Ученые из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили механизм, благодаря которому титан, ценимый за высокое отношение прочности к весу и естественную устойчивость к коррозии, становится хрупким при наличии всего нескольких дополнительных атомов кислорода.
Открытие, описанное в выпуске журнала Science от 6 февраля, может открыть двери для более практичного и экономически эффективного использования титана в более широком диапазоне применений. Популярный серебристо-серый металл уже можно найти в высококлассных велосипедах, ноутбуках и человеческих имплантатах, а также в других продуктах. Но трудно найти высококачественный титан с низким содержанием кислорода, а затраты на очистку металла препятствуют его более широкому использованию в строительстве, автомобилестроении и аэрокосмической промышленности.
«Если бы вы могли обрабатывать титан таким образом, чтобы сохранить его оптимальные свойства, но по стоимости, сравнимой с алюминием, вы нашли бы применение в автомобилях, грузовиках, самолетах и кораблях», - сказал старший автор исследования Эндрю Майнор, научный сотрудник. профессор материаловедения и инженерии и научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. «Высокая коррозионная стойкость и отличные специфические свойства титана очень привлекательны, а снижение стоимости до уровня алюминия сделало бы использование этого материала легкой задачей».
Майнор возглавил исследовательскую группу из отдела материаловедения и инженерии, которая сосредоточилась на разгадке давней загадки металлургии: как кислород вызывает такое глубокое изменение характеристик металлов.
"Кислород подобен яду для титана", сказал Минор. «С большим количеством кислорода материал становится более твердым и более восприимчивым к трещинам, что нежелательно для конструкционных материалов».
Хороший конструкционный материал должен иметь правильный баланс пластичности - способности изгибаться в ответ на нагрузку - и прочности. Майнор отметил, что стекло прочное и твердое, но не пластичное, поэтому этот материал не используется для строительства транспортных средств или мостов.
Минор добавил, что, хотя многие металлы могут стать хрупкими от кислорода, титан особенно чувствителен даже к крошечным частицам этого элемента. Титан класса 3 содержит всего 0,3% кислорода, но он на треть менее прочен, чем титан класса 1, который содержит 0,1% кислорода. Авторы исследования говорят, что понимание того, как кислород упрочняет титан, является целью для исследования контроля над процессом.
Исследователи подвергли различные сорта образцов титана испытаниям на нанокомпрессию и изучили полученное воздействие, используя передовые методы просвечивающей электронной микроскопии и квантово-механические предсказания структур дефектов. Они обнаружили, что взаимодействия между кислородом и кристаллическими дефектами, известными как дислокации, которые характерны для титана, были ключевыми факторами, влияющими на затвердевание материала.
Исследователи обнаружили, что атомы кислорода действовали как неровности на дороге для дислокаций в форме штопора, обнаруженных в титане. «Механическое перетасовывание, которое происходит, когда дислокации всплывают и перекрывают эти атомные удары, создает эффект домино, увеличивая количество дислокаций», - сказал соавтор исследования Дэрил Чрзан, профессор материаловедения и инженерии, руководивший теоретическими работами в рамках проекта. Исследователи обнаружили, что с повышенным содержанием кислорода титан становится труднее сгибать и, следовательно, более подвержен растрескиванию.
Похожий эффект можно получить, если согнуть скрепку, пока она не сломается. Чем больше изгибается металл, тем больше число дислокаций. Вывихи мешают движению других дефектов, затрудняя изгиб скрепки. В конце концов, количество вывихов настолько велико, что скрепка больше не может сгибаться, а вместо этого ломается.
Теперь, когда мы знаем, что такое кислород, содержащийся в недорогом титане, который вызывает затвердевание материала, мы можем работать над выяснением способа его обработки для перемещения атомов кислорода в места, где они не вызывают проблемы», - сказал соавтор исследования Марк Аста, профессор материаловедения и инженерии.
Майнор отметил, что это уже сделано в полупроводниковой промышленности, поскольку кислород и другие примеси также повреждают кремниевые микропроцессоры.
Другими соавторами исследования были исследователи из лаборатории Беркли, Японского управления ядерной науки и техники и компании Rolls Royce.
Управление военно-морских исследований помогло поддержать эту работу. Эксперименты проводились в Национальном центре электронной микроскопии в молекулярном литейном цехе лаборатории Беркли при поддержке Министерства энергетики США.