Modulul de elasticitate și modulul Young al aluminei

Alumina iese în evidență printre polimeri și metale datorită proprietăților sale mecanice remarcabile, care includ rezistența superioară la compresiune, modulul elastic și rezistența la coroziune și uzură.

Ghazanfari și colab. au dezvoltat o nouă tehnică de fabricație aditivă, cunoscută sub numele de Ceramic On-Demand Extrusion (CODE), pentru a imprima componente din alumină cu o densitate aproape teoretică. Aceștia au utilizat o suspensie formată din pulbere de alumină cu încărcare solidă de 50 vol% amestecată cu apă deionizată și 0,4 procente în greutate de caragenani ca mediu de imprimare.

Modulul lui Young

Modulul Young este o proprietate mecanică care prezice cât de robuste se vor deforma materialele sub anumite forțe. Această valoare măsoară cât de mult se întinde o bară metalică pe lungime atunci când este supusă unei tensiuni de tracțiune și cât de repede se retrage atunci când este eliberată de tensiune; raportul său reprezintă tensiunea la deformare în termeni de rapoarte de tensiune.

Modulul lui Young poate fi calculat cu această formulă:

Modulul lui Young măsoară ductilitatea materialelor. Un material cu un modul Young mai mare prezintă de obicei o ductilitate excelentă și poate fi întins, îndoit și răsucit fără a se rupe; în plus, poate reveni la forma sa inițială după ce a fost deformat de sarcină. Inginerii și alți profesioniști se bazează adesea pe modulul lui Young atunci când încearcă să determine dacă un material se va deforma sub presiune înainte de a se rupe în cele din urmă.

Modulul Young este utilizat pentru a evalua calitatea și adecvarea materialelor pentru aplicații în industria aerospațială, auto și dispozitive medicale. În plus, această metrică poate fi utilizată și în dezvoltarea materialelor. Cu toate acestea, modulul Young nu trebuie confundat cu rigiditatea, duritatea și tenacitatea, deoarece fiecare termen are scopuri și proprietăți diferite.

Rigiditatea materialului este definită de capacitatea sa de a rezista forțelor de forfecare; duritatea măsoară rezistența sa la penetrare sau impact; în timp ce duritatea se referă la cât de bine rezistă la cantități mari de stres înainte de a ceda.

Modulul Young este de obicei calculat pe baza testelor statice de tracțiune efectuate la anumite rate de deformare; cu toate acestea, pot fi utilizate și alte tehnici, cum ar fi nanoindentarea, pentru evaluarea acestuia.

Valorile modulului Young depind de mai mulți factori, cum ar fi compoziția probei și metoda de testare. De exemplu, probele de argilă prezintă adesea module Young mai mici decât barele de oțel, deoarece o secțiune se poate deforma mai mult decât o altă parte; dimpotrivă, o întreagă bară de oțel suferă aceeași deformare pe toată lungimea sa.

Raportul lui Poisson

Deși numele său ar putea sugera altceva, raportul Poisson este o proprietate fizică integrală a materialelor. Nu numai că descrie deformarea elastică a unui material, dar poate oferi, de asemenea, informații despre rigiditatea, rezistența și ductilitatea materialelor; valori mai mari ale raportului Poisson indică materiale rigide și puternice, în timp ce valori mai mici indică materiale mai flexibile sau ductile.

Raportul Poisson măsoară deformarea transversală (ex) în raport cu deformarea longitudinală (ey), oferind o măsură a măsurii în care materialul se contractă perpendicular sub tensiune.

Această formulă este ușoară și nu implică factori de conversie, datorită faptului că raportul Poisson este o proprietate adimensională și, prin urmare, nu necesită factori de conversie precum modulul Young.

Majoritatea materialelor au un raport Poisson pozitiv; oțelul are un raport de aproximativ 0,3, ceea ce înseamnă că se contractă cu acest factor perpendicular pe forțele de întindere; în comparație, pluta are un raport Poisson aproape de zero, ceea ce indică lipsa contracției sub tensiune.

Cu toate acestea, unele materiale pot avea un raport Poisson negativ; aceste materiale sunt cunoscute sub denumirea de materiale auxetice și oferă beneficii mecanice unice prin extinderea în direcția perpendiculară pe sarcină, spre deosebire de majoritatea materialelor care se contractă în această direcție. Materialele auxetice au aplicații în domeniul biomedical, precum și în domeniul tehnologiei militare și aerospațiale.

Raportul Poisson se poate schimba considerabil în apropierea unei transformări de fază, astfel încât este esențial să înțelegem astfel de fenomene. Atunci când suferă o astfel de schimbare de fază, modulele de masă și de forfecare se modifică considerabil și acest lucru are o influență substanțială asupra raportului Poisson - pentru a obține mai multe informații, vizitați pagina noastră privind transformările de fază; veți obține o mai bună înțelegere a cauzelor acestora.

Modul de forfecare

Modulul de forfecare sau modulul de rigiditate măsoară rigiditatea materialelor prin măsurarea raportului dintre tensiunea de forfecare și deformare. Această proprietate ne permite să evaluăm cât de rezistent va fi un material la deformarea prin forfecare.

Tensiunea de forfecare apare atunci când o parte a unui solid este trasă de o forță opusă, cum ar fi frecarea, ceea ce duce la deformarea sau schimbarea formei solidului respectiv. Deformarea măsoară schimbarea formei sau deformabilitatea; atunci când modulul de forfecare este ridicat, acesta indică materiale rigide care necesită forțe semnificative pentru deformare, în timp ce modulele de forfecare scăzute indică materiale moi sau flexibile.

Rețineți că modulul de forfecare diferă de modulul lui Young, care măsoară raportul dintre tensiunea de compresiune sau de tracțiune și deformare. Deși au multe proprietăți comune, modulul de forfecare este un indicator de sine stătător al rezistenței la forfecare.

Modulul de forfecare oferă o măsură precisă a comportamentului vibrațional al materialelor. Acesta indică capacitatea lor de reacție la forțele de forfecare și poate servi ca punct de referință important în proiectarea structurilor. În plus, rata sa de revenire după expunerea la tensiuni de forfecare joacă, de asemenea, un rol vital.

Modulul de forfecare (SM) este măsurat de obicei în gigapascali (GPa) și uneori raportat în lire pe inch pătrat (ksi). Reprezentarea sa numerică este M1L-1T-2, înlocuind forța cu masa înmulțită cu accelerația. Pentru a-l exprima matematic, acesta are formula Gdisplaystyle g în care densitatea materialului și lungimea inițială (sau lungimea inițială pentru unele materiale) sunt date ca intrări.

Modulul de forfecare poate fi calculat pornind de la o curbă tensiune-deformație creată în timpul încercării la tracțiune, deși aplicarea sa necesită luarea în considerare a efectului tensiunii și al temperaturii asupra proprietăților elastice ale materialului - ceea ce transformarea Fourier poate face cu ușurință. Sau, alternativ, se poate utiliza și testarea vibrometrică; atunci când se aplică stimuli vibratori materialului, oscilațiile sunt detectate și înregistrate; senzorii înregistrează apoi frecvența care reduce cel mai mult amortizarea oscilațiilor și dezvăluie valoarea modulului de forfecare.

Modul termic

Pe măsură ce temperatura se modifică, materialele se dilată și se contractă în conformitate cu structurile lor atomice, măsurând modulul termic ca un raport de dilatare-contracție. Această cifră depinde de compoziția atomică a unui material; de exemplu, oțelurile au un modul termic mai mare datorită faptului că au nouă atomi de fier în fiecare celulă cubică centrată pe corp (BCC), în timp ce aliajele de aluminiu conțin 14 atomi pe celulă pentru structura lor cubică centrată pe față, diminuând astfel rezistența la deformarea plastică.

Modulul Young, raportul Poisson, modulul de forfecare și modulul termic sunt măsurători esențiale atunci când vine vorba de selectarea materialelor pentru utilizări specifice. Inginerii se bazează pe acestea ca indicatori ai nivelurilor de stres pe care un material le poate suporta fără să se deformeze permanent sau să se rupă în bucăți; în plus, ele permit inginerilor să înțeleagă forțele necesare pentru deformarea plastică a materialului.

Spre deosebire de multe metale, alumina are proprietăți elastice direct proporționale cu densitatea și raportul Poisson; astfel, inginerilor le este mult mai simplu să prezică modulul său elastic prin teste de încovoiere în trei și patru puncte sau prin simulări de analiză cu elemente finite. Cunoașterea acestui lucru permite proiectanților să evalueze cât de mult stres pot suporta componentele fabricate, efectuând în același timp modificările necesare care îmbunătățesc performanța materialului.

Proprietățile de elasticitate ridicată ale aluminei fac din aceasta un material versatil, potrivit pentru numeroase aplicații. Alumina este utilizată în numeroase domenii, de la crearea de acoperiri termoprotectoare care rezistă la condiții de mediu extreme până la adăugarea de nanofibre la compozitele epoxidice pentru a crește semnificativ rezistența la tracțiune și pentru a atinge nivelurile dorite de rezistență la tracțiune într-un mod mai rentabil și pentru a asigura o deformare controlată.

Ratele scăzute de dilatare termică ale aluminei fac din aceasta o ceramică ideală pentru inginerie, oferind rezistență la diverse solicitări mecanice. Împreună cu rezistența la abraziune, stabilitatea chimică și rezistența ridicată la încovoiere, alumina reprezintă o alegere excelentă de material pentru aplicații aerospațiale, auto și de producție.