 Ученые Калифорнийского университета в Беркли обнаружили механизм, по которому титан, который ценится за его высокую степень прочности к весу и естественной сопротивляемости к коррозии, становится хрупким только с несколькими дополнительными атомами кислорода.
Открытие имеет потенциал, чтобы открыть дверь в более практичные, экономичные использования титана в широком диапазоне применений. Популярный серебряный-серый металл уже можно найти в дорогих велосипедах, ноутбуках и имплантатах, среди других продуктов. Но полноценный титан с низким уровнем кислорода трудно найти, и расходы на очистку металла помешалт его широкому использованию в приложениях для строительства, автомобильной и аэрокосмической промышленности.
«Если бы вы могли обрабатывать титан способом, позволяющим ему сохранять свои оптимальные свойства, но по цене, сопоставимой с алюминием, то его можно было бы применять в автомобилях, грузовиках, самолетах и кораблях» - сказал старший автор исследования Эндрю Минор, доцент кафедры материаловедения Национальной лаборатории Лоренса Беркли. «Высокая коррозионная стойкость и отличные специфические свойства титана являются очень привлекательными, и сокращения расходов на уровне алюминия привели бы к легкому использованию материала».
Минор возглавляет исследовательскую группу отдела материаловедения и инженерии, которая сосредоточена на решении давней тайну в металлургии, как кислород вызывает такое глубокое изменение в характеристиках металлов.
«Кислород - как яд для титана», сказал Минор. «Чем больше кислорода, тем более восприимчивым материал становится к образованию трещин и качеств, которые не желательны для конструкционных материалов».
Хороший структурный материал будет иметь правильный баланс пластичности (способности сгибать в ответ на стресс) и силы. Минор отметил, что стекло является сильным и прочным, но не пластичным, поэтому этот материал не используется для построения транспортных средств или мостов.
Минор добавил, что в то время как многие металлы могут стать ломкими с кислородом, титан является особенно чувствительным даже к крошечным кусочкам элемента. 3 класс титана составляет всего 0,3 процента кислорода, но он в три раза хрупче чем 1 класс титана, имеющий 0,1 процентов кислорода. Понимание того, как кислород воздействует на титан, позволяет проводить исследования для управления процессом.
Исследователи подвергали различные сорта титановых образцов испытаниям нанокомпресии и проверили результате воздействия, используя передовые методы микроскопии и квантово-механические предсказания дефектных структур. Они обнаружили, что взаимодействие между кислородом и кристаллическими дефектами, известными как дислокации, которые характерны для титана, являются ключевыми для затвердевания металла.
Исследователи обнаружили, что атомы кислорода действовали как шишки на дороге для дислокаций, найденных в титане. С увеличением кислорода, титан становится более трудным к сгибанию и, следовательно, более восприимчивым к растрескиванию, по обнаружению исследователей.
Аналогичный эффект наблюдается при изгибе скрепки, пока она не ломается. Чем больше металла изгибается, тем большее количество дислокаций. Дислокации мешают движению других дефектов, что затрудняет сгибание скрепок. В конце концов, число дислокаций настолько высоко, что скрепка больше не может сгибаться, и вместо этого она ломается.
«Теперь, когда мы знаем, что речь идет о кислороде, найденном в недорогом титане, который заставляет материал затвердеть, мы можем работать над выяснением способа его обработки для перемещения атомов кислорода в место, где они не вызывают проблем», сказал соавтор исследования Марк Аста, профессор материаловедения и инженерии.
Минор отметил, что это уже сделано в полупроводниковой промышленности, так как кислород и другие примеси также вредят микропроцессорам на основе кремния.
|
