Новое время для титана (2)
Стратегии проектирования, которые прерывают процесс перетасовки атомов кислорода или способствуют созданию наноструктур, предотвращающих накопление плоских скольжений, могут привести к созданию более качественных сплавов. По словам Майнора, эти сплавы найдут применение, особенно в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Криоковка нанодвойников титана
Профессор Эндрю Майнор выливает жидкий азот на образец титана, демонстрируя процесс криоковки, используемый для создания нанодвойников титана в его лаборатории. (Фото Адама Лау / Berkeley Engineering)
Для решения этих и других проблем команда полагается на сочетание компьютерного моделирования, трансмиссионной электронной микроскопии (ПЭМ) и других методов визуализации, а также экспериментов.
«Одна из приятных особенностей этого проекта заключается в том, что иногда специалисты по вычислениям и теоретики опережают друг друга, а иногда – экспериментаторы», — говорит Аста. «Мы часто встречаемся и обсуждаем наши открытия и новые идеи».
Например, исследование чувствительности титана к кислороду привело к изучению титана, легированного алюминием и кислородом. Они обнаружили, что кислородное охрупчивание можно устранить, добавив небольшое количество алюминия, особенно при криогенных температурах, которые ниже -150 градусов Цельсия.
По словам команды, благодаря правильному количеству алюминия и кислорода новый порядок кристаллической структуры титана предотвратил перемещение атомов кислорода, которое могло привести к разрушительному скоплению дислокаций и, в конечном итоге, к переломам. Более того, поскольку введение алюминия в целом снизило чувствительность титана к кислороду, затраты на обработку для создания пригодного для использования металла также будут снижены.
В еще одном исследовании команда рассмотрела исследования 1960-х годов, показавшие, что многие металлы и сплавы демонстрируют резкое увеличение пластичности при воздействии периодических электрических импульсов во время деформации металла. Однако основные механизмы того, почему эта так называемая электропластичность может быть правдой, не ясны.
«Электропластика может привести к снижению затрат на металлургическую обработку, поскольку для формирования металла с помощью электрических импульсов требуется меньше энергии, чем для нагрева всего металла до высокой температуры для достижения той же формуемости», — говорит Майнор. «Интересно, что этот эффект электропластичности универсален, поскольку было показано, что он работает практически для любого металла, а не только для титана».
Команда провела испытания металла на растяжение в трех различных условиях: при комнатной температуре без электрического тока, с периодическим электрическим импульсом длительностью 100 миллисекунд и с постоянным током. Поскольку применение электрического тока нагревает металл, команда беспокоилась о том, как отличить эффекты, вызванные исключительно электричеством, от эффектов, вызванных теплом.
Их результаты показали, что, несмотря на использование меньшего периодического импульса, чем в предыдущих исследованиях, метод импульсного тока улучшил удлинение титанового сплава при растяжении, а также его максимальную прочность. Они отмечают, что этот эффект был характерен только для эксперимента с импульсным током.
С помощью ПЭМ можно увидеть изменения в кристаллической структуре металла. Результаты показывают, что обработка импульсным током подавляет плоские дислокации скольжения. Исследователи обнаружили, что электрический импульс упрочняет материал и препятствует развитию плоского скольжения, поддерживая диффузный трехмерный рисунок дислокаций, который в конечном итоге обеспечивает высокую прочность и пластичность.
(Продолжение следует)
