Модуль пружності глинозему та модуль Юнга

Глинозем виділяється серед полімерів і металів завдяки своїм видатним механічним властивостям, які включають в себе чудову міцність на стиск, модуль пружності і корозійно-зносостійкість.

Газанфарі та ін. розробили нову технологію аддитивного виробництва, відому як екструзія кераміки на вимогу (CODE), для друку алюмінієвих компонентів з близькою до теоретичної щільністю. Вони використовували суспензію, що складається з 50 vol% твердого порошку глинозему, змішаного з деіонізованою водою і 0,4 вагового відсотка карагенанів, як друковане середовище.

Модуль Юнга

Модуль Юнга - це механічна властивість, яка прогнозує, як деформуються міцні матеріали під впливом певних сил. Ця величина вимірює, наскільки металевий брусок розтягується вздовж, коли його піддають розтягуванню, і як швидко він стискається назад, коли його знімають з розтягування; його відношення показує відношення напруження до деформації в термінах співвідношення напружень.

За цією формулою можна обчислити модуль Юнга:

Модуль Юнга вимірює пластичність матеріалів. Матеріал з вищим модулем Юнга зазвичай демонструє відмінну пластичність, його можна розтягувати, згинати і скручувати без руйнування; крім того, він може повертати свою початкову форму після деформації під навантаженням. Інженери та інші фахівці часто покладаються на модуль Юнга, коли намагаються визначити, чи буде матеріал деформуватися під тиском до руйнування.

Модуль Юнга використовується для оцінки якості та придатності матеріалів для застосування в аерокосмічній, автомобільній та медичній галузях. Крім того, цю метрику також можна використовувати при розробці матеріалів. Однак, модуль Юнга не слід плутати з жорсткістю, твердістю і в'язкістю, оскільки кожен з цих термінів має різні цілі і властивості.

Жорсткість матеріалу визначається його здатністю чинити опір силам зсуву; в'язкість вимірює його опір проникненню або удару; а твердість означає, наскільки добре він витримує великі навантаження, перш ніж зруйнується.

Модуль Юнга зазвичай розраховується на основі статичних випробувань на розтягнення, що проводяться з певною швидкістю деформації; однак для його оцінки можна використовувати й інші методи, такі як наноіндентування.

Значення модуля Юнга залежить від кількох факторів, таких як склад зразка та метод випробування. Наприклад, глиняні зразки часто демонструють нижчі модулі Юнга, ніж сталеві прутки, оскільки одна ділянка може деформуватися більше, ніж інша; і навпаки, цілий сталевий пруток зазнає однакової деформації по всій довжині.

Коефіцієнт Пуассона

Хоча його назва може свідчити про інше, коефіцієнт Пуассона є невід'ємною фізичною властивістю матеріалів. Він не тільки описує пружну деформацію матеріалу, але також може дати уявлення про жорсткість, міцність і пластичність матеріалів; вищі значення коефіцієнта Пуассона вказують на жорсткі та міцні матеріали, тоді як нижчі - на більш гнучкі та пластичні матеріали.

Коефіцієнт Пуассона вимірює поперечну деформацію (ex) відносно поздовжньої деформації (ey), забезпечуючи міру того, наскільки матеріал стискається перпендикулярно під дією напруги.

Ця формула проста і не потребує коефіцієнтів перетворення, оскільки коефіцієнт Пуассона є безрозмірною властивістю і тому не потребує коефіцієнтів перетворення, як модуль Юнга.

Більшість матеріалів мають позитивний коефіцієнт Пуассона; сталь має коефіцієнт близько 0,3, що означає, що вона стискається на цей коефіцієнт перпендикулярно силам розтягування; для порівняння, корок має коефіцієнт Пуассона, близький до нуля, що вказує на відсутність стиснення під дією напруги.

Однак деякі матеріали можуть мати від'ємний коефіцієнт Пуассона; ці матеріали відомі як допоміжні матеріали, і вони забезпечують унікальні механічні переваги, розширюючись у напрямку, перпендикулярному до навантаження, на відміну від більшості матеріалів, які будуть стискатися в цьому напрямку. Допоміжні матеріали знаходять застосування в біомедицині, а також у військовій та аерокосмічній техніці.

Коефіцієнт Пуассона може значно змінюватися поблизу фазового перетворення, тому дуже важливо розуміти такі явища. Під час фазових перетворень значно змінюються модулі об'ємної маси та зсуву, що суттєво впливає на коефіцієнт Пуассона - для отримання додаткової інформації відвідайте нашу сторінку про фазові перетворення, де ви зможете краще зрозуміти їхні причини.

Модуль зсуву

Модуль зсуву або модуль жорсткості вимірює жорсткість матеріалів шляхом вимірювання співвідношення між напруженням зсуву і деформацією. Ця властивість дозволяє оцінити, наскільки матеріал буде стійким до деформації зсуву.

Напруга зсуву виникає, коли одна сторона твердого тіла витягується під дією протилежної сили, наприклад, тертя, що призводить до деформації або зміни форми цього тіла. Деформація вимірює зміну форми або деформованість; коли модуль зсуву високий, це вказує на жорсткі матеріали, які потребують значних зусиль для деформації, тоді як низькі модулі зсуву вказують на м'які або гнучкі матеріали.

Зверніть увагу, що модуль зсуву відрізняється від модуля Юнга, який вимірює відношення між напруженням стискання або розтягування і деформацією. Хоча вони мають багато спільних властивостей, модуль зсуву є окремим показником міцності на зсув.

Модуль зсуву забезпечує точне вимірювання коливальної поведінки матеріалів. Він вказує на їхню чутливість до сил зсуву і може слугувати важливим орієнтиром при проектуванні конструкцій. Крім того, важливу роль відіграє швидкість повернення після впливу зсувних напружень.

Модуль зсуву (SM) зазвичай вимірюється в гігапаскалях (ГПа), а іноді в фунтах на квадратний дюйм (ксі). Його числове представлення - M1L-1T-2, що замінює силу на масу, помножену на прискорення. Для математичного вираження вона має формулу Gdisplaystyle g, де густина матеріалу і початкова довжина (або початкова довжина для деяких матеріалів) задаються як вхідні дані.

Модуль зсуву можна розрахувати на основі кривої "напруження-деформація", отриманої під час випробування на розтягнення, хоча її застосування вимагає врахування впливу деформації та температури на пружні властивості матеріалу - те, що легко можна зробити за допомогою перетворення Фур'є. Або ж можна використовувати віброметричні випробування; коли до матеріалу прикладають вібраційні стимули, виявляють і реєструють коливання; потім датчики реєструють, яка частота найбільше зменшує загасання коливань, що і показує значення модуля зсуву.

Модуль теплопровідності

При зміні температури матеріали розширюються і стискаються відповідно до їхньої атомної структури, що вимірюється термічним модулем як відношенням розширення до стиснення. Цей показник залежить від атомного складу матеріалу; наприклад, сталі мають вищий модуль пружності завдяки тому, що в кожній елементарній комірці ОЦК-структури міститься дев'ять атомів заліза, тоді як алюмінієві сплави містять 14 атомів на комірку, що зменшує їхній опір пластичній деформації.

Модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона, модуль зсуву та термічний модуль є важливими показниками при виборі матеріалів для конкретних застосувань. Інженери покладаються на них як на індикатори рівнів напружень, які матеріал може витримати без остаточної деформації або руйнування; крім того, вони дають інженерам розуміння сил, необхідних для його пластичної деформації.

На відміну від багатьох металів, глинозем має пружні властивості, прямо пропорційні його щільності та коефіцієнту Пуассона, що значно спрощує інженерам прогнозування модуля пружності за допомогою випробувань на три- та чотириточковий вигин або моделювання методом скінченних елементів. Знаючи це, конструктори можуть оцінити, яке навантаження можуть витримати виготовлені компоненти, а також внести необхідні модифікації, що покращують характеристики матеріалу.

Високі еластичні властивості електрокорунду роблять його універсальним матеріалом, придатним для численних застосувань. Від створення термозахисних покриттів, що витримують екстремальні умови навколишнього середовища, до додавання нановолокон в епоксидні композити для значного підвищення міцності на розрив і досягнення бажаних рівнів міцності на розрив більш економічно ефективним способом і забезпечення контрольованої деформації - електрокорунд використовується в багатьох сферах.

Низькі показники теплового розширення роблять електрокорунд ідеальною інженерною керамікою, що забезпечує стійкість до різних механічних навантажень. У поєднанні зі стійкістю до стирання, хімічною стабільністю та високими показниками міцності на вигин, електрокорунд є чудовим матеріалом для аерокосмічної, автомобільної та виробничої галузей.