Hands-On STEM: тестирование твердости и истирания керамических материалов

Введение

Керамические материалы известны своей прочностью и износостойкостью. Керамические материалы используются для изготовления предметов повседневного обихода, таких как плитка, столовая посуда и детали двигателей. Их надежность обусловлена твердостью и износостойкостью. Испытание этих свойств является практической частью естественно-научного и инженерного образования. Используя проверенные и верные методы, можно измерить долговечность керамики в лабораторных условиях.

Понимание керамических материалов

Керамика - это неорганические, неметаллические твердые вещества. Обычно они изготавливаются путем нагрева сырья при высоких температурах. Эти материалы имеют кристаллическую структуру. Такая структура придает керамике уникальные качества. Например, многие керамические изделия устойчивы к нагреванию и износу. Они часто не проводят электричество, что делает их полезными изоляторами.

К распространенным керамическим материалам относятся глинозем, диоксид циркония и карбид кремния. Данные различных исследований показывают, что твердость глинозема может составлять около 15 единиц по шкале Мооса. Цирконий обычно обладает отличной прочностью и меньшей скоростью износа по сравнению с другими видами керамики. В повседневном использовании инженеры могут выбирать диоксид циркония для компонентов, которые должны выдерживать нагрузки и контактный износ.

Инженеры и техники уже давно используют керамику. Примером могут служить тормозные диски и режущие инструменты. В строительстве часто используется керамическая плитка, поскольку она устойчива к истиранию при ходьбе. В академических тестах часто используются известные материалы в качестве стандартов для калибровки приборов, используемых в испытаниях на твердость и истирание.

Эксперимент в классе может включать сравнение свойств различных керамических изделий. Например, можно измерить поверхностную твердость образца из глинозема по сравнению с образцом из диоксида циркония. Это позволяет провести практическое занятие, связывающее теорию с практическими измерениями.

Испытание на твердость

Твердость - это мера сопротивления локализованной пластической деформации. С практической точки зрения, испытания на твердость керамики показывают, насколько сильно инструмент или предмет может царапать или вдавливаться в поверхность. Одним из наиболее часто используемых тестов на твердость является тест на твердость по Виккерсу. При этом методе алмазный пирамидальный индентор вдавливается в материал с контролируемой силой. Затем измеряется размер вмятины.

Другой распространенный метод - тест на твердость по Кнупу. В этом тесте используется алмазный индентор, который создает продолговатый след. Выбор между этими двумя методами зависит от размера образца и характера керамического материала. В нашей лаборатории был приведен практический пример использования метода Виккерса на образце из диоксида циркония. Под действием силы в 9,8 ньютона измерялся отступ и рассчитывалось значение твердости. Измеренные значения твердости обычно варьировались между 1200 и 1600 числами твердости по Виккерсу. Такие числа указывают на высокую устойчивость к деформации.

Испытания на твердость требуют тщательной подготовки образца. Поверхность должна быть гладкой и чистой. Любые поверхностные трещины или загрязнения могут привести к неправильным измерениям. На одном из занятий старший техник подчеркнул, что первым шагом всегда является полировка поверхности. Этот простой шаг значительно повышает надежность результатов.

Испытания на истирание и износостойкость

При испытании на истирание керамика подвергается трению и сравнивается скорость истирания поверхности. Одним из стандартных методов является тест Табера на истирание. В этом испытании вращающийся абразивный круг прижимается к керамической поверхности. Износ измеряется потерей веса образца после определенного количества циклов.

В другом методе используется возвратно-поступательный тестер износа. Керамический образец помещается на подвижную платформу, а к абразивному материалу прикладывается постоянное усилие. Этот метод прост и позволяет получить четкие данные. Например, испытания образца из карбида кремния показали, что после 1000 циклов потеря веса составила всего 0,05 грамма. Это говорит о том, что материал хорошо противостоит абразивному износу.

Инженеры давно используют эти испытания как для исследований, так и для контроля качества. В промышленности производители стоматологической керамики использовали испытания на истирание, чтобы убедиться, что коронки и мосты могут противостоять износу при жевании. Аналогичным образом автомобильные детали, изготовленные из керамики, проверялись на устойчивость к истиранию, чтобы уменьшить износ со временем.

Обработка поверхности и добавки могут изменить характеристики износа керамики. Добавление небольшой доли иттрия в диоксид циркония помогает стабилизировать структуру. В экспериментах керамика с иттрием демонстрирует повышенную износостойкость без потери твердости. Сочетание микроструктурных исследований и испытаний на истирание дает ценное представление о том, как керамика ведет себя под нагрузкой.

Области применения твердой и износостойкой керамики

Многие предметы повседневного обихода используют твердую и износостойкую керамику. Одно из распространенных применений - создание вставок для инструментов при механической обработке. Эти вставки часто подвергаются воздействию высоких температур и трения. Превосходная твердость и устойчивость к истиранию помогают увеличить срок службы инструментов.

Другой пример - детали, используемые в транспорте. Керамические тормозные колодки и компоненты двигателя отличаются высокой износостойкостью. В одном случае исследование показало, что скорость износа керамических тормозных колодок почти на 30 % ниже, чем у традиционных материалов. Это приводит к увеличению срока службы и сокращению технического обслуживания.

Третье применение можно найти в электронике. Керамика, используемая в электронных устройствах, часто нуждается в изоляции, а также противостоит истиранию, особенно в портативных устройствах, где часто случаются падения. Инженеры обеспечивают минимальный износ, выбирая керамику с соответствующими значениями твердости и прочными микроструктурами.

В медицинских устройствах также используются керамические материалы. Для зубных имплантатов керамику выбирают за ее биосовместимость и прочность. В одном из распространенных больничных отчетов описано успешное использование имплантатов на основе диоксида циркония, сочетающих в себе высокую твердость и устойчивость к истиранию. Длительный срок службы этих имплантатов делает их популярными даже при рутинных стоматологических процедурах.

Описанные методы испытаний помогают выбрать подходящую керамику для каждого конкретного случая. Испытания на твердость позволяют определить прочность материала на микроскопическом уровне. Испытание на истирание позволяет убедиться в том, что материал выдержит многократные нагрузки. Оба теста просты для проведения в школьных или лабораторных условиях. Они способствуют лучшему выбору материала и улучшению характеристик изделия.

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что испытания керамических материалов на твердость и истирание являются ключевой частью практического естественно-научного образования. Простые методы, такие как тест на твердость по Виккерсу и тест на истирание по Таберу, дают четкие и полезные данные. Керамические материалы, такие как глинозем, диоксид циркония и карбид кремния, демонстрируют качества, которые подходят для острых кромок, условий интенсивного движения и высокотребовательных электронных сред.

Реальные измерения подтверждают, что керамика хорошо работает, когда ее микроструктура правильно контролируется. Практические тесты в классе помогают студентам понять, почему одни виды керамики выбирают для определенных применений, а не другие. Я видел, как многие студенты обрели уверенность в себе после проведения этих тестов. Их обучение обогащается реальными данными и практической работой.

Керамика универсальна и широко используется. Где бы вы ни работали - в строительстве, электронике или здравоохранении, - твердая и износостойкая керамика играет важную роль. Испытания этих материалов помогают улучшить характеристики, снизить стоимость и увеличить срок службы изделий. Благодаря простым экспериментальным установкам и наглядным данным студенты и практики смогут лучше понять свойства керамики.

Часто задаваемые вопросы

F: Для чего используются испытания керамики на твердость?
В: Оно измеряет устойчивость керамики к деформации и царапинам путем контролируемого вдавливания.

F: Что оценивает испытание на истирание керамических материалов?
В: Испытания на истирание проверяют износостойкость материала, измеряя потерю веса после трения.

F: Можно ли проводить испытания на твердость и истирание в школьных лабораториях?
В: Да, для обоих испытаний используются простые методы и оборудование, подходящее для учебных заведений.