Nový čas pre titán (1)
Medzi kovmi je už dlho dôležitá pevnosť a ľahkosť titánu, odolnosť proti korózii a schopnosť odolávať extrémnym teplotám, najmä pre aplikácie citlivé na hmotnosť a životné prostredie. Keď bol na konci 18. storočia prvýkrát popísaný, spoluobjaviteľ pomenoval kov pre Titanov - bohov zrodených zo Zeme a neba v starogréckej mytológii.
Čas len vyleštil lesk titánu. „Som materiálový vedec, a tak sa ma ľudia niekedy pýtajú: Aký je tvoj obľúbený prvok?“ hovorí Andrew Minor, profesor materiálovej vedy a inžinierstva. Pre budovy, lietadlá, rakety, vesmírne lode a ďalšie hovorí: "Ak chcete najpevnejší materiál s čo najmenšou hmotnosťou, je to titán. Keby sme mohli, všetko by sme vyrobili z titánu."
Skutočne, pre priemyselných dizajnérov, napríklad vyhliadka na silné, ľahké a vysoko úsporné autá, nákladné autá a lietadlá alebo super korózii odolné nákladné lode, musí byť titán len snov.
Problém? "Je to príliš drahé," hovorí Minor o priemyselnom titáne alebo zliatinách titánu, ktoré by inak mohli nahradiť oceľ, keď budú stačiť len tie najpevnejšie a najodolnejšie materiály. Náklady na výrobu titánu sú asi šesťkrát vyššie ako náklady na nehrdzavejúcu oceľ. Výsledkom je, že jeho použitie zostalo obmedzené na špeciálne diely pre letectvo, špičkové predmety, ako sú šperky alebo iné špecializované aplikácie.
A čo viac, čistý titán má len miernu silu, vysvetľuje Minor. Môže byť spevnený prvkami ako kyslík, hliník, molybdén, vanád a zirkónium; to je však často na úkor ťažnosti - schopnosti kovu byť ťahaný alebo deformovaný bez lámania.
Teraz, po desaťročí výskumu, sa môže blížiť nová éra titánu, vrátane značne rozšírených inžinierskych aplikácií, vďaka Minorovi a jeho kolegom z Berkeley, vrátane Marka Astu, Daryla Chrzana a JW Morrisa Jr., tiež profesorov katedry. materiálovej vedy a inžinierstva. Skúmali a prepichovali titán mnohými spôsobmi v nádeji, že rozšíria jeho praktické využitie pre rôzne konštrukčné alebo inžinierske aplikácie.
Namiesto toho, to, čo poháňa nadmerné náklady na komerčnú kvalitu titánu, vysvetľuje Minor, je komplexný proces Kroll, ktorý sa najčastejšie používa na výrobu titánových tyčí, ingotov a iných foriem kovu, ktoré možno spracovať na použiteľné diely a iné produkty. Proces zahŕňa použitie drahých materiálov, ako je plynný argón, a je energeticky náročný, vyžaduje viacnásobné tavenie pri extrémne vysokých teplotách, najmä na kontrolu nečistôt kyslíka.
Vskutku, titán a kyslík majú záhadný vzťah, taký, ktorý Minor, Asta, Chrzan, Morris a kolegovia chceli lepšie pochopiť. Tím vedel, že v zliatinách titánu sa často používa kyslíková nečistota, aby sa využil silný posilňujúci účinok. Titán vyrobený len s malým zvýšením množstva atómového kyslíka môže viesť k niekoľkonásobnému zvýšeniu pevnosti kovu.
Bohužiaľ, kyslík môže tiež spôsobiť ešte väčšie zníženie ťažnosti kovu. Stane sa krehkým a bude sa lámať a lámať.
Ale "kyslík je všade," hovorí Minor o ťažkostiach pri manévrovaní okolo vysokej citlivosti titánu na kyslík. "Nie je to nejaká nečistota pochádzajúca zo zdrojového materiálu, ktorej sa môžete len tak vyhnúť."
Citlivosť titánu na kyslík charakterizuje ako extrémnu. "Je naozaj zvláštne, aké je to silné," hovorí Minor. Má účinky na kov, dobré aj zlé, zatiaľ čo prítomnosť podobného množstva kyslíka je pre kovy ako hliník a oceľ bezvýznamná, pretože sa s ním dá oveľa ľahšie zaobchádzať.
Aby sa tím dozvedel viac, obrátil sa na vysokovýkonnú výpočtovú techniku, aby modeloval proces deformácie titánu pod napätím a s rôznym množstvom kyslíka. Počítačové modely, hovorí Asta, sú "výkonnou sadou nástrojov, ktoré nám umožňujú preskúmať túto výnimočnú výzvu v metalurgii titánu."
Z hlavných objavov tímu sa kľúčom k pochopeniu straty ťažnosti stalo miešanie atómov kyslíka v kryštálovej štruktúre titánu, keď je kov pod napätím. V nestresovanom stave sa molekuly kyslíka zdržiavajú bez toho, aby nastali v prirodzených medzerách medzi atómami titánu. Ale pod mechanickými silami sa atómy kyslíka môžu presúvať do susedných priestorov, kde poskytujú menšiu odolnosť voči dislokáciám, ktoré, ak sa šíria, oslabujú kov.
"Kyslík podporuje štrukturálnu slabosť," hovorí Minor. Keď mechanické sily deformujú kov, vytlačené atómy kyslíka, namiesto toho, aby blokovali šírenie štrukturálnych defektov, môžu uľahčiť takzvaný planárny sklz.
Rovinný sklz, hovorí Asta, je ako zvlnenie defektov v kryštálovej štruktúre kovu, ktoré sa vytvárajú jedna na druhej, čo nakoniec vedie k zlomeninám, prasklinám a krehkému kusu kovu.
Aby sme pochopili, ako sa v titáne môže vytvoriť a šíriť dislokácia, Chrzan navrhuje vizualizovať pokusy premiestniť veľký a ťažký koberec.
"Veľmi veľký koberec možno na jednom konci zdvihnúť a pretiahnuť po podlahe do novej polohy," hovorí. Ale ďalší spôsob, ako posunúť koberec, je vytvoriť vlnenie na jednom konci a potom, prehadzovaním nôh po vrchnej časti koberca, môžete „prechádzať“ vlnením na druhý koniec. Za predpokladu, že nič nebráni jeho pohybu, celý koberec sa posunie o vzdialenosť rovnajúcu sa šírke zvlnenia.
Takéto "vlnky" v titáne možno vidieť elektrónovou mikroskopiou. "Môžete vidieť, že všetky dislokácie sú zoradené v radoch," hovorí Minor. "A to je zlé pre ťažnosť, pretože ak sa zoradia a len nasledujú za sebou, nezamotajú sa [a teda nezastavia] tak, že kov netvrdne. Získate koncentráciu stresu a to je miesto, kde trhlina."
(pokračovanie)