Модул на Юнг на алуминия

Модулът на Юнг е безценна мярка за безразрушително изпитване на огнеупорни материали и служи като индикатор за микроструктурното инженерство на тези огнеупорни материали.

Сканиращата трансмисионна електронна микроскопия (STEM) беше използвана за изследване на трикомпонентната система, съставена от алуминий-ZrO2-YAG. По-конкретно, характеризирахме подробно втората фаза, разположена по границите на алуминиевите зърна и между отделните зърна, като използвахме SEM изображения.

Модул на Юнг

Инженерите използват модула на Юнг, за да оценят колко напрежение може да издържи даден материал, преди да се деформира трайно или да се разруши, което им помага да създават структури, които издържат на външни сили, без да се напукат или разпаднат. Изчисляването на модула на Юнг изисква точни измервания, разбиране на еластичната механика и точен начин за прогнозиране на реакцията на материалите при натоварване.

Изпитването на опън е основният начин за измерване на модула на Юнг. Образец от материал се подлага на постепенно нарастващо напрежение на опън до достигане на границата на еластичност; след това се записват измерванията на силата и деформацията във всяка точка от този процес, преди да се нанесат върху кривата напрежение-деформация, като наклонът на еластичната област представлява модула на Юнг на материала.

Модулът на Юнг може да се измерва и по различни други начини. Наноиндентацията е една от тези техники, която често се използва за характеризиране на механичните свойства в микро- и наномащаб; тези тестове обаче изискват оборудване за изпитване с висока разделителна способност, както и специфични инструменти за подготовка на пробите за анализ.

Едно от предимствата на използването на наноиндентацията за измерване на модула на Юнг е, че тя изисква по-малки проби в сравнение с традиционните проби за изпитване на опън, което води до получаване на разпределения с по-правилни криви на разпределение, позволяващи по-прецизни статистически корекции, отколкото е възможно при разпределения в пълен мащаб.

Модулът на Юнг за алуминия е добре установен чрез експериментални измервания и теоретични изчисления и тази стойност може да се използва като точка за сравнение при извършване на изчисления или експериментални измервания. Промените в модула на Юнг могат да бъдат причинени от фактори като температура, състав на сплавта, кристална структура или производствени процеси - например добавянето на легиращи елементи може да промени разположението на междумолекулните връзки и по този начин механичните му свойства.

Коефициент на Поасон

Коефициентът на Поасон е свойство на материала, което измерва връзката между надлъжната и напречната деформация. Стойността му варира в зависимост от вида на деформацията; положителна е при деформация на опън, докато при деформация на натиск може да стане отрицателна. Въпреки че стойностите на коефициента на Поасон обикновено остават постоянни за различните материали, стойностите им могат да се променят значително при различните материали; това явление е особено забележимо при металите и сплавите, които често показват големи разлики в стойностите на коефициента на Поасон.

Коефициентът на Поасон обикновено намалява с увеличаването на плътността поради промени в клетъчните структури на материала, които променят формата и размера на порите и на свой ред влияят на коефициента на Поасон. Освен това сгъстяването променя разпределението на порите, както и разпределението на техния размер; сгъстяването също влияе на този процес. Много изследвания са изследвали тази връзка, използвайки различни вибрационни методи, като например измерване на резонансни честоти с висока точност - точна мярка, която позволява изчисляване на еластичните свойства на пробите.

Тези изчисления могат да се извършат с помощта на недеструктивна техника, наречена ултразвуково измерване. Това включва почукване на пробата със снаряд и записване на вибрационния сигнал за анализ, за да се установят скоростите на надлъжните и напречните акустични вълни; след това тази информация се използва за изчисляване на модула на Юнг на материала на пробата въз основа на този метод за анализ - като се получават последователни и точни резултати всеки път.

Модулът на Юнг за алуминиевия оксид може да се обясни с неговата плътност и коефициента на Поасон - два основни елемента в еластичното му поведение. Алуминият има ниско съотношение на Поасон поради своята микроструктура; в резултат на това еластичните свойства се увеличават с нарастване на плътността; въпреки това модулът на Юнг остава по-нисък от този на сравнимите метали.

Коефициентът на Поасон в алуминиевия оксид е чувствителен към неговата температура. Макар че то намалява с повишаване на температурата, след достигане на температурата на изпичане то отново рязко се повишава поради продължаващото синтероване при тази температура, което води до рязко увеличаване на модула на Юнг. За съжаление точната му връзка с температурните промени остава слабо изяснена поради различните влияния, които му въздействат.

Модул на еластичност

Модулът на еластичност е интегрално свойство на твърдите материали. Той описва колко голяма е деформацията при опън или натиск, като твърдите материали имат по-високи модули на еластичност от гъвкавите; известен също като модул на опън/тягане или модул на деформация, измерването на модула на еластичност може да се извърши чрез измерване на напрежението, причинено от деформация при постоянни натоварвания, и след това да се раздели на деформацията, за да се получи нейната стойност - така се получава стойността на модула на еластичност.

Твърдостта, противоположна на модула на еластичност, измерва каква сила се упражнява при натоварване. Инженерите използват това свойство на материалите, за да определят носимоспособността им и да направят необходимите модификации; стойността му може да зависи от фактори като дебелината и свойствата на материала.

По-дебелите алуминиеви плочи ще имат по-ниска коравина, но същите стойности на модула на Юнг, тъй като по-дебелите материали са по-устойчиви на деформация при натоварване и имат по-големи повърхности, така че трябва да се приложи по-голямо напрежение, за да се предизвика деформация в дадена точка.

Модулите на еластичност могат да се сравняват по следното уравнение: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), където ph-g представлява функцията на работа на електроните при T, а b е плътността на материала.

Алуминиевият оксид е абразивоустойчива керамика с висок модул на еластичност, който може да се характеризира чрез тестове за огъване в три и четири точки. В това изследване е използвана цифрова/експериментална корелация за предсказване на вътрешния модул на Юнг на покритие от алуминиев оксид, нанесено върху алуминиева подложка, и е установено отлично съответствие между експерименталните и предсказаните стойности. Освен това напрежението на натиск се оказа по-силно от напрежението на опън за повечето приложения, използващи алуминиеви покрития; това предполага по-успешно изпълнение.

Модул на якост на опън

Високият модул на Юнг показва, че алуминият е твърд материал, устойчив на деформация, а това, че не е пластичен и няма точка на провлачване, го прави неподходящ за приложения, които изискват пластичност, като например структурни компоненти и режещи инструменти. Вместо това разрушаването му при натоварване на натиск или опън настъпва почти мигновено, вместо постепенно да се деформира и отслабва с течение на времето. Поради това свойство неговата крехкост го прави неподходящ за такива приложения като структурни компоненти или режещи инструменти, които изискват пластичност.

Алуминиевият оксид може да се комбинира с полимери, за да се увеличат значително техните свойства на опън. Например, добавянето на 0,2% алуминиеви нановлакна към епоксиден композит увеличава неговата якост на опън от 41 MPa на 71 MPa, тъй като алуминиевите нановлакна добавят твърдост и действат като естествени ограничители на веригата, както и се свързват с епоксидните групи в полимерните вериги чрез своите епоксипропилови функционални групи, които създават здрави връзки между влакната и молекулите на смолата.

Шестоъгълният алуминиев оксид е идеален материал за инженерна керамика поради високия си модул на Юнг и ниската степен на термично разширение, което го прави устойчив на механични натоварвания при високи температури. Освен това хексагоналният алуминиев оксид предлага отлична проводимост, както и стабилна работа при екстремни условия на околната среда - качества, които правят хексагоналния алуминиев оксид отличен избор за електрически приложения.

За разлика от другите видове алуминиев оксид, хексагоналният AlN има изключително висок коефициент на самодифузия, което затруднява синтероването с традиционните методи. Освен това този материал може да се похвали с ниска температура на топене и отлични свойства на устойчивост на термични удари.

Изпитването със сонеластични системи при стайна температура, както и при ниски и високи температури, позволява точното характеризиране на еластичния модул (модул на Юнг, модул на срязване и коефициент на Поасон) и свойствата на затихване на керамичните материали, за да се оценят точно техните еластични модули (модул на Юнг, модул на срязване и коефициент на Поасон) и характеристики на затихване - тези свойства са от съществено значение при проектирането на нови варианти на тези материали за широк спектър от приложения.

Динамично по време на процеса на синтероване бяха измерени еластичните модули на алуминия. При по-ниски температури модулът на Юнг намалява линейно поради частичното уплътняване на спечения алуминий; но при по-високи температури поради по-нататъшно уплътняване модулът на Юнг нараства бързо поради процесите на синтероване и уплътняване; тази тенденция е в съответствие със статичните измервания при стайна температура на същия материал; модулът на срязване и коефициентът на Поасон също показват подобни тенденции.