirala proces deformacije v titanu pod obremenitvijo in z različnimi količinami kisika. Računalniški modeli, pravi Asta, so "zmogljiv nabor orodij, ki nam omogočajo raziskovanje tega izjemnega izziva v metalurgiji titana."
Od večjih odkritij ekipe je ključno za razumevanje izgube duktilnosti postalo mešanje atomov kisika v kristalni strukturi titana, ko je kovina pod stresom. V nenapetem stanju se molekule kisika brez incidentov nahajajo v naravnih vrzeli med atomi titana. Toda pod mehanskimi silami se lahko kisikovi atomi premaknejo v sosednje prostore, kjer zagotavljajo manj odpornosti proti dislokacijam, ki, če se razširijo, oslabijo kovino.
"Kisik spodbuja strukturno šibkost," pravi Minor. Ko mehanske sile deformirajo kovino, lahko premaknjeni atomi kisika namesto da bi preprečili širjenje strukturnih napak, olajšajo tako imenovani ravninski zdrs.
Planarni zdrs, pravi Asta, je kot valovanje napak v kristalni strukturi kovine, ki se gradijo ena na drugi, kar sčasoma vodi do zlomov, razpok in krhkega kosa kovine.
Da bi razumeli, kako se dislokacija lahko tvori in širi v titanu, Chrzan predlaga vizualizacijo poskusa premikanja velike, težke preproge.
"Zelo veliko preprogo je mogoče dvigniti na enem koncu in povleči po tleh na nov položaj," pravi. Toda drug način za premikanje preproge je, da ustvarite valovanje na enem koncu in nato, tako da z nogami drsite po vrhu preproge, lahko "sprehodite" valovanje na drugi konec. Če nič ne ovira njenega gibanja, bo celotna preproga premaknjena za razdaljo, ki je enaka širini valovanja.
Takšno "valovanje" v titanu je mogoče videti z elektronsko mikroskopijo. "Vidite lahko, da so vse dislokacije poravnane v vrstah," pravi Minor. "In to je slabo za duktilnost, ker če se postavijo v vrsto in si sledijo samo drug drugemu, se ne zapletajo [in tako ustavijo], tako da kovina ne deluje utrjeno. Dobite koncentracijo napetosti in tam dobite razpoka."
(nadaljevanje)
