Youngov modul oxidu hlinitého

Inžinieri sa spoliehajú na youngov modul, aby vyhodnotili, aké namáhanie materiál znesie, kým sa trvalo nedeformuje alebo nezlyhá, a aby navrhli konštrukcie, ktoré odolávajú vonkajším silám bez toho, aby sa ohrozili alebo rozpadli.

Nedeštruktívne skúšky, ako napríklad akustická a nanoindentácia, poskytujú účinné nástroje na hodnotenie mechanických vlastností materiálov; ich požiadavky na vzorky však môžu byť obmedzené, čo vedie k menej rovnomerným distribučným krivkám v porovnaní s tradičnými metódami ťahových skúšok.

Youngov modul

Youngov modul, označovaný aj ako modul pružnosti, meria schopnosť materiálov odolávať deformácii. Inžinieri potrebujú poznať Youngov modul, pretože kvantifikuje odolnosť voči vonkajším silám a umožňuje im navrhovať efektívnejšie systémy.

Na stanovenie Youngovho modulu sa vzorka materiálu musí najprv vystaviť rastúcemu ťahovému namáhaniu, až kým sa nedosiahne jeho hranica pružnosti, a potom sa nechá vrátiť na pôvodné rozmery, než sa aplikuje nové namáhanie. Merania deformácie vykonané počas tohto procesu umožňujú vypočítať Youngov modul vykreslením jeho sklonu na krivke napätie/deformácia.

Hoci skúška ťahom zostáva základnou metódou na meranie Youngovho modulu, jej presnosť pri meraní deformácie v mikroskopickej mierke môže byť problematická. Nanoindentácia ponúka ďalší prístup, ktorý dokáže presne zachytiť hodnoty Youngovho modulu v nanorozmeroch - vyžaduje si však testovacie zariadenie s vysokým rozlíšením a špecializované nástroje na prípravu vzoriek na analýzu.

Youngov modul oxidu hlinitého sa skúmal dynamicky počas procesu spekania a ukázal exponenciálny vzťah s pórovitosťou, ktorý je vo výbornej zhode so statickými meraniami pri izbovej teplote. Dynamický Youngov modul navyše exponenciálne narastá pri vyšších teplotách, pretože procesy zhutňovania prevládajú nad procesmi spekania.

Vzhľadom na nižší modul pružnosti oxidu hlinitého si jeho roztiahnutie vyžaduje väčšiu silu ako roztiahnutie podobných úsekov oceľového materiálu, vďaka čomu je testovanie pomocou Vernierovej stupnice základným spôsobom zberu presných údajov počas ťahových skúšok. Inžinieri budú mať prospech z presnejších výpočtov Youngovho modulu, aby mohli tieto dôležité informácie využiť pri navrhovaní efektívnejších konštrukcií. Príklad: Použitie oxidu hlinitého s nižším Youngovým modulom ako oceľ môže zabezpečiť väčšiu tuhosť zubných náhrad a znížiť praskanie pri pôsobení sily, čím sa zlepší pohodlie pacienta a zároveň sa zníži riziko zlyhania implantátu v dôsledku nadmerného zaťaženia.

Poissonov pomer

Oxid hlinitý sa vyznačuje extrémne vysokým Youngovým modulom, vďaka čomu je odolný voči deformácii. Nanešťastie, jeho krehká povaha bráni jeho použitiu v aplikáciách vyžadujúcich plasticitu, ako sú konštrukčné komponenty alebo rezné nástroje, pretože nemá body klzu - preto je tak dôležité pochopiť jeho správanie pri namáhaní.

Vibračné testovanie poskytuje riešenie prostredníctvom merania rezonančnej frekvencie objektu na posúdenie jeho elastických vlastností. Na vibračné testovanie sa používajú malé projektily, ktorými sa poklepáva na vzorky, pričom sa zaznamenávajú vibračné signály pomocou snímačov; potom sa konvertujú späť na údaje vo frekvenčnej oblasti prostredníctvom rýchlej Fourierovej transformácie a nakoniec sa využívajú v softvéri navrhnutom špeciálne na ich analýzu s cieľom vypočítať rezonančnú frekvenciu s vysokou presnosťou a určiť elastické vlastnosti vzoriek.

Poissonov pomer v hliníku závisí od hustoty a bunkovej štruktúry jeho zloženia, preto presné meranie Poissonovho pomeru v hliníku môže byť kvôli týmto premenným zložité. Napriek tomu ho niekoľko štúdií skúmalo prostredníctvom vibračných testov alebo iných prostriedkov.

Jednou z takýchto metód je systém Sonelastic na meranie šmyku, Poissonovho pomeru a tlmenia. Zariadenie meria rezonančné frekvencie vzoriek pomocou presnej drôtenej podpory na určenie modulov pružnosti materiálov s hrubou mikroštruktúrou, ako sú betóny alebo žiaruvzdorné materiály - merania sa vykonávajú pri nízkych aj vysokých teplotách.

Normalizovaný Poissonov pomer v hliníkových penách sa mení v závislosti od ich relatívnej hustoty a najlepšie sa modeluje pomocou mocninového zákona s exponentom 1,72 +- 0,10. Táto hodnota sa dokonale zhoduje s inými formami hliníkových pien, čím sa potvrdzujú ich merania. Alternatívne by modely zmesi alebo perkolácie mohli vysvetliť, prečo Poissonov pomer klesá so zvyšujúcou sa pórovitosťou.

Dynamicky počas spekania sa Youngov modul lineárne znižoval s teplotou a potom sa pri vyšších teplotách rýchlo zvyšoval, keď pokračovali procesy zhutňovania. Dynamické merania Youngovho modulu mali pre túto vzorku podobné trendy ako statické merania pri izbovej teplote.

Pevnosť v ťahu

Oxid hlinitý je jedným z najpevnejších materiálov vďaka svojej vynikajúcej pevnosti v ťahu. Dokáže odolať veľkej záťaži a namáhaniu bez toho, aby praskol, vďaka čomu je vhodný pre stavebné projekty vyžadujúce vysokopevnostné materiály, a môže sa pochváliť aj pôsobivou odolnosťou proti oderu, takže je vhodný pre komponenty, ktoré budú vystavené opotrebovaniu a oderu.

Hliníková keramika je známa svojou odolnosťou voči tepelným šokom, čo znamená, že dokáže odolávať vysokým teplotám bez toho, aby ju náhle zvýšenie teploty poškodilo. Vďaka tomu je oxid hlinitý ideálny pre aplikácie, ktoré zahŕňajú vysoké teploty, ako je letecká technika alebo výroba energie. Okrem toho jeho vynikajúca elektrická vodivosť umožňuje jeho použitie v aplikáciách elektroinštalácie alebo zapojenia iných predmetov.

Skúška ťahom je jedným z najlepších spôsobov presného merania Youngovho modulu v materiáloch, pri ktorom sa postupne zvyšuje sila pôsobiaca na vzorku až do jej hranice pružnosti. V každom bode tohto procesu sa meria sila a deformácia v rôznych bodoch na jej trase až do dosiahnutia tejto oblasti pružnosti - a jej sklon sa vykreslí ako súčasť krivky napätia a deformácie. Hoci sa táto metóda výborne osvedčuje pri meraní mechanických vlastností na úrovni mikrorozmerov a nanorozmerov, na jej efektívne vykonávanie môže byť potrebné špecializované vybavenie a odborné znalosti.

Existujú však aj iné metódy merania Youngovho modulu, ktoré poskytujú presnejšie výsledky ako ťahové skúšky. Jednou z takýchto metód je nanoindentácia AFM, ktorá umožňuje presné meranie vlastného Youngovho modulu materiálov; pri tejto technike sa konzola vybavená hrotom AFM ohýba proti povrchu vzorky a z tohto procesu sa zaznamenávajú krivky závislosti sily od deformácie.

Vedci môžu túto metódu použiť na porovnanie hodnôt Youngových modulov rôznych materiálov a určiť, ktorý z nich má najvyššiu vlastnú hodnotu. Okrem toho sa tento prístup dá využiť aj na analýzu toho, ako poškodenie ovplyvňuje hodnoty Youngovho modulu materiálov.

Vedci tiež zistili, že pórovitosť oxidu hlinitého ovplyvňuje jeho Youngov modul a Poissonov pomer. Zatiaľ čo predchádzajúce štúdie zohľadňovali len guľový tvar pórov počas zhutňovania, táto nová štúdia zohľadňuje aj všetky modifikácie počas zhutňovania, ktoré menia tvar pórov.

Odolnosť proti plazivým účinkom

Inžinieri používajú Youngov modul na určenie toho, aké veľké namáhanie môže materiál vydržať pred trvalou deformáciou alebo zlyhaním, čo umožňuje inžinierom vytvárať konštrukcie schopné odolávať vonkajším silám bez toho, aby sa rozpadli alebo zrútili. Výskumníci často využívajú metódy nedeštruktívneho testovania, ako sú ultrazvukové vlny, na presné výpočty Youngovho modulu; merania rýchlosti ultrazvukových vĺn umožňujú koreláciu Youngovho modulu s mikroštruktúrou materiálu, veľkosťou zŕn a charakteristikami pórovitosti žiaruvzdorných materiálov.

Pružné vlastnosti oxidu hlinitého závisia od jeho teploty a procesu spekania, ako aj od zloženia sklovitých fáz prítomných na hraniciach zŕn. Táto druhá fáza môže mať dramatický vplyv na mieru odolnosti proti tečeniu; pri vystavení vysokým teplotám spekania sa viskoelastická deformácia výrazne zvyšuje, zatiaľ čo pri nižších teplotách tento parameter lineárne klesá.

Hliník možno spevniť pridaním prvkov, ktoré zvyšujú koncentráciu sklovitej fázy a pevnosť, ako aj zlepšením kryštálovej štruktúry na zvýšenie Youngovho modulu a odolnosti proti tečeniu. Dopovanie La, Mg alebo Y môže znížiť teplotu spekania a zároveň znížiť rýchlosť tečenia pri súčasnom zvýšení pevnosti v ťahu.

Na obrázku 11 sú zobrazené ťahové fraktografy kompozitov ABOw/Al-12Si vystužených whiskermi pri 350 a 400 stupňoch C, ktoré vykazovali makroskopicky krehký lom ako celok, ale mikroskopicky tvárny lom v lokálnych oblastiach, ktoré vykazovali rozpojenie medzi matricou a whiskrami, ako aj známky fáz kremíka alebo intermetalických zlúčenín na hliníkových povrchoch, čo naznačuje, že medzifázové rozpojenie na povrchu pri tečení bolo zrejmé na povrchu pri tečení, pričom na hliníkovom povrchu boli viditeľné fázy kremíka alebo intermetalických zlúčenín, ako je vidieť zo snímok povrchu pri tečení (obr. 11).