Elasticiteitsmodulus van titanium en titaniumlegeringen: simulatie van de kunst van de natuur en de harmonie van menselijke-machines

De elastische modulus is een indicator van de "stijfheid" van een materiaal, dat wil zeggen hoe gemakkelijk een materiaal onder spanning elastische vervorming ondergaat. Bij menselijke-computerinteractie en biomechanica is een te hoge materiaalstijfheid vaak rampzalig.

Het meest typische voorbeeld zijn kunstmatige botimplantaten. Menselijk corticaal bot heeft een zeer lage modulus, terwijl roestvrij staal en kobalt-chroomlegeringen extreem hoge moduli hebben. Dit "hard tegen zacht" resulteert in spanningsafscherming: omdat het metaal te hard is en alle belasting draagt, zal het omringende bot, dat de spanning niet kan weerstaan, geleidelijk atrofiëren en degenereren, wat ertoe leidt dat het implantaat uiteindelijk losraakt. Hoewel de elasticiteitsmodulus van titaniumlegeringen (ongeveer 110 GPa) hoger is dan die van bot, is deze al de laagste van de momenteel veelgebruikte metalen, en deze waarde wordt verder verlaagd door de ontwikkeling van nieuwe -titaniumlegeringen.

Bij precisiemachines is deze gematigde modulus even waardevol.Titaniumlegeringonderdelen hebben betere elastische dempingseigenschappen wanneer ze worden blootgesteld aan schokken, waardoor een deel van de kinetische energie wordt geabsorbeerd en veilig wordt vrijgegeven, in plaats van direct te breken zoals broze materialen. Het werkt als een veerkrachtige boog en vindt een balans tussen kracht en flexibiliteit. Het kiezen van titaniumlegeringen betekent in wezen het kiezen van een materiaal dat harmonieuzer kan samenleven met andere systemen (of het nu gaat om biologische organismen of precisiemachines), waardoor structurele schade op de lange termijn, veroorzaakt door "mismatch in stijfheid", wordt verminderd.