زمان جدیدی برای تیتانیوم (1)

در میان فلزات، استحکام و سبکی تیتانیوم، مقاومت در برابر خوردگی، و توانایی مقاومت در برابر دماهای شدید، ارزش آن را به ویژه برای کاربردهای حساس به وزن و محیط، متمایز کرده است. هنگامی که برای اولین بار در اواخر قرن 18 توصیف شد، یکی از کاشفان این فلز را برای تیتان ها - خدایان زاده شده از زمین و آسمان در اساطیر یونان باستان، نامید.

زمان فقط درخشش تیتانیوم را درخشان کرده است. اندرو مینور، استاد علم و مهندسی مواد، می گوید: «من یک دانشمند مواد هستم، و به همین دلیل گاهی اوقات مردم از من می پرسند، عنصر مورد علاقه شما چیست؟ او در مورد ساختمان ها، هواپیماها، موشک ها، سفینه های فضایی و غیره می گوید: "اگر قوی ترین ماده را با کمترین وزن می خواهید، تیتانیوم است. اگر می توانستیم، همه چیز را از تیتانیوم می ساختیم."

در واقع، برای طراحان صنعتی، برای مثال، اتومبیل‌ها، کامیون‌ها و هواپیماهای قوی، سبک وزن، با مصرف سوخت بالا، یا کشتی‌های باری فوق‌العاده مقاوم در برابر خوردگی، تیتانیوم باید رویاها باشد.

مشکل؟ مینور در مورد تیتانیوم یا آلیاژهای تیتانیوم درجه صنعتی که در غیر این صورت ممکن است جایگزین فولاد شوند، می گوید: «خیلی گران است. هزینه ساخت تیتانیوم حدود شش برابر بیشتر از فولاد ضد زنگ است. در نتیجه، استفاده از آن به قطعات تخصصی برای هوافضا، اقلام سطح بالا مانند جواهرات یا سایر کاربردهای خاص محدود شده است.

مینور توضیح می‌دهد که علاوه بر این، تیتانیوم خالص تنها قدرت متوسطی دارد. می توان آن را با عناصری مانند اکسیژن، آلومینیوم، مولیبدن، وانادیم و زیرکونیوم تقویت کرد. با این حال، این اغلب به بهای شکل پذیری است - توانایی فلز برای کشیده شدن یا تغییر شکل بدون شکستگی.

اکنون، پس از یک دهه تحقیق، به لطف ماینور و همکارانش در برکلی، از جمله مارک آستا، داریل کرزان، و جی دبلیو موریس جونیور، همچنین اساتید دپارتمان، ممکن است عصر جدیدی برای تیتانیوم، شامل کاربردهای مهندسی بسیار توسعه یافته، نزدیک شود. رشته علوم و مهندسی مواد. آنها تیتانیوم را به هر روشی کاوش و برانگیختند به این امید که کاربرد عملی آن را برای انواع کاربردهای ساختاری یا مهندسی گسترش دهند.

ماینور توضیح می‌دهد که در عوض، آنچه باعث هزینه‌های گزاف تیتانیوم تجاری می‌شود، فرآیند پیچیده کرول است که اغلب برای ساخت میله‌های تیتانیوم، شمش‌ها و سایر اشکال فلزی که می‌توانند به قطعات قابل استفاده و سایر محصولات ساخته شوند، استفاده می‌شود. این فرآیند شامل استفاده از مواد گران قیمت مانند گاز آرگون است و انرژی بر است و به ذوب های متعدد در دماهای بسیار بالا به ویژه برای کنترل ناخالصی های اکسیژن نیاز دارد.

در واقع، تیتانیوم و اکسیژن رابطه گیج‌کننده‌ای دارند، رابطه‌ای که ماینور، آستا، کرزان، موریس و همکارانش می‌خواستند آن را بهتر بفهمند. این تیم می‌دانست که ناخالصی اکسیژن اغلب برای آلیاژهای تیتانیوم استفاده می‌شود تا اثر تقویتی قوی را مهار کند. تیتانیوم ساخته شده تنها با افزایش اندک در مقدار اکسیژن اتمی می تواند منجر به یک فلز با افزایش چند برابری قدرت شود.

متأسفانه، اکسیژن همچنین می تواند باعث کاهش بیشتر در شکل پذیری فلز شود. شکننده می شود و می شکند و می شکند.

اما مینور در مورد دشواری مانور دادن در مورد پاسخ دهی بالای تیتانیوم به اکسیژن می گوید: «اکسیژن همه جا هست. "این ناخالصی ناشی از منبع منبع نیست که بتوانید از آن اجتناب کنید."

او حساسیت تیتانیوم به اکسیژن را فوق العاده توصیف می کند. مینور می گوید: «واقعاً عجیب است که چقدر قدرتمند است. این تاثیرات خوب و بد روی فلز می گذارد، در حالی که وجود مقادیر مشابه اکسیژن برای فلزاتی مانند آلومینیوم و فولاد ناچیز است زیرا می توان با آن در پردازش بسیار راحت تر مقابله کرد.

برای کسب اطلاعات بیشتر، تیم به محاسبات با کارایی بالا روی آورد تا فرآیند تغییر شکل تیتانیوم را تحت تنش و با مقادیر متفاوت اکسیژن مدل کند. آستا می‌گوید مدل‌های کامپیوتری «مجموعه‌ای قدرتمند از ابزارها هستند که به ما امکان می‌دهند این چالش برجسته در متالورژی تیتانیوم را بررسی کنیم».

از اکتشافات اصلی این تیم، به هم ریختن اتم‌های اکسیژن در ساختار کریستالی تیتانیوم زمانی که فلز تحت فشار است، کلید درک از دست دادن شکل‌پذیری شد. در حالت بدون تنش، مولکول های اکسیژن بدون برخورد در شکاف های طبیعی بین اتم های تیتانیوم قرار می گیرند. اما تحت نیروهای مکانیکی، اتم‌های اکسیژن می‌توانند به فضاهای مجاور منتقل شوند، جایی که مقاومت کمتری در برابر نابجایی‌ها ایجاد می‌کنند که اگر پخش شوند، فلز را ضعیف می‌کنند.

مینور می گوید: «اکسیژن باعث ایجاد ضعف ساختاری می شود. همانطور که نیروهای مکانیکی فلز را تغییر می دهند، اتم های اکسیژن جابجا شده، به جای جلوگیری از گسترش عیوب ساختاری، می توانند لغزش به اصطلاح مسطح را تسهیل کنند.

آستا می‌گوید لغزش مسطح مانند موجی از نقص در ساختار کریستالی فلز است که یکی بر روی دیگری ایجاد می‌شود و در نهایت منجر به شکستگی، ترک و یک قطعه فلزی شکننده می‌شود.

برای درک اینکه چگونه یک دررفتگی می تواند در تیتانیوم شکل بگیرد و گسترش یابد، کرزان پیشنهاد می کند تلاش برای حرکت دادن یک فرش بزرگ و سنگین را تجسم کنید.

او می‌گوید: «یک فرش بسیار بزرگ را می‌توان از یک انتها برداشت و روی زمین به موقعیت جدیدی کشید. اما راه دیگر برای جابجایی فرش این است که در یک انتهای آن موجی ایجاد کنید و سپس با حرکت دادن پاها در بالای فرش، می‌توانید موج را تا انتهای دیگر «راه بروید». در صورتی که هیچ چیز مانع حرکت آن نشود، کل فرش با فاصله ای برابر با عرض موج جابجا می شود.

چنین "موج های" در تیتانیوم را می توان با میکروسکوپ الکترونی مشاهده کرد. مینور می‌گوید: «می‌توانید ببینید که همه دررفتگی‌ها در ردیف‌های ردیفی قرار گرفته‌اند. "و این برای شکل‌پذیری بد است، زیرا اگر آنها در یک ردیف قرار گیرند و فقط به دنبال یکدیگر بیایند، در هم پیچیده نمی‌شوند [و در نتیجه متوقف نمی‌شوند] به طوری که فلز سخت کار نمی‌کند. شما تمرکز تنش را دریافت می‌کنید، و اینجاست که می‌گیرید. یک ترک."

(ادامه دارد)