揭秘使鈦合金變脆的殺手
2015年02月13日 9:59 6899次瀏覽 來源： 新材料在線 分類： 鈦資訊
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。這項發現發表在2月6日的《Science》雜志上。
（圖中淺藍色線為鈦合金中運動的缺陷或位錯。雜質氧（紅色原子）與缺陷間的相互作用可產生新的位錯，圖中用深藍色線表示。圖片來源： Qian Yu）
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，”本文的作者之一，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。”
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。”一種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。“當位錯弓出時，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。”該項研究的共同作者，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。”該項研究的共同作者Mark 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。
責任編輯：陳巖
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