Un nuovo tempo per il titanio (2)
Strategie di progettazione che interrompono il processo di rimescolamento degli atomi di ossigeno o promuovono nanostrutture per impedire l’accumulo di scivolamenti planari potrebbero portare a leghe migliori. Queste leghe avrebbero applicazioni, soprattutto nell’industria automobilistica e aerospaziale, afferma Minor.
Titanio nanogemellato mediante crioforgiatura
Il professor Andrew Minor versa azoto liquido su un campione di titanio, dimostrando il processo di crioforgiatura utilizzato per creare titanio nanogeinato nel suo laboratorio. (Foto di Adam Lau / Berkeley Engineering)
Per affrontare questi e altri problemi, il team si affida a un mix di modellazione computerizzata, microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e altre modalità di imaging ed esperimenti.
"Una delle cose belle di questo progetto è che a volte i computazionalisti e i teorici sono un po' più avanti, e altre volte sono gli sperimentali", dice Asta. "Ci incontriamo spesso e parliamo delle nostre scoperte e delle nostre nuove idee."
Lo studio del team sulla sensibilità all'ossigeno del titanio, ad esempio, ha portato a uno studio sul titanio legato con alluminio e ossigeno. Hanno scoperto che l'infragilimento da ossigeno potrebbe essere eliminato aggiungendo piccole quantità di alluminio, soprattutto a temperature criogeniche, inferiori a -150 gradi Celsius.
Con le giuste quantità di alluminio e ossigeno, afferma il team, un nuovo ordinamento della struttura cristallina del titanio ha impedito un rimescolamento degli atomi di ossigeno che avrebbe portato a un dannoso accumulo di lussazioni e infine a fratture. Inoltre, poiché l’introduzione dell’alluminio ha ridotto complessivamente la sensibilità all’ossigeno del titanio, anche i costi di lavorazione per creare un metallo utilizzabile sarebbero ridotti.
In un altro studio ancora, il team ha esaminato ricerche risalenti agli anni ’60 che mostravano che molti metalli e leghe mostrano notevoli aumenti di duttilità quando sottoposti a impulsi elettrici periodici durante la deformazione del metallo. Tuttavia, i meccanismi alla base del motivo per cui questa cosiddetta elettroplasticità potrebbe essere vera non sono chiari.
"L'elettroplasticità può portare a costi ridotti per la lavorazione metallurgica poiché è necessaria meno energia per formare il metallo con impulsi elettrici rispetto al riscaldamento dell'intero metallo fino a una temperatura elevata per ottenere la stessa formabilità", afferma Minor. "È interessante notare che questo effetto dell'elettroplasticità è universale in quanto è stato dimostrato che funziona essenzialmente per ogni metallo, non solo per il titanio."
Il team ha eseguito prove di trazione del metallo in tre diverse condizioni: temperatura ambiente senza corrente elettrica, con un impulso elettrico periodico della durata di 100 millisecondi e con una corrente costante. Poiché l'applicazione della corrente elettrica riscalda il metallo, il team era preoccupato di distinguere gli effetti causati esclusivamente dall'elettricità da quelli causati dal calore.
I risultati hanno mostrato che, nonostante l’utilizzo di un impulso periodico più piccolo rispetto agli studi precedenti, il metodo della corrente pulsata ha migliorato l’allungamento a trazione della lega di titanio nonché la sua resistenza massima. Notano che questo effetto era specifico solo per l'esperimento con corrente pulsata.
Con l'aiuto del TEM per osservare i cambiamenti nella struttura cristallina del metallo, i loro risultati suggeriscono che il trattamento con corrente pulsata sopprime le dislocazioni planari di scorrimento. I ricercatori hanno scoperto che l’impulso elettrico indurisce il materiale e ostacola lo sviluppo dello scorrimento planare mantenendo un modello di dislocazione 3D diffuso che alla fine fornisce elevata resistenza e duttilità.
(Continua)