خواص الألومينا المرنة وتطبيقاتها

إن معامل يونغ المرتفع للألومينا ومقاومة الانضغاط وقوة الشد والضغط تجعلها مادة مناسبة للغاية للتطبيقات الهندسية. تقدم هذه المقالة دراسة شاملة لهذه الخصائص الرئيسية، مع تقديم حسابات عددية كأمثلة لمساعدة المهندسين عند اختيار أو تصميم المواد بناءً على احتياجات محددة من الخصائص.

توضح هذه الورقة البحثية بالتفصيل تحقيقًا يقارن بين النهج التجريبي ونهج النمذجة للتنبؤ بمعامل المرونة لطلاء الألومينا المترسب على ركيزة الألومنيوم، باستخدام اختبارات الانحناء ثلاثية وأربع نقاط للتوصيف الميكانيكي.

معامل يونغ

معامل يونغ هو خاصية مادية تقيس صلابة مادة صلبة متساوية الخواص. يستخدم المهندسون هذا القياس لتقييم قدرة المادة على التشوه، وكذلك لإنشاء هياكل قادرة على تحمل الضغوط التي يطبقها المهندسون. يقيس معامل يونج قدرة المادة على امتصاص الإجهاد من خلال قياس مرونتها تحت أحمال الشد والضغط.

وقد تم قياس معامل يونج للألومينا ليكون 69 جيجا باسكال (GPa) تقريبًا. وقد تم تأكيد هذه القيمة من خلال كل من القياسات التجريبية والحسابات النظرية، ولكن يمكن أن تختلف هذه القيمة بناءً على درجة الحرارة وتركيب السبيكة والبنية البلورية وعملية التصنيع - مثل تغيير ترتيب الشبكة بين الجزيئات أو آليات الترابط.

وعلى غرار المعادن، يمكن أن يتأثر معامل يونغ للألومينا أيضًا بمعدل الإجهاد. عند تطبيق معدلات إجهاد متزايدة، يميل معامل يونغ إلى الزيادة، ولكن يمكن أن ينخفض مع تطبيق معدل إجهاد أقل من اللازم - تنبع هذه الحساسية لمعدل الإجهاد من التغيرات في آليات توطين الإجهاد وآليات التشوه.

لتجنب هذه الظاهرة، من الضروري أن يتم اختبار معامل يونغ للألومينا تحت ظروف أحمال الشد والضغط على حد سواء، مع مقارنة نتائج الاختبار بالقيم النظرية لضمان دقتها. وتتمثل إحدى طرق القيام بذلك في الفحص المجهري للقوة الذرية - الذي يستخدم عينات أصغر حجماً للحصول على منحنيات توزيع أكثر دقة مقارنةً ببيانات المقياس الكامل؛ وهناك طريقة أخرى تستخدم الفحص المجهري للقوة الذرية الذي يقيس الخواص المرنة للمادة نفسها للحصول على نتائج أكثر موثوقية.

معامل القص

معامل القص هو خاصية مفيدة لقياس صلابة المواد. فهي توفر نظرة ثاقبة حول مقدار الإجهاد الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل حدوث تشوه أو فشل دائم، مما يجعل من الممكن التنبؤ بكيفية استجابة الهياكل للقوى الخارجية وتقييم مدى مقاومة المادة للتشقق أو الانهيار تحت الضغط.

يمكن حساب معامل القص باستخدام المعادلة G=Gi. حيث i هو معامل القص، والكتلة هي الكتلة، وثابت القص هو ثابت القص (k). وهو يقيس مقاومة المادة للانحناء؛ ويعبّر عنه عادةً بالباسكال (باسكال).

يمكن قياس معامل القص للألومينا باستخدام أساليب مختلفة. وتستخدم إحدى هذه الأساليب اختبارات الشد المتناهية الصغر، والتي تتطلب عينات أصغر من اختبارات الشد التقليدية ولكنها تنتج منحنيات توزيع أكثر انتظامًا للحصول على دقة أكبر. وهناك طريقة أخرى من خلال إجراء اختبارات القص المباشر التي تطبق قوى القص بمعدلات ثابتة على جسم ما وقياس معامل القص بمرور الوقت.

تمتلك المواد المختلفة معاملات قص مختلفة، وهو ما يمكن تفسيره من خلال تركيبها. على سبيل المثال، عادةً ما تُظهر الألواح الأقل سمكًا معاملات قص أقل من تلك الأكثر سمكًا بسبب وجود مساحة سطح أقل، وبالتالي تحتاج إلى إجهاد أكبر لحدوث إجهاد.

يمكن أن يختلف معامل القص للألومينا باختلاف درجة الحرارة حيث يتغير خلال عملية الحرق وبعد الوصول إلى درجة الحرارة النهائية. وقد ترجع هذه الاختلافات إلى تركيبة السبيكة أو التركيب البلوري أو عمليات التصنيع التي تؤثر على الخواص المرنة لمادة الألومينا، ولذلك ينبغي فهمها لتقدير أي تأثيرات قد تكون لها.

نسبة بواسون

تقيس نسبة بواسون التغير في الحجم عند تعرض المادة لإجهاد أحادي الاتجاه، وتحسب على أنها النسبة بين الإجهاد العرضي والإجهاد المحوري. ستُظهر المادة ذات نسبة بواسون سالبة تمدد حجم أكبر عند تعرضها للشد من الضغط، على الرغم من أن متوسط نسبة بواسون عادةً ما يكون قريبًا من 0.55. وغالبًا ما تُظهر المواد المجهرية والمواد المركبة نسب بواسون مختلفة بشكل كبير عن نظيراتها العادية.

يستخدم المهندسون معامل يونغ لتحديد مقدار الإجهاد الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تتشوه بشكل دائم أو تفشل، مما يساعدهم على إنشاء هياكل تتحمل القوى الخارجية بشكل موثوق. على سبيل المثال، تتميز الألومينا، على سبيل المثال، بقيمة معامل يونغ العالية للغاية وتستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية.

ويستخدم المهندسون تقنيات مختلفة لصناعة سيراميك الألومينا بالمستوى المناسب من المسامية، بما في ذلك الرغوة المباشرة وتقنية النسخ المتماثل والضغط الجاف والضغط المتساوي الضغط. وعادةً ما يتم تشكيل الأجسام الخضراء باستخدام هذه الطرق قبل إخضاعها لاختبارات الإجهاد لتقييم الخصائص المرنة لخصائصها المرنة.

قد تتضمن هذه الاختبارات ثني ثلاثي أو رباعي النقاط لتحديد معامل مرونة مادة الألومينا. ومن خلال مقارنة نتائج الاختبار بقيم خصائصها الفيزيائية المحسوبة، يتيح هذا النهج أيضًا التنبؤ بسلوكها في ظل مختلف الظروف البيئية والظروف الجوية.

يتطلب التنبؤ بمعامل مرونة سيراميك الألومينا بدقة نسبية استخدام عملية تكرارية تجمع بين البيانات التجريبية ونتائج نموذج العناصر المحدودة. في هذا الاختبار، تم تطبيق هذا النموذج على الطلاءات المودعة على ركائز الألومنيوم التي خضعت لاختبارات الانحناء ثلاثية وأربع نقاط؛ وكانت النتيجة تنبؤًا دقيقًا بمعامل مرونة هذه الطلاءات بالإضافة إلى الخواص الميكانيكية لسيراميك الألومينا المسامية الأخرى.

قوة الضغط

تشير القوة الضاغطة للمواد إلى سعة إجهادها القصوى تحت تحميل السحق دون أن تتحطم أو تفشل، مما يجعل هذه الخاصية ذات أهمية كبيرة عند اختيار مواد عوارض الجسور الخرسانية أو الفولاذية لتطبيقات محددة مثل قوة الضغط. قد تشمل قياسات قوة الانضغاط اختبارات الشد أحادي المحور أو اختبارات الشد النانوية التي تنتج نتائج غير مدمرة وأكثر دقة من اختبارات الشد التقليدية.

تستخدم اختبارات المسننات النانوية طرفًا دقيقًا يهتز على المادة قيد الاختبار، ويقيس أي قوى تمارس عليها ويستخدم هذه البيانات لحساب معامل مرونة المادة. ونظراً لأن هذه الاختبارات لا تستخدم سوى عينات صغيرة من المواد لأغراض الاختبار، فإن نتائجها توفر توزيعاً أكثر دقة من طرق اختبار الشد التقليدية.

يوفر تحليل الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية طريقة فعالة أخرى لقياس معامل مرونة المواد. يتضمن هذا النهج النقر على العينات باستخدام مقذوفات وتسجيل إشارات الاهتزاز لتحليلها ثم استخدام هذه المعلومات لتحديد ترددات الرنين الصوتي الطولية والعرضية، مما يوفر حسابات دقيقة لقيم المعامل المرن.

يتم تحديد خواص الألومينا المرنة من خلال كثافتها ونسبة بواسون وكلاهما يتغيران مع درجة الحرارة. تميل نسبة بواسون إلى الانخفاض مع زيادة درجة الحرارة ولكنها ترتفع مرة أخرى بمجرد وصولها إلى درجة حرارة الحرق للتلبيد بسبب تراكم الجرافيت أو أحجام الحبيبات الكبيرة التي تتداخل مع عمليات التلبيد.

تؤثر كل من درجة الحرارة وتركيب السبيكة والبنية البلورية على الخصائص المرنة للمعادن؛ ويعتمد معامل المرونة أيضًا على متغيرات عملية التصنيع مثل التوجيه أثناء الدرفلة؛ ويبرز هذا التأثير بشكل أكبر في المعادن ذات القالب المرن مثل الفولاذ التقليدي والفولاذ عالي القوة.

قوة الشد

يستخدم المهندسون قوة الشد القصوى كمقياس لمدى مرونة المواد ضد القوى الخارجية دون تكسير أو كسر، مثل تكسير أو تحطيم الهياكل. ويتطلب التنبؤ بهذه القيمة معرفة متعمقة بالميكانيكا المرنة بالإضافة إلى قياسات دقيقة.

نسبة بواسون هي أحد المحددات الرئيسية لقوة المواد. وتتميز الألومينا بأن نسبة بواسون منخفضة للغاية، مما يعني أن معامل مرونتها أقل من المعادن المماثلة، مما يجعلها هشة وعرضة للفشل تحت الحمل.

لتحديد قوة الشد لأي مادة، يجب إجراء اختبار الشد لإنشاء منحنى إجهاد-انفعال. يتضمن ذلك تطبيق قوة ثابتة أثناء قياس الانحراف من أجل تحديد مقدار الاستطالة التي يمكن أن تتحملها العينة قبل أن تنكسر تحت الشد.

ينطوي اختبار الشد المثالي على وضع عينة بين ملزمتين وتمديدها حتى الفشل. ثم تتم مقارنة هذا القياس مع حجم الشق الأولي في موقع ذروة الإجهاد/الإجهاد للتأكد من قوته وتحديد قوة الشد.

ومع ذلك، يمكن أيضًا استخدام اختبارات إضافية للحصول على مزيد من المعلومات حول قوة الشد للعينة. ويُطلق على إحدى هذه الطرق اسم اختبار القرص البرازيلي الديناميكي الذي يتضمن تمديد العينة باستمرار بينما تتشكل الشقوق في نقاط مختلفة على طولها وقياس الإجهاد والانفعال في مكان ظهور الشقوق لأول مرة باستخدام كاميرا فائقة السرعة قبل حساب قوة الشد باستخدام طرق التصحيح؛ ويتم فحص أسطح الكسر لعينة الألومينا باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح لفهم آلية فشلها.