Титан прочный и легкий, он обладает самым высоким соотношением прочности к весу среди всех конструкционных металлов. Но обрабатывать его при сохранении хорошего баланса прочности и пластичности – способности металла вытягиваться без разрушения – сложно и дорого. В результате титан был отнесен к нише в отдельных отраслях промышленности.

Теперь, как сообщается в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science, исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США открыли новый практический путь вперед.

Команда обнаружила, что они могут использовать технику, называемую крио-ковкой, для манипулирования чистым титаном в масштабе миллиардной доли метра (нанометра) при сверхнизких температурах для производства сверхпрочного «нанодвойникового» титана без какого-либо ущерба для него. его пластичности.

«В этом исследовании впервые была получена чистая нанодвойниковая структура в массивном материале», – сказал Эндрю Майнор, руководитель проекта исследования и директор Национального центра электронов в Molecular Foundry. пользовательский центр нанонауки в лаборатории Беркли. «С нанодвойниковым титаном нам больше не нужно выбирать между прочностью и пластичностью, но вместо этого мы можем достичь того и другого».

Мелкомасштабные изменения ударных свойств в значительной степени

Механические свойства металлов частично зависят от их зерен – крошечных отдельных кристаллических областей с повторяющимися атомными узорами, которые формируют внутреннюю структуру материала. Границы между зернами, на которых изменяется структура, укрепляют металлы, останавливая перемещение дефектов, известных как дислокации, и ослабляя структуру материала. Представьте себе зерно как улицы, а границы зерен как светофоры, препятствующие проезду атомных «машин».

Один из способов упрочнения металла – это просто уменьшить размер его зерен, чтобы создать больше границ, путем ковки – сжатия материала при высоких температурах или даже при комнатной температуре путем прокатки или удара молотком. Однако этот тип обработки часто происходит за счет пластичности – внутренняя структура разрушается, что делает ее склонной к разрушению. Уменьшение размеров зерновых «улиц» и увеличение количества «светофоров» приводит к скоплению атомного транспорта и разрушению материала.

«Прочность материала обычно коррелирует с размером внутренних зерен – чем меньше, тем лучше», – сказал Майнор который также является профессором материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли. «Но высокая прочность и пластичность, как правило, взаимоисключающие свойства».

Введите нанодвойников. Нанодвойники представляют собой особый тип расположения атомов, в котором крошечные границы в кристаллической структуре выстраиваются симметрично, как зеркальное отображение друг друга. Вернувшись на атомные дороги, светофоры на зерновых «улицах» превращаются в лежачие полицейские с нанодвойниковой структурой, облегчая перемещение атомов без накопления напряжения при сохранении повышенной прочности.

Двойник из титана

Нанодвойные материалы не новость. Однако для их изготовления обычно требуются специальные методы, которые могут быть дорогостоящими. Эти методы работают для избранного набора металлов, таких как медь, и обычно используются только для изготовления тонких пленок. Более того, в большинстве случаев свойства тонких пленок не переносятся на объемные материалы.

Чтобы создать нанодвойниковый титан, исследовательская группа использовала простую технику крио-ковки – манипулирование структурой металла при сверхнизких температурах. Метод начинается с куба очень чистого (более 99,95%) титана, помещенного в жидкий азот при температуре минус 321 градус по Фаренгейту. Пока куб погружен в воду, сжатие применяется к каждой оси куба. В этих условиях структура материала начинает формировать границы нанодвойников. Позднее куб нагревают до 750 градусов по Фаренгейту, чтобы удалить любые структурные дефекты, образовавшиеся между двойниковыми границами.

Исследователи подвергли вновь сформированный материал серии стресс-тестов и использовали электронные микроскопы Молекулярной литейной фабрики, чтобы раскрыть источник его уникальных свойств. В ходе этих испытаний они обнаружили, что титан с нанодвойниками имеет лучшую формуемость, поскольку он обладает способностью как образовывать новые границы нанодвойников, так и отменять ранее сформированные границы, что способствует деформации. Они проверили материал при экстремальных температурах до 1112 градусов по Фаренгейту, горячему, как текущая лава, и обнаружили, что он сохраняет свою структуру и свойства, демонстрируя универсальность материала.

При сверхнизких температурах нанодвойниковый титан способен выдерживать большую деформацию, чем обычный титан, что противоположно тому, что обычно происходит с большинством металлов – при низких температурах большинство материалов становятся более хрупкими.

Размер и количество этих нанодвойниковых структур могут изменять характеристики металла.

В случае титана исследователи обнаружили, что нанодвойникование удваивает прочность металла и увеличивает его пластичность на 30% при комнатной температуре. При сверхнизких температурах улучшение было еще более значительным – нанодвойникованный титан смог удвоиться в длину перед разрушением.

Нанодвойниковый титан также сохранял свои превосходные свойства при относительно высоких температурах, показывая, что эти свойства будут сохраняться не только в умеренном климате области залива Сан-Франциско, но также в условиях экстремального холода космического пространства и вблизи высокой температуры реактивного двигателя. .

Производство нанодвойникового титана с использованием крио-ковки потенциально рентабельно, масштабируемо для коммерческого производства и позволяет легко перерабатывать продукт. Кроме того, как заявил Майнор, «Мы показали механизм нанодвойникования в титане, но вполне возможно, что он будет работать и в других материалах, где пластичность ограничена». Отсюда исследователи надеются взять процесс, который они разработали для титана, и определить, можно ли его применить к другим металлам.

Molecular Foundry – это национальный пользовательский объект Министерства энергетики в лаборатории Беркли.

В исследовании участвовали исследователи из Калифорнийского университета в Беркли.

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США и Управлением военно-морских исследований США.

Источник: https://www.lbl.gov/[19459007visible