وقت جديد للتيتانيوم (2)

إن إستراتيجيات التصميم التي تقاطع عملية خلط ذرات الأكسجين، أو تعزز الهياكل النانوية لمنع تراكم الانزلاقات المستوية، يمكن أن تؤدي إلى سبائك أفضل. ويقول مينور إن هذه السبائك سيكون لها تطبيقات، خاصة في صناعات السيارات والفضاء.

التيتانيوم النانوي المشكل بالتبريد

يقوم البروفيسور أندرو مينور بصب النيتروجين السائل على عينة من التيتانيوم، موضحًا عملية التشكيل بالتبريد المستخدمة لإنشاء تيتانيوم ثنائي النانو في مختبره. (تصوير آدم لاو / هندسة بيركلي)

ولمعالجة هذه المشكلات وغيرها، يعتمد الفريق على مزيج من النمذجة الحاسوبية، والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، وطرق التصوير الأخرى، والتجارب.

يقول أستا: "أحد الأشياء اللطيفة في هذا المشروع هو أنه في بعض الأحيان يكون علماء الحوسبة والنظريون متقدمين قليلاً، وفي أحيان أخرى يكون التجريبيون". "نلتقي بشكل متكرر ونتحدث عن النتائج التي توصلنا إليها وأفكارنا الجديدة."

على سبيل المثال، أدت دراسة الفريق لحساسية الأكسجين في التيتانيوم إلى دراسة سبائك التيتانيوم مع الألومنيوم والأكسجين. ووجدوا أنه يمكن التخلص من تقصف الأكسجين عن طريق إضافة كميات صغيرة من الألومنيوم، خاصة في درجات الحرارة المبردة، والتي تكون أقل من -150 درجة مئوية.

يقول الفريق إنه مع وجود الكميات المناسبة من الألومنيوم والأكسجين، فإن الترتيب الجديد لبنية بلورة التيتانيوم يمنع خلط ذرات الأكسجين مما قد يؤدي إلى تراكم ضار للخلع والكسور في نهاية المطاف. علاوة على ذلك، نظرًا لأن إدخال الألومنيوم قلل من حساسية التيتانيوم للأكسجين بشكل عام، فسيتم أيضًا تقليل تكاليف المعالجة لإنشاء معدن قابل للاستخدام.

وفي دراسة أخرى، نظر الفريق في أبحاث تعود إلى ستينيات القرن العشرين، والتي أظهرت أن العديد من المعادن والسبائك تظهر زيادات كبيرة في الليونة عند تعرضها لنبضات كهربائية دورية أثناء تشوه المعدن. ومع ذلك، فإن الآليات الأساسية وراء صحة ما يسمى بالمرونة الكهربائية ليست واضحة.

يقول مينور: "يمكن أن تؤدي اللدونة الكهربائية إلى انخفاض تكاليف معالجة المعادن نظرًا لأن تشكيل المعدن باستخدام نبضات كهربائية يتطلب طاقة أقل مقارنة بتسخين المعدن بأكمله إلى درجة حرارة عالية لتحقيق نفس القابلية للتشكيل". "ومن المثير للاهتمام أن تأثير اللدونة الكهربائية هذا عالمي حيث ثبت أنه يعمل بشكل أساسي مع كل المعادن، وليس فقط التيتانيوم."

أجرى الفريق اختبارات الشد للمعدن في ظل ثلاثة ظروف مختلفة: درجة حرارة الغرفة بدون تيار كهربائي، مع نبض كهربائي دوري مدته 100 مللي ثانية، ومع تيار ثابت. ونظرًا لأن استخدام التيار الكهربائي يؤدي إلى تسخين المعدن، فقد كان الفريق قلقًا بشأن التمييز بين التأثيرات الناجمة عن الكهرباء فقط وتلك الناجمة عن الحرارة.

وأظهرت نتائجهم أنه على الرغم من استخدام نبض دوري أصغر من الدراسات السابقة، فإن طريقة التيار النبضي حسنت استطالة الشد لسبائك التيتانيوم بالإضافة إلى قوتها القصوى. لاحظوا أن هذا التأثير كان خاصًا فقط بتجربة التيار النبضي.

بمساعدة TEM لرؤية التغيرات في البنية البلورية للمعدن، تشير نتائجهم إلى أن العلاج بالتيار النبضي يمنع خلع الانزلاق المستوي. وجد الباحثون أن النبض الكهربائي يصلب المادة ويحبط تطور الانزلاق المستوي من خلال الحفاظ على نمط خلع منتشر ثلاثي الأبعاد يوفر في النهاية قوة ومرونة عالية.

(يتبع)