Masa Baru Untuk Titanium (1)
Di antara logam, kekuatan dan ringan titanium, rintangan kakisan, dan keupayaan untuk menahan suhu melampau telah lama membezakan nilainya, terutamanya untuk aplikasi sensitif berat dan alam sekitar. Apabila ia pertama kali diterangkan pada akhir abad ke-18, seorang penemu bersama menamakan logam untuk Titan - tuhan yang lahir dari Bumi dan langit dalam mitologi Yunani kuno.
Masa hanya memancarkan kilauan titanium. "Saya seorang saintis bahan, jadi orang kadang-kadang bertanya kepada saya, 'Apakah elemen kegemaran anda?'" kata Andrew Minor, profesor sains dan kejuruteraan bahan. Untuk bangunan, kapal terbang, peluru berpandu, kapal angkasa, dan banyak lagi, dia berkata, "Jika anda mahukan bahan terkuat dengan berat yang paling sedikit, ia adalah titanium. Jika boleh, kami akan membuat segala-galanya daripada titanium."
Sesungguhnya, bagi pereka industri, prospek kereta, trak dan kapal terbang yang kuat, ringan, sangat jimat bahan api, sebagai contoh, atau kapal kargo tahan kakisan super, titanium mesti menjadi impian.
Masalahnya? "Ia terlalu mahal," kata Minor mengenai titanium gred industri atau aloi titanium yang mungkin menggantikan keluli apabila hanya bahan yang paling kuat dan paling tahan lama akan mencukupi. Kos membuat titanium adalah kira-kira enam kali lebih besar daripada keluli tahan karat. Akibatnya, penggunaannya kekal terhad kepada bahagian khusus untuk aeroangkasa, barangan mewah seperti barang kemas atau aplikasi khusus lain.
Lebih-lebih lagi, titanium tulen hanya mempunyai kekuatan sederhana, jelas Minor. Ia boleh diperkukuh dengan unsur-unsur seperti oksigen, aluminium, molibdenum, vanadium dan zirkonium; namun, itu selalunya mengorbankan kemuluran - keupayaan logam untuk ditarik atau cacat tanpa patah.
Kini, selepas sedekad penyelidikan, era baharu untuk titanium, termasuk aplikasi kejuruteraan yang sangat berkembang, mungkin semakin hampir, terima kasih kepada Minor dan rakan sekerja Berkeleynya, termasuk Mark Asta, Daryl Chrzan, dan JW Morris Jr., juga profesor di Jabatan Sains dan Kejuruteraan Bahan. Mereka telah menyelidik dan mendorong titanium dalam beberapa cara dengan harapan dapat mengembangkan penggunaan praktikalnya untuk pelbagai aplikasi struktur atau kejuruteraan.
Sebaliknya, apa yang mendorong kos berlebihan titanium gred komersial, Minor menerangkan, ialah proses Kroll yang kompleks yang paling kerap digunakan untuk membuat bar titanium, jongkong dan bentuk logam lain yang boleh dibuat menjadi bahagian yang boleh digunakan dan produk lain. Proses ini termasuk penggunaan bahan mahal seperti gas argon, dan ia adalah intensif tenaga, memerlukan pelbagai leburan pada suhu yang sangat tinggi, terutamanya untuk mengawal kekotoran oksigen.
Sesungguhnya, titanium dan oksigen mempunyai hubungan yang membingungkan, yang Minor, Asta, Chrzan, Morris dan rakan sekerja ingin memahami dengan lebih baik. Pasukan itu mengetahui bahawa kekotoran oksigen sering digunakan untuk aloi titanium untuk memanfaatkan kesan pengukuhan yang kuat. Titanium yang dibuat dengan hanya sedikit peningkatan dalam jumlah oksigen atom boleh menghasilkan logam dengan peningkatan kekuatan beberapa kali ganda.
Malangnya, oksigen juga boleh menghasilkan penurunan yang lebih besar dalam kemuluran logam. Ia menjadi rapuh dan akan patah dan pecah.
Tetapi "oksigen ada di mana-mana," kata Minor tentang kesukaran untuk bergerak di sekitar tindak balas tinggi titanium terhadap oksigen. "Ia bukan kekotoran yang datang dari bahan sumber yang boleh anda elakkan."
Dia menyifatkan sensitiviti titanium terhadap oksigen sebagai melampau. "Sungguh pelik betapa kuatnya ia," kata Minor. Ia memberi kesan pada logam, baik dan buruk, manakala kehadiran jumlah oksigen yang sama adalah tidak penting untuk logam seperti aluminium dan keluli kerana ia boleh ditangani dalam pemprosesan dengan lebih mudah.
Untuk mengetahui lebih lanjut, pasukan itu beralih kepada pengkomputeran berprestasi tinggi untuk memodelkan proses ubah bentuk dalam titanium di bawah tekanan dan dengan jumlah oksigen yang berbeza. Model komputer, kata Asta, ialah "set alat yang berkuasa yang membolehkan kami menyiasat cabaran hebat ini dalam metalurgi titanium."
Daripada penemuan utama pasukan itu, pengecokan atom oksigen dalam struktur kristal titanium apabila logam berada di bawah tekanan menjadi kunci untuk memahami kehilangan kemuluran. Dalam keadaan tidak tertekan, molekul oksigen tinggal tanpa kejadian dalam jurang semula jadi antara atom titanium. Tetapi di bawah kuasa mekanikal, atom oksigen boleh mengocok ke ruang bersebelahan di mana ia memberikan kurang rintangan kepada kehelan yang, jika ia merebak, melemahkan logam.
"Oksigen menggalakkan kelemahan struktur, " kata Minor. Apabila daya mekanikal mengubah bentuk logam, atom oksigen yang disesarkan, dan bukannya menghalang penyebaran kecacatan struktur, boleh memudahkan apa yang dipanggil gelinciran planar.
Gelinciran planar, kata Asta, adalah seperti riak kecacatan pada struktur kristal logam yang membina satu sama lain, akhirnya membawa kepada keretakan, retak dan kepingan logam yang rapuh.
Untuk memahami cara terkehel boleh terbentuk dan merebak dalam titanium, Chrzan mencadangkan visualisasi cuba memindahkan permaidani yang besar dan berat.
"Permaidani yang sangat besar boleh diambil pada satu hujung dan diseret melintasi lantai ke kedudukan baharu," katanya. Tetapi cara lain untuk mengalihkan permaidani adalah dengan mencipta riak pada satu hujung dan kemudian, dengan mengesot kaki anda melintasi bahagian atas permaidani, anda boleh "berjalan" riak ke hujung yang lain. Dengan syarat tiada apa yang menghalang pergerakannya, keseluruhan permaidani akan disesarkan dengan jarak yang sama dengan lebar riak.
"Riak" sedemikian dalam titanium boleh dilihat dengan mikroskop elektron. "Anda boleh melihat semua kehelan berbaris, dalam baris," kata Minor. "Dan itu tidak baik untuk kemuluran kerana jika mereka berbaris dan hanya mengikut satu sama lain, mereka tidak akan berselirat [dan dengan itu berhenti] supaya logam tidak bekerja keras. Anda mendapat kepekatan tekanan, dan di situlah anda mendapat retak."
(Bersambung)