Il titanio (Ti), spesso considerato il metallo miracoloso per le sue straordinarie proprietà, ha molte applicazioni nell'industria aerospaziale, marina e biomedica. Conosciuti per la loro bassa densità, elevata resistenza, elevata duttilità, grande resistenza alla corrosione ed eccellente biocompatibilità, il Ti e le sue leghe sono stati ampiamente studiati da numerosi ricercatori per i loro meccanismi di deformazione strutturale a temperatura ambiente.
Recentemente, i ricercatori hanno concentrato i loro sforzi sullo studio della deformazione del Ti e delle sue leghe a temperature "criogeniche" molto basse (<77K, la temperatura dell'azoto liquido).
Il Ti e le sue leghe si deformano attraverso diversi meccanismi, tra cui gli scivolamenti di dislocazione, in cui i grani di metalli scivolano uno sopra l'altro, e il "gemellaggio di deformazione", in cui i grani si dispongono simmetricamente attorno a un confine di grano comune. Un grano, cioè una regione ben definita all'interno di un materiale cristallino, è costituito da atomi disposti in modo specifico e coerente. Il verificarsi di gemelli di deformazione nelle leghe di Ti dipende dalla struttura iniziale, dalla velocità di deformazione, dalla temperatura di deformazione e dalla dimensione del grano.
Gli studi hanno dimostrato che il gemellaggio può migliorare le proprietà meccaniche dei materiali. Inoltre, è stato dimostrato che la deformazione criogenica del Ti commercialmente puro (CP-Ti) innesca il gemellaggio della deformazione, aumentandone significativamente la resistenza e la duttilità. Tuttavia, gli effetti esatti dei diversi meccanismi di deformazione e delle dimensioni dei grani sulla resistenza del CP-Ti a temperature criogeniche non sono stati completamente compresi.
Per colmare questa lacuna, un team di ricercatori cinesi, guidato dal professore assistente Cai Chen e dal dottor Ji-zi Liu dell'Università di Scienza e Tecnologia di Nanchino, ha studiato le proprietà meccaniche e il comportamento di gemellaggio del CP-Ti a temperatura ambiente e azoto liquido temperatura (LNT).
"Lo studio del comportamento di deformazione del CP-Ti e delle sue leghe a temperature criogeniche può aiutare nello sviluppo di nuovi processi controllati per migliorarne la resistenza e la duttilità", spiega il dott. Chen. Il loro articolo è stato pubblicato sulla rivista Transactions of Nonferrous Metals Society of China .
Utilizzando tecniche avanzate come la diffrazione di retrodiffusione elettronica a scansione e la microscopia elettronica a trasmissione, i ricercatori hanno studiato i cambiamenti nella microstruttura e nelle dislocazioni dei campioni CP-Ti sotto carico uniassiale a entrambe le temperature. Hanno studiato il comportamento dell'indurimento della plastica, la frammentazione dei grani indotta dal gemellaggio, la trasformazione della struttura e la plasticità dei campioni.
I loro esperimenti hanno rivelato che i campioni ricristallizzati deformati all’LNT mostravano una combinazione molto migliore di resistenza e duttilità rispetto a quelli deformati a temperatura ambiente. Inoltre, il campione con la granulometria più piccola a entrambe le temperature ha mostrato il limite di snervamento più elevato.
Lo scorrimento delle lussazioni è stato identificato come il principale meccanismo di deformazione a temperatura ambiente, mentre il gemellaggio delle deformazioni è diventato dominante a LNT. Questa transizione dei meccanismi di deformazione è emersa come il principale fattore che contribuisce alle eccezionali proprietà meccaniche osservate ai LNT. Inoltre, il team ha anche proposto una relazione Hall-Petch modificata che tiene conto delle temperature criogeniche per spiegare il meccanismo di rafforzamento.
Il dottor Liu afferma:"I risultati dello studio forniscono importanti informazioni sui processi di deformazione dei metalli esagonali a temperature criogeniche. Ciò può portare a processi migliorati per il controllo e la progettazione dei metalli in grado di resistere a condizioni estreme."
Nel complesso, questo studio migliora la nostra comprensione della microstruttura e dei meccanismi di deformazione di metalli come il Ti e apre la strada allo sviluppo di metalli più forti e più duttili.
Ulteriori informazioni: Cai Chen et al, Effetto della dimensione dei grani e della temperatura sul meccanismo di deformazione del titanio commercialmente puro, Transazioni della Società cinese dei metalli non ferrosi (2023). DOI:10.1016/S1003-6326(23)66337-X
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