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鈦合金一向高比強度和優異的抗腐蝕性著稱。近日,來自加州大學伯克利分校的科學家們發現,當鈦合金中含氧含量稍高時,就會呈現脆性。這一發現將給鈦合金帶來更廣泛和經濟的應用,如在汽車、建筑、橋梁中。
這項發現為鈦合金的實際和高效應用打開了嶄新的局面。鈦是一種銀灰色的金屬,由于其性能的優越性而廣泛應用于很多領域,例如高端自行車、筆記本電腦和人體移植等產品。但是,低氧含量的鈦合金很難獲得,高額的提純成本大大阻礙了其在建筑、汽車和飛行器工業中的應用。
“如果你能以和加工鋁金屬一樣的成本來加工鈦合金,同時還能保證鈦合金的性能,那么鈦合金將很快能廣泛應用到汽車、卡車、飛行器和船舶中,”來自勞倫斯-伯克利國家實驗室材料科學與工程系的副教授Andrew Minor說道,“鈦合金優異的抗腐蝕性和其獨特的性能對工業應用非常有吸引力,因此降低其加工成本是必然要做的事情?!?/span>
Andrew Minor帶領一個材料科學與工程系的研究團隊,致力于解決合金領域中一個長期存在的難題,即氧含量如何導致金屬性質的巨大變化。
“氧對于鈦來說就像毒藥,”Andrew Minor說,“氧含量越高,鈦會變得越硬,越容易出現裂紋,而這是結構材料最不想出現的性質?!币环N好的結構材料需要有合適而平衡的塑性和強度,塑性是指材料受到應力時彎曲的能力。例如,玻璃很硬但是沒有很好的塑性,因此無法用來建造汽車和橋梁。
盡管很多金屬都有在含氧高時變脆的特性,但是鈦對于微量元素的變化尤為敏感,Andrew Minor補充道。含氧0.3%的鈦的韌性只有含氧0.1%的1/3。分析氧使鈦變脆的機制,對控制這個過程有很好的指示作用。
研究者們用含氧量不同的鈦合金樣品進行納米壓縮試驗,用先進的透射電子顯微鏡觀察結果,并用量子力學預測其缺陷結構。他們發現,氧原子與晶體缺陷間的相互作用,即位錯,是了解鈦合金材料如何變硬的關鍵所在。同時研究者們發現,鈦金屬中氧對于螺紋型位錯的作用就像馬路上的隆起緩沖帶?!爱斘诲e弓出時,機械延遲就出現并起作用,這些原子緩沖帶對更多的位錯造成多米諾效應?!痹擁椦芯康墓餐髡?,來自材料科學與工程系的教授Daryl Chrzan說道,他同時也負責該項目理論研究。研究者們發現,氧含量越高,鈦合金越難以彎曲,因此越來越容易開裂。
相似的效應在彎曲曲別針直至其斷裂過程中可以發現。彎曲金屬次數越多,產生的位錯越多。位錯干涉了其他缺陷的運動,使得曲別針越來越難彎曲。最終,位錯數量高到一定程度時,曲別針就無法再彎曲了,就會發生斷裂。
“既然我們知道了廉價鈦金屬中的氧含量導致了其變硬,我們可以開始致力于開發一個可以除去氧原子的工藝,這樣就不會產生這個問題了?!痹擁椦芯康墓餐髡進ark Asta說。此外,由于氧等雜質對硅基微處理器的性能有很大危害,所以半導體行業中也已經開展了控氧方面的研究。
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