En ny tid for titanium (2)
Designstrategier, der afbryder ilt-atom-shuffling-processen eller fremmer nanostrukturer for at forhindre plane slips i at hobe sig op, kan føre til bedre legeringer. Disse legeringer ville have anvendelser, især i bil- og rumfartsindustrien, siger Minor.
Kryosmedning af nanotvundet titanium
Professor Andrew Minor hælder flydende nitrogen på en titaniumprøve og demonstrerer kryo-smedningsprocessen, der bruges til at skabe nanotvindet titanium i hans laboratorium. (Foto af Adam Lau / Berkeley Engineering)
For at løse disse og andre problemer er holdet afhængigt af en blanding af computermodellering, transmissionselektronmikroskopi (TEM) og andre billeddannelsesmodaliteter og eksperimenter.
"En af de ting, der har været rart ved dette projekt, er, at nogle gange er computerforskerne og teoretikere lidt foran, og andre gange er det eksperimentelerne," siger Asta. "Vi mødes ofte og taler om vores resultater og vores nye ideer."
Holdets undersøgelse af titaniums iltfølsomhed førte for eksempel til en undersøgelse af titanium legeret med aluminium og ilt. De fandt ud af, at iltskørhed kunne elimineres ved at tilføje små mængder aluminium, især ved kryogene temperaturer, som er under -150 grader Celsius.
Med den helt rigtige mængde aluminium og ilt, siger holdet, forhindrede en ny bestilling af titaniumkrystalstrukturen en blanding af iltatomer, der ville føre til en skadelig ophobning af dislokationer og i sidste ende brud. Hvad mere er, fordi introduktionen af aluminium reducerede iltfølsomheden af titanium generelt, ville forarbejdningsomkostningerne for at skabe et brugbart metal også blive reduceret.
I endnu en undersøgelse kiggede holdet på forskning, der går tilbage til 1960'erne, der viser, at mange metaller og legeringer viser dramatiske stigninger i duktilitet, når de udsættes for periodiske elektriske impulser under deformation af metallet. Men de underliggende mekanismer for, hvorfor denne såkaldte elektroplasticitet kan være sand, er ikke klare.
"Elektroplasticitet kan føre til reducerede omkostninger til metallurgisk behandling, da det kræver mindre energi at danne metal med elektriske impulser end at varme hele metallet op til en høj temperatur for at opnå den samme formbarhed," siger Minor. "Interessant nok er denne effekt af elektroplasticitet universel, idet den har vist sig at virke for stort set alle metal, ikke kun titanium."
Holdet udførte træktest af metallet under tre forskellige forhold: stuetemperatur uden elektrisk strøm, med en periodisk elektrisk puls på 100 millisekunders varighed og med en konstant strøm. Fordi påføring af elektrisk strøm opvarmer metallet, var holdet bekymret for at skelne mellem virkningerne forårsaget af elektricitet fra virkningerne forårsaget af varme.
Deres resultater viste, at på trods af at de brugte en mindre periodisk puls end tidligere undersøgelser, forbedrede pulserende strømmetoden titanlegeringens trækforlængelse såvel som dens maksimale styrke. De bemærker, at denne effekt kun var specifik for pulserende strømeksperiment.
Ved hjælp af TEM for at se ændringer i metallets krystalstruktur, tyder deres resultater på, at den pulserende strømbehandling undertrykker plane slip-dislokationer. Forskerne fandt ud af, at den elektriske puls hærder materialet og modvirker udviklingen af plan glidning ved at opretholde et diffust 3D-dislokationsmønster, der i sidste ende giver høj styrke og duktilitet.
(Fortsættes)