Module d'Young de l'alumine

Les ingénieurs s'appuient sur le module de Young pour évaluer la contrainte qu'un matériau peut supporter avant de se déformer de façon permanente ou de tomber en panne, et pour concevoir des structures qui résistent aux forces extérieures sans se détériorer ou s'effondrer.

Les essais non destructifs tels que l'acoustique et la nanoindentation constituent des outils efficaces pour évaluer les propriétés mécaniques des matériaux. Toutefois, leurs exigences en matière d'échantillons peuvent être limitées, ce qui conduit à des courbes de distribution moins uniformes que les méthodes traditionnelles d'essai de traction.

Module de Young

Le module d'Young, également appelé module d'élasticité, mesure la capacité des matériaux à résister à la déformation. Les ingénieurs doivent comprendre le module d'Young car il quantifie la résistance aux forces extérieures et leur permet de concevoir des systèmes plus efficaces.

Pour déterminer le module d'Young, un échantillon de matériau doit d'abord être soumis à des quantités croissantes de contraintes de traction jusqu'à ce que sa limite d'élasticité soit atteinte, avant d'être autorisé à revenir à ses dimensions d'origine avant qu'une nouvelle contrainte ne soit appliquée. Les mesures de déformation effectuées au cours de ce processus permettent de calculer le module d'Young en traçant sa pente sur une courbe contrainte/déformation.

Si l'essai de traction reste la méthode de référence pour mesurer le module d'Young, sa précision pour mesurer la déformation à l'échelle microscopique peut s'avérer difficile. La nanoindentation est une autre approche qui permet de saisir avec précision les valeurs du module d'Young à l'échelle nanométrique, mais elle nécessite un équipement d'essai à haute résolution et des outils spécialisés pour préparer les échantillons à l'analyse.

Le module d'Young de l'alumine a été examiné de manière dynamique pendant son processus de frittage et a montré une relation exponentielle avec la porosité qui est en excellent accord avec les mesures statiques de la température ambiante. En outre, le module d'Young dynamique augmente de manière exponentielle à des températures plus élevées, les processus de densification devenant plus prédominants que les processus de frittage.

En raison du module d'élasticité plus faible de l'alumine, son étirement nécessite une force plus importante que l'étirement de sections similaires d'acier, ce qui fait des essais à l'échelle Vernier un moyen essentiel de collecter des données précises lors des essais de traction. Les ingénieurs bénéficieront de calculs plus précis du module d'Young, ce qui leur permettra d'utiliser cette information importante pour concevoir des structures plus efficaces. Exemple : L'utilisation d'alumine dont le module d'Young est inférieur à celui de l'acier peut rendre les restaurations dentaires plus rigides et réduire les fissures sous l'effet de la force, améliorant ainsi le confort du patient tout en diminuant les risques de défaillance de l'implant en raison de l'application de charges excessives.

Rapport de Poisson

L'alumine possède un module d'Young extrêmement élevé, ce qui la rend résistante à la déformation. Malheureusement, sa nature fragile l'empêche d'être utilisée dans des applications nécessitant de la plasticité, comme les composants structurels ou les outils de coupe, en raison de l'absence de limite d'élasticité - c'est pourquoi il est si important de comprendre son comportement sous contrainte.

Les essais de vibration offrent une solution en mesurant la fréquence de résonance d'un objet afin d'évaluer ses propriétés élastiques. Pour effectuer des essais de vibration, de petits projectiles sont utilisés pour frapper les échantillons tout en enregistrant les signaux de vibration à l'aide de capteurs ; ils sont ensuite reconvertis en données dans le domaine des fréquences par la transformée de Fourier rapide et enfin utilisés par un logiciel conçu spécifiquement pour les analyser afin de calculer la fréquence de résonance avec une grande précision et de déterminer les propriétés élastiques des échantillons.

Le coefficient de Poisson de l'alumine dépend à la fois de la densité et de la structure cellulaire de sa composition ; par conséquent, il peut être difficile de mesurer avec précision le coefficient de Poisson de l'alumine en raison de ces variables. Néanmoins, plusieurs études l'ont examiné par le biais d'essais de vibration ou d'autres moyens.

L'une de ces méthodes est le système Sonelastic, qui permet de mesurer le cisaillement, le coefficient de Poisson et l'amortissement. L'appareil mesure les fréquences de résonance des échantillons à l'aide d'un support filaire de précision afin d'identifier les modules élastiques des matériaux à microstructures grossières tels que les bétons ou les réfractaires - les mesures étant effectuées à la fois à basse et à haute température.

Le coefficient de Poisson normalisé des mousses d'aluminium varie en fonction de leur densité relative et est modélisé au mieux par une fonction de loi de puissance avec un exposant de 1,72 +- 0,10. Cette valeur correspond parfaitement à d'autres formes de mousses d'alumine, ce qui valide les mesures effectuées sur celles-ci. Des modèles de mélange ou de percolation pourraient également expliquer pourquoi le coefficient de Poisson diminue avec l'augmentation de la porosité.

Pendant le frittage, le module de Young a diminué linéairement avec la température avant d'augmenter rapidement à des températures plus élevées au fur et à mesure que les processus de densification se poursuivaient. Les mesures dynamiques du module d'Young présentaient des tendances similaires à celles des mesures statiques à température ambiante pour cet échantillon.

Résistance à la traction

L'alumine est l'un des matériaux les plus solides grâce à sa résistance supérieure à la traction. Capable de résister à de grandes quantités de tensions et de contraintes sans se fissurer, elle convient aux projets de construction nécessitant des matériaux très résistants. Elle présente également une résistance impressionnante à l'abrasion, ce qui la rend appropriée pour les composants qui doivent supporter des conditions d'usure et de déchirure abusives.

Les céramiques d'alumine sont connues pour leur résistance aux chocs thermiques, ce qui signifie qu'elles peuvent supporter des températures élevées sans être endommagées par des augmentations soudaines de température. L'alumine est donc idéale pour les applications impliquant des températures élevées, telles que l'ingénierie aérospatiale ou la production d'énergie. En outre, son excellente conductivité électrique lui permet d'être utilisée dans des applications de câblage ou pour câbler d'autres objets.

L'essai de traction est l'un des meilleurs moyens de mesurer avec précision le module d'Young des matériaux. Il consiste à augmenter progressivement la force exercée sur un échantillon jusqu'à sa limite d'élasticité. À chaque étape de ce processus, des mesures de la force et de la déformation sont effectuées en divers points de son parcours jusqu'à ce qu'il atteigne cette région élastique - et sa pente est tracée dans le cadre d'une courbe contrainte-déformation. Bien que cette méthode soit très efficace pour mesurer les propriétés mécaniques à l'échelle microscopique et nanométrique, un équipement et une expertise spécialisés peuvent être nécessaires pour la mettre en œuvre de manière efficace.

Cependant, il existe d'autres méthodes de mesure du module d'Young qui fournissent des résultats plus précis que les essais de traction. L'une de ces méthodes est la nanoindentation AFM, qui permet de mesurer avec précision le module d'Young intrinsèque des matériaux. Avec cette technique, un cantilever équipé d'une pointe AFM est plié contre la surface d'un échantillon et les courbes de force en fonction de la déflexion sont enregistrées au cours de ce processus.

Les scientifiques peuvent utiliser cette méthode pour comparer les valeurs du module d'Young de différents matériaux et déterminer lequel a la valeur intrinsèque la plus élevée. En outre, cette approche peut également être utilisée pour analyser l'impact des dommages sur les valeurs du module d'Young des matériaux.

Les scientifiques ont également découvert que la porosité de l'alumine affecte son module d'Young et son coefficient de Poisson. Alors que les études précédentes ne prenaient en compte que la forme sphérique des pores lors de la densification, cette nouvelle étude tient également compte de toute modification de la forme des pores lors de la densification.

Résistance au fluage

Les ingénieurs utilisent le module d'Young pour déterminer la contrainte qu'un matériau peut supporter avant de se déformer de façon permanente ou de se rompre, ce qui leur permet de créer des structures capables de résister aux forces extérieures sans se fissurer ou s'effondrer. Les chercheurs utilisent souvent des méthodes d'essai non destructives telles que les ondes ultrasoniques pour calculer avec précision le module d'Young ; les mesures de la vitesse des ondes ultrasoniques permettent de corréler le module d'Young avec la microstructure du matériau, la taille des grains et les caractéristiques de porosité des matériaux réfractaires.

Les propriétés élastiques de l'alumine dépendent de sa température et du processus de frittage, ainsi que de la composition des phases vitreuses présentes aux joints de grains. Cette seconde phase peut avoir un impact considérable sur les taux de résistance au fluage ; lorsqu'elle est exposée à des températures de frittage élevées, la déformation viscoélastique augmente de manière significative, tandis qu'à des températures plus basses, ce paramètre diminue de manière linéaire.

L'alumine peut être renforcée par l'ajout d'éléments qui augmentent la concentration et la résistance de la phase vitreuse, ainsi que par l'amélioration de la structure cristalline pour augmenter le module d'Young et la résistance au fluage. Le dopage avec La, Mg ou Y peut réduire la température de frittage tout en diminuant la vitesse de fluage et en augmentant simultanément la résistance à la traction.

La figure 11 montre les fractographies de fluage en traction de composites ABOw/Al-12Si renforcés par des whiskers à 350 et 400 degrés Celsius, qui présentent une rupture macroscopique fragile dans l'ensemble, mais une rupture ductile microscopique dans des régions locales, montrant un décollement entre la matrice et les whiskers ainsi que des signes de phase de silicium ou de composé intermétallique sur les surfaces d'aluminium, suggérant un décollement interfacial à la surface de fluage était apparent sur la surface de fluage, avec une phase de silicium visible ou des phases de composé intermétallique visibles sur la surface d'aluminium comme le montrent les images de la surface de fluage (Figure 11).