Módulo de Young de la alúmina

Los ingenieros se basan en el módulo de Young para evaluar cuánta tensión puede soportar un material antes de deformarse permanentemente o fallar, y para diseñar estructuras que soporten fuerzas externas sin verse comprometidas o desmoronarse.

Los ensayos no destructivos, como la acústica y la nanoindentación, proporcionan herramientas eficaces para evaluar las propiedades mecánicas de los materiales; sin embargo, sus requisitos de muestra pueden ser limitados, lo que da lugar a curvas de distribución menos uniformes en comparación con los métodos tradicionales de ensayo de tracción.

Módulo de Young

El módulo de Young, también denominado módulo de elasticidad, mide la capacidad de los materiales para resistir la deformación. Los ingenieros necesitan conocer el módulo de Young, ya que cuantifica la resistencia frente a fuerzas externas y les permite diseñar sistemas más eficaces.

Para determinar el módulo de Young, primero hay que someter una muestra de material a un esfuerzo de tracción creciente hasta alcanzar su límite elástico, antes de dejar que vuelva a sus dimensiones originales y aplicar un nuevo esfuerzo. Las mediciones de la deformación realizadas durante este proceso permiten calcular el módulo de Young trazando su pendiente en una curva de tensión/deformación.

Aunque el ensayo de tracción sigue siendo el método de referencia para medir el módulo de Young, su precisión a la hora de medir la deformación a escala microscópica puede resultar difícil. La nanoindentación es otro método capaz de captar con precisión los valores del módulo de Young a escala nanométrica, pero requiere equipos de ensayo de alta resolución y herramientas especializadas para preparar las muestras para el análisis.

El módulo de Young de la alúmina se examinó dinámicamente durante su proceso de sinterización y ha mostrado una relación exponencial con la porosidad que concuerda excelentemente con las mediciones estáticas a temperatura ambiente. Además, el módulo de Young dinámico aumenta exponencialmente a temperaturas más elevadas a medida que los procesos de densificación son más predominantes que los de sinterización.

Debido al menor módulo elástico de la alúmina, su estiramiento requiere una fuerza mayor que el de secciones similares de material de acero, por lo que los ensayos con escala Vernier son una forma esencial de recopilar datos precisos durante los ensayos de tracción. Los ingenieros se beneficiarán de cálculos más precisos del módulo de Young, para poder utilizar esta importante información a la hora de diseñar estructuras más eficientes. Ejemplo: Utilizar alúmina con un módulo de Young inferior al del acero puede hacer que las restauraciones dentales sean más rígidas y reducir el agrietamiento bajo la aplicación de fuerzas, mejorando la comodidad del paciente y disminuyendo al mismo tiempo los riesgos de fallo del implante debido a la aplicación de cargas excesivas.

Relación de Poisson

La alúmina tiene un módulo de Young extremadamente alto, lo que la hace resistente a la deformación. Por desgracia, su naturaleza quebradiza impide su uso en aplicaciones que requieren plasticidad, como componentes estructurales o herramientas de corte, debido a la ausencia de puntos de fluencia.

Los ensayos de vibración ofrecen una solución, ya que miden la frecuencia de resonancia de un objeto para evaluar sus propiedades elásticas. Para realizar los ensayos de vibración, se utilizan pequeños proyectiles para golpear las muestras mientras se registran las señales de vibración mediante sensores; a continuación, se convierten de nuevo en datos del dominio de la frecuencia mediante la transformada rápida de Fourier y, por último, se utilizan en un software diseñado específicamente para analizarlos con el fin de calcular la frecuencia de resonancia con gran precisión y determinar las propiedades elásticas de las muestras.

La relación de Poisson en la alúmina depende tanto de la densidad como de la estructura celular de su composición; en consecuencia, las mediciones precisas de la relación de Poisson en la alúmina pueden resultar difíciles debido a estas variables. No obstante, varios estudios la han investigado mediante ensayos de vibración u otros medios.

Uno de estos métodos es el sistema de Sonelastic para medir el cizallamiento, la relación de Poisson y la amortiguación. El dispositivo mide las frecuencias de resonancia de las muestras utilizando un soporte de alambre de precisión para identificar los módulos elásticos de materiales con microestructuras gruesas, como hormigones o refractarios; las mediciones se realizan tanto a bajas como a altas temperaturas.

La relación de Poisson normalizada en las espumas de aluminio varía con su densidad relativa y se modela mejor utilizando una función de ley de potencia con un exponente de 1,72 +- 0,10. Este valor coincide perfectamente con otras formas de espumas de alúmina, validando las mediciones realizadas en ellas. Este valor coincide perfectamente con otras formas de espumas de alúmina, validando las mediciones realizadas en ellas. Alternativamente, los modelos de mezcla o percolación podrían explicar por qué la relación de Poisson disminuye al aumentar la porosidad.

Dinámicamente durante la sinterización, el módulo de Young disminuyó linealmente con la temperatura antes de aumentar rápidamente a temperaturas más altas a medida que continuaban los procesos de densificación. Las mediciones dinámicas del módulo de Young tuvieron tendencias similares a las mediciones estáticas a temperatura ambiente para esta muestra.

Resistencia a la tracción

La alúmina es uno de los materiales más resistentes gracias a su gran resistencia a la tracción. Es capaz de soportar grandes esfuerzos y tensiones sin agrietarse, lo que la hace idónea para proyectos de construcción que requieren materiales de alta resistencia, y también cuenta con una impresionante resistencia a la abrasión, lo que la hace adecuada para componentes sometidos a desgaste.

Las cerámicas de alúmina son conocidas por su resistencia a los choques térmicos, lo que significa que pueden soportar altas temperaturas sin sufrir daños por aumentos bruscos de temperatura. Esto hace que la alúmina sea ideal para aplicaciones que implican altas temperaturas, como la ingeniería aeroespacial o la generación de energía. Además, su excelente conductividad eléctrica permite utilizarla en aplicaciones de cableado o cableado de otros objetos.

El ensayo de tracción es una de las mejores formas de medir con precisión el módulo de Young en los materiales, que consiste en aumentar gradualmente la fuerza sobre una muestra hasta su límite elástico. En cada punto de este proceso, se toman medidas de fuerza y deflexión en varios puntos a lo largo de su recorrido hasta alcanzar esta región elástica, y se traza su pendiente como parte de una curva de tensión-deformación. Aunque este método funciona muy bien a la hora de medir propiedades mecánicas a microescala y nanoescala, es posible que se necesiten equipos y conocimientos especializados para llevarlo a cabo con eficacia.

Sin embargo, existen otros métodos para medir el módulo de Young que proporcionan resultados más precisos que los ensayos de tracción. Uno de estos métodos es la nanoindentación por AFM, que ofrece mediciones precisas del módulo de Young intrínseco de los materiales; con esta técnica se dobla un voladizo equipado con una punta de AFM contra la superficie de una muestra y se registran las curvas de fuerza frente a desviación de este proceso.

Los científicos pueden utilizar este método para comparar los valores del módulo de Young de distintos materiales y determinar cuál tiene el valor intrínseco más alto. Además, este método también puede utilizarse para analizar cómo afectan los daños a los valores del módulo de Young de los materiales.

Los científicos también han descubierto que la porosidad de la alúmina afecta a su módulo de Young y a su coeficiente de Poisson. Mientras que los estudios anteriores solo tenían en cuenta la forma esférica de los poros durante la densificación, este nuevo también tiene en cuenta cualquier modificación durante la densificación que altere la forma de los poros.

Resistencia a la fluencia

Los ingenieros utilizan el módulo de Young para determinar cuánta tensión puede soportar un material antes de deformarse permanentemente o fallar, lo que les permite crear estructuras capaces de soportar fuerzas externas sin resquebrajarse ni derrumbarse. Los investigadores suelen utilizar métodos de ensayo no destructivos, como las ondas ultrasónicas, para calcular con precisión el módulo de Young; las mediciones de la velocidad de las ondas ultrasónicas permiten correlacionar el módulo de Young con la microestructura del material, el tamaño del grano y las características de porosidad de los materiales refractarios.

Las propiedades elásticas de la alúmina dependen de su temperatura y del proceso de sinterización, así como de la composición de las fases vítreas presentes en los límites de grano. Esta segunda fase puede tener un impacto dramático en las tasas de resistencia a la fluencia; cuando se expone a altas temperaturas de sinterización, la deformación viscoelástica aumenta significativamente, mientras que a temperaturas más bajas este parámetro disminuye linealmente.

La alúmina puede reforzarse añadiendo elementos que aumenten la concentración y la resistencia de la fase vítrea, así como mejorando la estructura cristalina para aumentar el módulo de Young y la resistencia a la fluencia. El dopaje con La, Mg o Y puede reducir la temperatura de sinterización y disminuir la velocidad de fluencia, aumentando al mismo tiempo la resistencia a la tracción.

La figura 11 muestra las fractografías de fluencia por tracción de los materiales compuestos ABOw/Al-12Si reforzados con bigotes a 350 y 400 ºC que mostraron fractura frágil macroscópica en su conjunto, pero fractura dúctil microscópica en regiones locales, mostrando desprendimiento entre la matriz y los bigotes, así como signos de fase de silicio o fase de compuesto intermetálico en las superficies de aluminio, lo que sugiere que el desprendimiento interfacial en la superficie de fluencia era evidente en la superficie de fluencia, con fases visibles de silicio o fases de compuesto intermetálico visibles en la superficie de aluminio, como se observa en las imágenes de la superficie de fluencia (Figura 11).