Συντελεστής Young της αλουμίνας

Οι μηχανικοί βασίζονται στο μέτρο ελαστικότητας για να εκτιμήσουν πόση πίεση μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν παραμορφωθεί μόνιμα ή αποτύχει και για να σχεδιάσουν κατασκευές που αντέχουν σε εξωτερικές δυνάμεις χωρίς να υποστούν βλάβη ή να καταρρεύσουν.

Οι μη καταστρεπτικές δοκιμές, όπως η ακουστική και η νανοεγκοπή, παρέχουν αποτελεσματικά εργαλεία για την αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών- ωστόσο, οι απαιτήσεις τους σε δείγματα μπορεί να είναι περιορισμένες, οδηγώντας σε λιγότερο ομοιόμορφες καμπύλες κατανομής σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους δοκιμών εφελκυσμού.

Συντελεστής Young's Modulus

Το μέτρο ελαστικότητας του Young, που αναφέρεται επίσης ως μέτρο ελαστικότητας, μετρά την ικανότητα των υλικών να αντιστέκονται στην παραμόρφωση. Οι μηχανικοί χρειάζονται κατανόηση του μέτρου ελαστικότητας του Young, καθώς ποσοτικοποιεί την αντίσταση έναντι εξωτερικών δυνάμεων και τους επιτρέπει να σχεδιάζουν πιο αποτελεσματικά συστήματα.

Για τον προσδιορισμό του μέτρου ελαστικότητας του Young, ένα δοκίμιο υλικού πρέπει πρώτα να υποβληθεί σε αυξανόμενη εφελκυστική τάση μέχρι να επιτευχθεί το όριο ελαστικότητάς του, και στη συνέχεια να επανέλθει στις αρχικές του διαστάσεις πριν από την εφαρμογή νέας τάσης. Οι μετρήσεις της παραμόρφωσης που λαμβάνονται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας επιτρέπουν τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας Young με την απεικόνιση της κλίσης του σε μια καμπύλη τάσης/παραμόρφωσης.

Ενώ η δοκιμή εφελκυσμού παραμένει η μέθοδος μέτρησης του μέτρου ελαστικότητας Young, η ακρίβειά της στη μέτρηση της τάσης σε μικροσκοπική κλίμακα μπορεί να είναι δύσκολη. Η νανοεγκοπή προσφέρει μια άλλη προσέγγιση που μπορεί να καταγράψει με ακρίβεια τις τιμές του μέτρου ελαστικότητας Young σε νανοκλίμακα - ωστόσο απαιτεί εξοπλισμό δοκιμών υψηλής ανάλυσης και εξειδικευμένα εργαλεία για την προετοιμασία των δειγμάτων προς ανάλυση.

Το μέτρο ελαστικότητας Young της αλουμίνας εξετάστηκε δυναμικά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης και έδειξε εκθετική σχέση με το πορώδες, η οποία βρίσκεται σε εξαιρετική συμφωνία με στατικές μετρήσεις σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας Young αυξάνεται εκθετικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες, καθώς οι διεργασίες συμπύκνωσης κυριαρχούν περισσότερο από τις διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης.

Λόγω του χαμηλότερου μέτρου ελαστικότητας της αλουμίνας, το τέντωμά της απαιτεί μεγαλύτερη δύναμη από ό,τι το τέντωμα παρόμοιων τμημάτων χαλύβδινου υλικού, καθιστώντας τη δοκιμή με κλίμακα Vernier έναν ουσιαστικό τρόπο συλλογής ακριβών δεδομένων κατά τη δοκιμή εφελκυσμού. Οι μηχανικοί θα επωφεληθούν από ακριβέστερους υπολογισμούς του μέτρου ελαστικότητας Young, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιούν αυτές τις σημαντικές πληροφορίες κατά το σχεδιασμό πιο αποδοτικών κατασκευών. Παράδειγμα: Η χρήση αλουμίνας με χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας Young από τον χάλυβα μπορεί να καταστήσει τις οδοντιατρικές αποκαταστάσεις πιο άκαμπτες και να μειώσει τη ρηγμάτωση υπό την εφαρμογή δύναμης, βελτιώνοντας την άνεση του ασθενούς και μειώνοντας παράλληλα τους κινδύνους αστοχίας του εμφυτεύματος λόγω υπερβολικών φορτίων που εφαρμόζονται.

Λόγος Poisson

Η αλουμίνα διαθέτει εξαιρετικά υψηλό μέτρο ελαστικότητας Young, καθιστώντας την ανθεκτική στην παραμόρφωση. Δυστυχώς, η εύθραυστη φύση της εμποδίζει τη χρήση της για εφαρμογές που απαιτούν πλαστικότητα, όπως δομικά στοιχεία ή κοπτικά εργαλεία, λόγω της απουσίας σημείων διαρροής - γι' αυτό και η κατανόηση της συμπεριφοράς της υπό πίεση είναι τόσο σημαντική.

Οι δοκιμές δόνησης παρέχουν μια λύση, μετρώντας τη συχνότητα συντονισμού ενός αντικειμένου για την αξιολόγηση των ελαστικών ιδιοτήτων του. Για τη διενέργεια δοκιμών δόνησης, χρησιμοποιούνται μικρά βλήματα για να χτυπήσουν τα δείγματα, ενώ παράλληλα καταγράφονται σήματα δόνησης με τη χρήση αισθητήρων- στη συνέχεια μετατρέπονται ξανά σε δεδομένα στο πεδίο της συχνότητας μέσω γρήγορου μετασχηματισμού Fourier και, τέλος, χρησιμοποιούνται από λογισμικό που έχει σχεδιαστεί ειδικά για την ανάλυσή τους για τον υπολογισμό της συχνότητας συντονισμού με μεγάλη ακρίβεια και τον προσδιορισμό των ελαστικών ιδιοτήτων των δειγμάτων.

Ο λόγος Poisson στην αλουμίνα εξαρτάται τόσο από την πυκνότητα όσο και από την κυτταρική δομή της σύνθεσής της- κατά συνέπεια, οι ακριβείς μετρήσεις του λόγου Poisson στην αλουμίνα μπορεί να είναι δύσκολες λόγω αυτών των μεταβλητών. Παρ' όλα αυτά, αρκετές μελέτες τον έχουν διερευνήσει μέσω δοκιμών δόνησης ή άλλων μέσων.

Μια τέτοια μέθοδος είναι το σύστημα Sonelastic για τη μέτρηση της διάτμησης, του λόγου Poisson και της απόσβεσης. Η συσκευή μετρά τις συχνότητες συντονισμού των δειγμάτων χρησιμοποιώντας στήριξη με σύρμα ακριβείας για τον προσδιορισμό των ελαστικών ιδιομορφών υλικών με χονδροειδή μικροδομή, όπως σκυροδέματα ή πυρίμαχα υλικά - οι μετρήσεις πραγματοποιούνται τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές θερμοκρασίες.

Ο κανονικοποιημένος λόγος Poisson στους αφρούς αλουμινίου μεταβάλλεται με τη σχετική πυκνότητά τους και μοντελοποιείται καλύτερα με τη χρήση μιας συνάρτησης νόμου δύναμης με εκθέτη 1,72 +- 0,10. Η τιμή αυτή ταιριάζει απόλυτα με άλλες μορφές αφρών αλουμίνας, επικυρώνοντας τις μετρήσεις που έχουν γίνει σε αυτές. Εναλλακτικά, τα μοντέλα μίξης ή διήθησης θα μπορούσαν να εξηγήσουν γιατί ο λόγος Poisson μειώνεται με την αύξηση του πορώδους.

Δυναμικά κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης, το μέτρο ελαστικότητας του Young μειώθηκε γραμμικά με τη θερμοκρασία πριν αυξηθεί ραγδαία σε υψηλότερες θερμοκρασίες καθώς συνεχίστηκαν οι διαδικασίες συμπύκνωσης. Οι δυναμικές μετρήσεις του μέτρου Young είχαν παρόμοιες τάσεις με τις στατικές μετρήσεις σε θερμοκρασία δωματίου για το δείγμα αυτό.

Αντοχή σε εφελκυσμό

Η αλουμίνα ξεχωρίζει ως ένα από τα ισχυρότερα υλικά λόγω της ανώτερης εφελκυστικής της αντοχής. Μπορεί να αντέξει εκτεταμένα ποσά τάσεων και καταπονήσεων χωρίς να ραγίσει, καθιστώντας την κατάλληλη για κατασκευαστικά έργα που απαιτούν υλικά υψηλής αντοχής, ενώ διαθέτει επίσης εντυπωσιακή αντοχή στην τριβή, καθιστώντας την κατάλληλη για εξαρτήματα που θα υποστούν φθορά και φθορά.

Τα κεραμικά αλουμίνας είναι γνωστά για την ανθεκτικότητά τους σε θερμικά σοκ, που σημαίνει ότι μπορούν να αντέξουν υψηλές θερμοκρασίες χωρίς να καταστραφούν από απότομες αυξήσεις της θερμοκρασίας. Αυτό καθιστά την αλουμίνα ιδανική για εφαρμογές που περιλαμβάνουν υψηλές θερμοκρασίες, όπως η αεροδιαστημική μηχανική ή η παραγωγή ενέργειας. Επιπλέον, η εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητά της επιτρέπει τη χρήση της σε εφαρμογές καλωδίωσης ή καλωδίωσης άλλων αντικειμένων.

Η δοκιμή εφελκυσμού είναι ένας από τους καλύτερους τρόπους για την ακριβή μέτρηση του μέτρου ελαστικότητας των υλικών, η οποία περιλαμβάνει τη σταδιακή αύξηση της δύναμης σε ένα δείγμα μέχρι το όριο ελαστικότητας. Σε κάθε σημείο αυτής της διαδικασίας, λαμβάνονται μετρήσεις δύναμης και παραμόρφωσης σε διάφορα σημεία της διαδρομής του έως ότου φτάσει σε αυτή την ελαστική περιοχή - και η κλίση της απεικονίζεται ως μέρος μιας καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης. Αν και η μέθοδος αυτή λειτουργεί εξαιρετικά κατά τη μέτρηση μηχανικών ιδιοτήτων σε επίπεδο μικροκλίμακας και νανοκλίμακας, μπορεί να απαιτείται εξειδικευμένος εξοπλισμός και τεχνογνωσία για την αποτελεσματική εκτέλεσή της.

Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες μέθοδοι για τη μέτρηση του μέτρου ελαστικότητας Young που παρέχουν ακριβέστερα αποτελέσματα από τη δοκιμή εφελκυσμού. Μια τέτοια μέθοδος είναι η νανοεγκοπή με AFM, η οποία προσφέρει ακριβείς μετρήσεις του εγγενούς μέτρου ελαστικότητας των υλικών- με την τεχνική αυτή, ένα ακρόβαθρο εξοπλισμένο με μια μύτη AFM κάμπτεται στην επιφάνεια ενός δείγματος και καταγράφονται οι καμπύλες δύναμης σε σχέση με την παραμόρφωση από τη διαδικασία αυτή.

Οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτή τη μέθοδο για να συγκρίνουν τις τιμές των συντελεστών ελαστικότητας του Young σε διάφορα υλικά και να προσδιορίσουν ποιο έχει την υψηλότερη εγγενή τιμή. Επιπλέον, αυτή η προσέγγιση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να αναλυθεί πώς η βλάβη επηρεάζει τις τιμές του συντελεστή Young των υλικών.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν επίσης ότι το πορώδες της αλουμίνας επηρεάζει το μέτρο ελαστικότητας Young και τον λόγο Poisson. Ενώ προηγούμενες μελέτες εξέταζαν μόνο το σφαιρικό σχήμα των πόρων κατά τη συμπύκνωση, η νέα μελέτη λαμβάνει υπόψη και τυχόν τροποποιήσεις κατά τη συμπύκνωση που μεταβάλλουν το σχήμα των πόρων.

Αντοχή σε ερπυσμό

Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν το μέτρο ελαστικότητας του Young για να προσδιορίσουν πόση πίεση μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν παραμορφωθεί μόνιμα ή αποτύχει, γεγονός που επιτρέπει στους μηχανικούς να δημιουργούν κατασκευές ικανές να αντέχουν σε εξωτερικές δυνάμεις χωρίς να διαλύονται ή να καταρρέουν. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν συχνά μεθόδους μη καταστροφικών δοκιμών, όπως τα υπερηχητικά κύματα, για ακριβείς υπολογισμούς του Μέτρου Young's Modulus. οι μετρήσεις της ταχύτητας των υπερηχητικών κυμάτων επιτρέπουν τη συσχέτιση του Μέτρου Young's Modulus με τη μικροδομή του υλικού, το μέγεθος των κόκκων και τα χαρακτηριστικά του πορώδους των πυρίμαχων υλικών.

Οι ελαστικές ιδιότητες της αλουμίνας εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και τη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης, καθώς και από τη σύνθεση των υαλωδών φάσεων που υπάρχουν στα όρια των κόκκων. Αυτή η δεύτερη φάση μπορεί να έχει δραματική επίδραση στους ρυθμούς αντίστασης σε ερπυσμό- όταν εκτίθεται σε υψηλές θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης, η ιξωδοελαστική παραμόρφωση αυξάνεται σημαντικά, ενώ σε χαμηλότερες θερμοκρασίες η παράμετρος αυτή μειώνεται γραμμικά.

Η αλουμίνα μπορεί να ενισχυθεί με την προσθήκη στοιχείων που αυξάνουν τη συγκέντρωση και την αντοχή της υαλώδους φάσης, καθώς και με τη βελτίωση της κρυσταλλικής δομής για αυξημένο μέτρο ελαστικότητας Young και αντοχή σε ερπυσμό. Η πρόσμιξη με La, Mg ή Y μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης μειώνοντας το ρυθμό ερπυσμού και αυξάνοντας ταυτόχρονα την αντοχή σε εφελκυσμό.

Στο Σχήμα 11 παρουσιάζονται τα θραυσματογραφήματα ερπυσμού εφελκυσμού των ενισχυμένων με whiskers σύνθετων υλικών ABOw/Al-12Si στους 350 και 400 βαθμούς Κελσίου, τα οποία εμφάνισαν μακροσκοπικά εύθραυστη θραύση στο σύνολό τους, αλλά μικροσκοπικά όλκιμη θραύση σε τοπικές περιοχές, παρουσιάζοντας αποκόλληση μεταξύ μήτρας και whiskers, καθώς και ενδείξεις φάσης πυριτίου ή διαμεταλλικής ένωσης στις επιφάνειες αλουμινίου, υποδηλώνοντας ότι η διεπιφανειακή αποκόλληση στην επιφάνεια ερπυσμού ήταν εμφανής στην επιφάνεια ερπυσμού, με ορατή φάση πυριτίου ή διαμεταλλικής ένωσης ορατές φάσεις στην επιφάνεια αλουμινίου, όπως φαίνεται από τις εικόνες της επιφάνειας ερπυσμού (Σχήμα 11).