Jauns laiks titānam (1)
Starp metāliem titāna izturība un vieglums, izturība pret koroziju un spēja izturēt ārkārtējas temperatūras jau sen ir izceļas ar savu vērtību, jo īpaši lietojumos, kas ir jutīgi pret svaru un vidi. Kad tas pirmo reizi tika aprakstīts 18. gadsimta beigās, kāds līdzatklājējs metālu nosauca par titāniem - dieviem, kas dzimuši no Zemes un debesīm sengrieķu mitoloģijā.
Laiks titāna spožumu ir tikai piededzinājis. "Es esmu materiālu zinātnieks, un tāpēc cilvēki dažreiz man jautā: "Kāds ir tavs mīļākais elements?" saka Endrjū Minors, materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors. Attiecībā uz ēkām, lidmašīnām, raķetēm, kosmosa kuģiem un citiem viņš saka: "Ja vēlaties spēcīgāko materiālu ar vismazāko svaru, tas ir titāns. Ja mēs varētu, mēs izgatavotu visu no titāna."
Patiešām, rūpnieciskajiem dizaineriem, piemēram, spēcīgām, vieglām un ļoti degvielu taupošām automašīnām, kravas automašīnām un lidmašīnām vai īpaši izturīgiem kravas kuģiem, titānam ir jābūt sapņu materiālam.
Problēma? "Tas ir pārāk dārgi," Minor saka par rūpnieciskās kvalitātes titānu vai titāna sakausējumiem, kas citādi varētu aizstāt tēraudu, kad pietiks tikai ar visstingrākajiem un izturīgākajiem materiāliem. Titāna ražošanas izmaksas ir aptuveni sešas reizes lielākas nekā nerūsējošā tērauda ražošanas izmaksas. Rezultātā tā izmantošana ir ierobežota ar īpašām kosmosa detaļām, augstas klases priekšmetiem, piemēram, rotaslietām, vai citiem nišas lietojumiem.
Turklāt tīram titānam ir tikai mērena izturība, skaidro Minors. To var stiprināt ar tādiem elementiem kā skābeklis, alumīnijs, molibdēns, vanādijs un cirkonijs; tomēr tas bieži notiek uz elastības rēķina — metāla spējas stiept vai deformēties bez lūzuma.
Tagad, pēc desmit gadu ilgas izpētes, iespējams, tuvojas jauna titāna ēra, tostarp ievērojami paplašināti inženierijas pielietojumi, pateicoties Minoram un viņa Bērklija kolēģiem, tostarp Markam Astai, Derilam Krzanam un Dž. V. Morisam jaunākajam, arī katedras profesoriem. Materiālzinātnes un inženierzinātnes. Viņi ir zondējuši un izspieduši titānu dažādos veidos, cerot paplašināt tā praktisko pielietojumu dažādiem strukturāliem vai inženiertehniskiem lietojumiem.
Tā vietā komerciālā titāna pārmērīgās izmaksas, skaidro Minor, ir sarežģītais Kroll process, ko visbiežāk izmanto, lai izgatavotu titāna stieņus, lietņus un citus metāla veidus, kurus var izgatavot izmantojamās daļās un citos izstrādājumos. Process ietver dārgu materiālu, piemēram, argona gāzes, izmantošanu, un tas ir energoietilpīgs, un tam ir nepieciešamas vairākas kausēšanas ļoti augstā temperatūrā, jo īpaši, lai kontrolētu skābekļa piemaisījumus.
Titānam un skābeklim patiešām ir mīklainas attiecības, kuras Minors, Asta, Chrzan, Morris un kolēģi ir vēlējušies labāk izprast. Komanda zināja, ka titāna sakausējumiem bieži izmanto skābekļa piemaisījumu, lai izmantotu spēcīgu stiprinošu efektu. Titāns, kas izgatavots tikai ar nelielu atomu skābekļa daudzuma palielināšanos, var radīt metālu, kura stiprība palielinās vairākas reizes.
Diemžēl skābeklis var izraisīt arī vēl lielāku metāla elastības samazināšanos. Tas kļūst trausls un saplīsīs un saplīsīs.
Bet "skābeklis ir visur," Minors saka par grūtībām manevrēt ap titāna augsto reakciju uz skābekli. "Tas nav kāds piemaisījums, kas nāk no izejmateriāla, no kā jūs vienkārši varat izvairīties."
Viņš raksturo titāna jutību pret skābekli kā galēju. "Tas ir patiesi dīvaini, cik tas ir spēcīgs," saka Minors. Tam ir gan laba, gan slikta ietekme uz metālu, savukārt līdzīgs skābekļa daudzums ir nenozīmīgs tādiem metāliem kā alumīnijs un tērauds, jo ar to apstrādē ir daudz vieglāk tikt galā.
Lai uzzinātu vairāk, komanda pievērsās augstas veiktspējas skaitļošanai, lai modelētu deformācijas procesu titānā stresa apstākļos un ar atšķirīgu skābekļa daudzumu. Asta saka, ka datoru modeļi ir "jaudīgs rīku komplekts, kas ļauj mums izpētīt šo izcilo izaicinājumu titāna metalurģijā".
No galvenajiem komandas atklājumiem skābekļa atomu sajaukšanās titāna kristāla struktūrā, kad metāls ir pakļauts stresam, kļuva par galveno, lai izprastu elastības zudumu. Nesaspringtā stāvoklī skābekļa molekulas bez starpgadījumiem atrodas dabiskajās spraugās starp titāna atomiem. Bet mehānisko spēku ietekmē skābekļa atomi var pārvietoties uz blakus esošajām telpām, kur tie nodrošina mazāku pretestību dislokācijām, kas, izplatoties, vājina metālu.
"Skābeklis veicina strukturālu vājumu," saka Minors. Tā kā mehāniskie spēki deformē metālu, pārvietotie skābekļa atomi, nevis bloķē strukturālo defektu izplatīšanos, var veicināt tā saukto plakanu slīdēšanu.
Asta stāsta, ka plakanā slīdēšana ir kā defektu viļņojums metāla kristāla struktūrā, kas veidojas viens uz otru, galu galā novedot pie lūzumiem, plaisām un trausliem metāla gabaliem.
Lai saprastu, kā titānā var veidoties un izplatīties dislokācija, Chrzan iesaka vizualizēt mēģinājumu pārvietot lielu, smagu paklāju.
"Ļoti lielu paklāju var pacelt vienā galā un vilkt pa grīdu uz jaunu pozīciju," viņš saka. Bet vēl viens veids, kā pārvietot paklāju, ir izveidot viļņošanos vienā galā un pēc tam, izkustinot kājas pāri paklāja augšdaļai, jūs varat "izstaigāt" viļņošanos uz otru galu. Ja nekas nebloķē tā kustību, viss paklājs būs pārvietots par attālumu, kas vienāds ar viļņojuma platumu.
Šādus "viļņojumus" titānā var redzēt ar elektronu mikroskopiju. "Var redzēt, ka visas dislokācijas ir sakārtotas rindās," saka Minors. "Un tas ir slikti elastībai, jo, ja tie stāv rindā un tikai seko viens otram, tie nesapinās [un tādējādi neapstājas] tā, ka metāls nestrādā, sacietē. Jūs iegūstat stresa koncentrāciju, un tur jūs iegūstat plaisa."
(Turpinājums)