शीआन जियाओतोंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने टाइटेनियम की अल्ट्रा-उच्च आंतरिक फ्रैक्चर कठोरता का पता लगाया

टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातु, जो अपने हल्के वजन, उच्च शक्ति और संक्षारण प्रतिरोध के लिए जाने जाते हैं, का व्यापक रूप से एयरोस्पेस, समुद्री इंजीनियरिंग और बायोमेडिकल क्षेत्रों में उपयोग किया गया है। हाल के वर्षों में, औद्योगिक क्षेत्र में "क्षति सहिष्णुता" डिजाइन अवधारणा की निरंतर प्रगति के साथ, टाइटेनियम की फ्रैक्चर क्रूरता की मांग में भी काफी वृद्धि हुई है। हालाँकि, दशकों के मिश्र धातु डिजाइन और प्रसंस्करण सुधारों के बावजूद, टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातुओं की फ्रैक्चर कठोरता 130 MPa∙m1/2 से नीचे बनी हुई है, जो कुछ ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स और फेस-केंद्रित क्यूबिक मध्यम/उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुओं की तुलना में बहुत कम है ( 200 MPa∙m1/2 से अधिक फ्रैक्चर क्रूरता के साथ)। इस सीमा ने गंभीर लोडिंग परिस्थितियों में टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातुओं के अनुप्रयोग में बाधा उत्पन्न की है।

धातु सामग्री की फ्रैक्चर कठोरता में सुधार मुख्य रूप से उनके आंतरिक सख्त तंत्र पर निर्भर करता है, जो दरार टिप पर प्लास्टिक विरूपण क्षेत्र को बढ़ाकर दरार प्रसार में बाधा डालता है। दूसरे शब्दों में, प्लास्टिक क्षेत्र जितना बड़ा होगा, फ्रैक्चर कठोरता उतनी ही अधिक होगी। चेहरा-केंद्रित घन और शरीर-केंद्रित घन धातुओं की तुलना में, टाइटेनियम, इसकी हेक्सागोनल क्लोज-पैक संरचना के साथ, निचली जाली समरूपता प्रदर्शित करता है, जिससे प्रिज्मीय को सक्रिय करना आसान हो जाता हैसमायोजित करने के लिए पर्चीदिशा विकृति. हालाँकि, समायोजित करने के लिए-अक्ष विकृति, विकृति जुड़ना या पिरामिड का सक्रिय होनापर्ची जरूरी है. विरूपण ट्विनिंग आमतौर पर यूनिडायरेक्शनल होती है और केवल छोटे प्लास्टिक स्ट्रेन को ही समायोजित कर सकती है। नतीजतन, पिरामिड की एक महत्वपूर्ण मात्रावॉन मिज़ मानदंड को पूरा करने के लिए स्लिप को सक्रिय किया जाना चाहिए, जिसके लिए प्लास्टिक विरूपण समन्वय के लिए कम से कम पांच स्वतंत्र स्लिप सिस्टम की आवश्यकता होती है। फिर भी, क्रिटिकल ने पिरामिड के लिए कतरनी तनाव का समाधान कियास्लिप अधिक है, और इसके किनारे अव्यवस्था घटक के विघटन का खतरा है, जिससे पेंच अव्यवस्था घटक के साथ विरूपण का समन्वय करना और पर्याप्त आत्म-प्रसार प्राप्त करना मुश्किल हो जाता है। की कमी-अक्ष विरूपण तंत्र के परिणामस्वरूप दरार की नोक पर उच्च-घनत्व समान प्लास्टिक विरूपण प्राप्त करने की सीमित क्षमता होती है, जिससे टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातुओं की फ्रैक्चर कठोरता सीमित हो जाती है।

इस चुनौती का समाधान करने और टाइटेनियम की फ्रैक्चर क्रूरता की पूरी क्षमता को अनलॉक करने के लिए, प्रोफेसर हान वेइज़होंग के नेतृत्व में शीआन जियाओतोंग विश्वविद्यालय के स्कूल ऑफ मैटेरियल्स साइंस एंड इंजीनियरिंग के शोधकर्ताओं ने शुद्ध टाइटेनियम की फ्रैक्चर क्रूरता पर एक व्यवस्थित अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि टाइटेनियम में ऑक्सीजन की अशुद्धियाँ इसकी अपर्याप्त फ्रैक्चर कठोरता में योगदान देने वाला प्राथमिक कारक हैं। यहां तक ​​कि ऑक्सीजन अशुद्धियों की थोड़ी मात्रा भी टाइटेनियम में विरूपण ट्विनिंग और अव्यवस्था गतिविधि को रोक सकती है, जिससे दरार की नोक पर समान प्लास्टिक विरूपण क्षमता काफी कम हो जाती है। वाणिज्यिक शुद्ध टाइटेनियम में ऑक्सीजन की अशुद्धता सामग्री को {0}}.14 wt% से कम करके कम ऑक्सीजन वाले टाइटेनियम में 0.02 wt% तक कम करके, अनुसंधान टीम ने 117 MPa∙m1/ से फ्रैक्चर कठोरता में उल्लेखनीय वृद्धि हासिल की। 2 से 255 MPa∙m1/2. यह उपलब्धि सभी वाणिज्यिक शुद्ध टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातुओं के साथ-साथ अधिकांश धातु सामग्रियों की फ्रैक्चर कठोरता को पार कर जाती है, जो कम ऑक्सीजन वाले टाइटेनियम को अब तक ज्ञात सबसे कठिन धातु सामग्रियों में से एक बनाती है।

अध्ययन ने न केवल टाइटेनियम की अति-उच्च आंतरिक फ्रैक्चर कठोरता का खुलासा किया, बल्कि पारंपरिक धारणा को भी तोड़ दिया कि टाइटेनियम की फ्रैक्चर क्रूरता स्वाभाविक रूप से 130 एमपीए∙एम1/2 से नीचे तक सीमित है। ऑक्सीजन सामग्री में उल्लेखनीय कमी ने पहल करने की चुनौती को पार कर लिया- कमरे के तापमान पर हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड टाइटेनियम में अक्ष विरूपण मोड। इसके अलावा, अनुसंधान ने एक उपन्यास प्रगतिशील सख्त तंत्र को उजागर किया: ऑक्सीजन सामग्री में कमी ने क्रैक टिप (चित्रा 3) पर विरूपण जुड़वाँ के बड़े पैमाने पर सक्रियण की सुविधा प्रदान की, जो बड़ी संख्या में उत्सर्जन करते हुए कुशल अव्यवस्था स्रोतों के रूप में कार्य करता है।अव्यवस्थाएं (चित्र 4)। इन दो विरूपण मोडों की पर्याप्त सक्रियता, जिन्हें आम तौर पर कमरे के तापमान पर शुरू करना मुश्किल होता है, ने कम-ऑक्सीजन टाइटेनियम की दरार टिप पर समान विरूपण क्षमता, विरूपण घनत्व और प्लास्टिक क्षेत्र के आकार में काफी वृद्धि की, प्रभावी ढंग से दरार टिप को कुंद किया और प्रदर्शित किया अभूतपूर्व फ्रैक्चर क्रूरता।

यह नवीन सख्त तंत्र और महत्वपूर्ण अशुद्धता सामग्री को कम करने की रणनीति उच्च-क्षति-सहिष्णुता टाइटेनियम मिश्र धातुओं को डिजाइन करने के लिए नई अंतर्दृष्टि प्रदान करती है। शोध के निष्कर्ष प्रतिष्ठित अंतरराष्ट्रीय शैक्षणिक पत्रिका "एडवांस्ड मैटेरियल्स" में "कम ऑक्सीजन अशुद्धता सामग्री के माध्यम से टाइटेनियम की आंतरिक उच्च फ्रैक्चर कठोरता को उजागर करना" शीर्षक के तहत प्रकाशित किए गए थे। पेपर के पहले लेखक शीआन जियाओतोंग विश्वविद्यालय के डॉक्टरेट छात्र ज़ो ज़ियाओवेई हैं, और सह-संबंधित लेखक प्रोफेसर हान वेइज़होंग और मा एन हैं। शीआन जियाओतोंग विश्वविद्यालय इस कार्य के लिए एकमात्र संगत संस्थान है, जिसे चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन और शीआन जियाओतोंग विश्वविद्यालय के यंग टॉप-नॉच टैलेंट सपोर्ट प्रोग्राम द्वारा समर्थित किया गया था।