Titanyum Mucizesi

Titanyum Malzemesi
Titanyum Malzemesi
Abone Ol  


Bilim adamları, ultra düşük sıcaklıklarda işleyerek daha güçlü ve daha sünek saf titanyum elde ediyor. Süneklik, bir malzemenin şekil değiştirmeye yatkınlığının bir ölçüsüdür. Sünek malzemeler kopmadan önce hem elastik hem de plastik şekil değişimine uğrar. Kırılmadan önce yüksek miktarda enerji absorbe ederek plastik deformasyona uğrar. Süneklik sıcaklığa, şekil değiştirme hızına ve gerilme durumlarına bağlıdır.

Titanyum, güçlü ve hafif olup, herhangi bir yapısal metalin en yüksek mukavemet/ağırlık oranına sahiptir. Ancak, iyi bir güç ve süneklik dengesi – bir metalin kırılmadan dışarı çekilebilmesi – korunurken işlenmesi zor ve pahalıdır. Sonuç olarak titanyum, belirli endüstrilerde niş kullanımlara indirgenmiştir.

Şimdi, Science dergisinde yayınlanan yakın tarihli bir çalışmada bildirildiği gibi, Energy’s Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki (Berkeley Lab) araştırmacılar ileriye dönük yeni ve pratik bir yol keşfettiler.

Ekip, sünekliğinden ödün vermeden ekstra güçlü “nanot-ikinli” titanyum üretmek için ultra düşük sıcaklıklarda bir metrenin milyarda biri (bir nanometre) ölçeğinde saf titanyumu manipüle etmek için kriyo-dövme adı verilen bir tekniği kullanabileceklerini buldu.

Malzemelerin Dayanıklılığı

Malzemelerin mekaniği olarak da adlandırılan malzemelerin mukavemet alanı, tipik olarak kirişler, kolonlar ve şaftlar gibi yapısal elemanlardaki gerilmeleri ve gerinimleri hesaplamanın çeşitli yöntemlerini ifade eder.

Bir yapının yükleme altındaki tepkisini ve çeşitli kırılma modlarına duyarlılığını tahmin etmek için kullanılan yöntemler, malzemelerin akma dayanımı, nihai dayanım, Young modülü ve Poisson oranı gibi özelliklerini dikkate alır.

Ek olarak, mekanik elemanın uzunluk, genişlik, kalınlık gibi makroskopik özellikleri (geometrik özellikler), sınır kısıtlamaları ve delikler gibi geometrideki ani değişiklikler dikkate alınır.

Teori, gerilme durumları iki boyutlu olarak tahmin edilebilen yapıların bir ve iki boyutlu elemanlarının davranışının dikkate alınmasıyla başladı ve daha sonra malzemelerin elastik ve plastik davranışına dair daha eksiksiz bir teori geliştirmek için üç boyuta genelleştirildi.

Malzemelerin mekaniğinde önemli bir kurucu öncü Stephen Timoshenko’ydu.

Yukarıdaki kısa bilgiden sonra yazımıza dönelim.

Berkeley Laboratuarı’ndaki bir nanobilim kullanıcı tesisi olan Molecular Foundry’deki Ulusal Elektron Mikroskobu Merkezi’nin proje lideri ve direktörü Andrew Minor, “Bu çalışma, yığın malzemede ilk kez saf nanoikiz bir yapı üretti” dedi. Nanoikiz titanyum ile artık dayanıklılık ve süneklik arasında seçim yapmak zorunda değiliz, bunun yerine her ikisini de başarabiliriz” diye eklemede bulunuyor

Metallerin mekanik özellikleri kısmen taneciklerine bağlıdır. Bunlara malzemenin iç yapısını oluşturan tekrar eden atomik modellerin küçük bireysel kristal alanları diyebiliriz.

Desenin değiştiği taneler arasındaki sınırlar, dislokasyon olarak bilinen kusurların hareket etmesini engellerken ve malzemenin yapısını zayıflatarak metalleri güçlendirir.

Bir metali güçlendirmenin bir yolu, döverek daha fazla sınır oluşturmak için tanelerinin boyutunu küçültmektir.

Malzemeyi yüksek sıcaklıklarda ve hatta oda sıcaklığında haddeleme veya çekiçleme yoluyla sıkıştırma işlemi diyebilirz.

Bununla birlikte, bu tür işleme genellikle süneklik pahasına gelir,  iç yapı kırılır ya da kırılmaya meyilli hale gelir.

UC Berkeley’de malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Minor, “Bir malzemenin gücü normalde iç tanelerin boyutuyla ilişkilidir – ne kadar küçükse o kadar iyidir” dedi. “Ancak yüksek mukavemet ve süneklik genellikle birbirini dışlayan özelliklerdir.”

Nanoikizlik (nanotwin)kristal yapıdaki küçük sınırların, birbirlerinin ayna görüntüleri gibi simetrik olarak sıralandığı özel bir atomik düzenleme türüdür.

Nanotwined malzemeler yeni değildir. Ancak, bunları yapmak genellikle maliyetli olabilen özel teknikler gerektirir. Bu teknikler, bakır gibi seçilmiş bir dizi metal için işe yaramıştır.

Ancak tipik olarak sadece ince filmler yapmak için kullanıldı. Ayrıca, çoğu zaman ince film özellikleri dökme malzemelere dönüşmez.

Nanotwined titanyum oluşturmak için araştırma ekibi, metalin yapısını ultra düşük sıcaklıklarda manipüle ederek, kriyo-dövme gibi basit bir teknik kullandı.

Teknik, eksi 321 derece Fahrenheit’te sıvı nitrojen içine yerleştirilmiş çok saf (%99,95’ten fazla) titanyum bir küple başlar.

Küp daldırılırken, küpün her eksenine sıkıştırma uygulanır. Bu koşullar altında malzemenin yapısı nanotwin sınırları oluşturmaya başlar.

Küp daha sonra ikiz sınırlar arasında oluşan yapısal kusurları gidermek için 750 Fahrenhayt dereceye kadar ısıtılır.

Araştırmacılar, yeni oluşturulan malzemeyi bir dizi stres testinden geçirdiler ve benzersiz özelliklerinin kaynağını ortaya çıkarmak için Molecular Foundry’nin elektron mikroskoplarını kullandılar.

Bu testler sırasında, nanotwined titanyumun hem yeni nanotwin sınırları oluşturma hem de daha önce oluşturulmuş sınırları geri alma kabiliyetine sahip olması nedeniyle daha iyi şekillendirilebilirliğe sahip olduğunu buldular.

Malzemeyi, akan lav kadar sıcak olan 1,112 Fahrenheit derecesine kadar aşırı sıcaklıklara karşı test ettiler ve malzemenin çok yönlülüğünü göstererek yapısını ve özelliklerini koruduğunu buldular.

Süper soğuk sıcaklıklarda, nanotwined titanyum, normal titanyumdan daha fazla zorlanmaya dayanabilir.

Bu çoğu metal için genellikle olanın tersidir. Düşük sıcaklıklarda, çoğu malzeme daha kırılgan hale gelir. Bu nanotwin yapıların boyutu ve sayısı metalin özelliklerini değiştirebilir.

Titanyum durumunda, araştırmacılar nanotwinning’in metalin gücünü ikiye katladığını ve oda sıcaklığında sünekliğini %30 artırdığını buldular. Süper düşük sıcaklıklarda, gelişme daha da çarpıcıydı.

Nanotwined titanyum, kırılmadan önce iki katına çıkabiliyordu.

Nanotwined titanyum ayrıca mükemmel özelliklerini nispeten yüksek sıcaklıklarda korudu ve bu özelliklerin sadece ılıman San Francisco Körfez Bölgesi ikliminde değil, aynı zamanda uzayın aşırı soğuklarında ve bir jet motorunun yoğun ısısının yakınında da devam edeceğini gösterdi.

Nano ikiz titanyumun kriyo dövme kullanılarak üretilmesi, potansiyel olarak uygun maliyetlidir.

Ticari üretim için ölçeklenebilir ve kolayca geri dönüştürülen bir ürün üretir.

Kaynak: Newscenter

İlk yorum yapan olun

Bir yanıt bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.


*