دانلود رایگان مقاله استحکام برشی اکسی نیترید آلومینیوم

چکیده

      نیترید آلومینیوم (AION) یک سرامیک شفاف پلی کریستالین است. این یک ماده جذاب به عنوان ماده پنجره با استحکام بالا است. در این کار ما به تجزیه و تحلیل نتایج چهار مجموعه از آزمایشات موج شوک صفحه ای گزارش شده برای تعیین استحکام برسی AION می پردازیم. تحلیل ما نشان می دهد که فشردگی AION تحت یک شیفت حدود 16-20 GPa قرار می گیرد که نسبتاً فشرده تر می شود. هرچند، AION به حفظ استحکام برشی در تنش های بالاتر ادامه می دهد. دلیل شیفت مشاهده شده باید درک شود و به طور رضایت بخشی باید توضیح داده شود.

مقدمه

      نیترید آلومینیوم (AION یکی از سه ماده مهم در Al2O3 و سیستم AIN است که دو ماده دیگر اعضای نهایی AL2O3 و AIN است. زمانی که نسبت AL2O3 و AIN 9:5 باشد، دارای ساختار مکعبی است و ترکیب آن Al23O27N5 (35.7 mole % AIN). فاز مکعبی AION بین 28-40 mole % از AIN می ماند و چگالی آن را درصد مول تغییر می کند. چگالی ایده آل با 35.7 mole% از AIN  3.711 Mg/m^ [1] است. همچنین شفاف است و شفافیت خود را حتی زمانی که تخلخل 1-2.6% به واسطه حجم در ماده حاضر است حفظ می کند. چگالی یک AION شفاف بین 3.6 و 3.67 Mg/m3 تغییر می کند. همچنین دارای ویژگی های مکانیکی عالی مشابه با Al2O3 است. همچنین ماده ای با دوام برای کاربردهای نیازمد سختی بالا، استحکام مکانیکی و شفافیت الکترومغناطیسی گسترده است. ویژگی های الاستیک AION پلی کریستالین و وابستگی آن به فشار و دما توسط Graham et. al. [2]. اندازه گیری شده است. درصد مول AION در ماده آنها بین 30 و 35.7 تغییر نمود. چگالی ماده AION آنها بین 3.604 و 3.649 Mg/m3 برای ماده با درصد مول AIN تغییر نمود. ماده AION استفاده شده در مرجع 2 دارای تخلخل متغیر بی 2.6 و 1.8 درصد بود. درصد مول 35.7 ماده AIN آنها دارای تخلخل 3.644±0.004  Mg/m3 بود که متکی بر تخلخل 1.9 درصد در AION بود. مقادیر اندازه گیری شده ثوابت الاستیک برای چهار ماده AION پلی کریستالین گزارش شده در مرجع 2 در جدول 1 داده شده است. مشتقات و دمای ثوابت الاستیک تنها برای دو تا از چهار ماده AION اندازه گیری شد.

       کاربرد پتانسیل AION نیاز به این داشت که رفتار آن تحت شرایط بارگذاری دینامیک مطالعه شود. نتایج آزمایشات تاثیر دینامیک [3-4] که AION باید به طور بالقوه یک ماده بادوام به صورت جایگزینی برای یاقوت کریستال تک در محیط تاثیر مرتبط باشد. این کار، چهار بررسی مستقل [5-8] را برای تعیین پاسخ موج شوک AION انگیزه بخشید. چگالی های ماده های AION استفاده شده در مراجع 5-8 از 3.51  تا 3.67 Mg/m3 تغییر نمود. مواد با چگالی کمتر شفاف نبودند. هدف اولیه مطالعه کنونی، استفاده از نتایج این چهار بررسی موج شوک برای بررسی این مورد بود که آیا AION استحکام برسی را تحت انتشار موج شوک صفحه ای حفظ می کند یا خیر، زیرا استحکام برشی یک ماده برای اهمیت آن تحت شرایط بارگذاری تاثیر مهم در نظر گرفته می شود.

آزمایشات و مواد

       ماهیت های چهار مطالعات موج شوک صفحه ای روی AION در جدول 2 نشان داده شده است. جزئیات آزمایشات انجام گرفته در این مطالعات در مراجع 8-5 نشان داده شده است. بنابراین، جزئیات این چهار مجموعه از آزمایشات در اینجا فراهم نشده است. ویژگی های چگالی و پلاستیکی مواد AION استفاده شده در این مطالعات در جدول 1 داده شده است. مواد استفاده در مرجع 7 و 8 توسط آزمایشگاه تحقیقات نظامی (ARL) فراهم شد. ویژگی های ماده ARL در ستون آخر جدول 1 داده شده است.

       به علت تغییر در چگالی به نظر نمی رسد مقادیر سرعت های موج الاستیک به طور چشمگیری از یکی به دیگری تغییر نماید به جز برای سرعت موج طولی گزارش شده برای بالاترین چگالی ماده 3.68 Mg/m3 استفاده شده توسط Cazamias et al. [5]. این نشان دهنده مقادیر بالاتر از ماژول حجی و نسبت پویزون برای این ماده در مقایسه با بقیه ماده AION در جدول 1 است. چون تنها یک آزمایش فشردگی شوک در 4.7 GPa در این چگالی بالای AION در مرجع 5 انجام شد، نتایج این آزمایش ویژه در کار کنونی گنجانده نشده است.

نتایج

        نتایج این آزمایشات روی AION می تواند به شرح زیر توصیف شود.دامنه های HEL از 10.5 تا 12.1 GPa تغییر می کند. این تغییر نشاندهنده وابستگی نظام مند HEL به چگالی اولیه AION است. نویسندگان مرجع 5 و 6، HEL دامنه های 10.5-10.9 GPa و به ترتیب 10.7 GPa گزارش نمودند. Sekine et al [7] یک مقدار نسبتاً بالاتر از HEL را گزارش نمودند، یعنی 11.2-12.1 GPa در مقایسه با 8.7-10.7 GPa گزارش شده توسط Thornhill et. al. [8] قرار گرفت هرچند ماده AION دارای چگالی یکسان بود. مقادیر بازده (Y) و تنش های برشی (t) از مقادیر HEL مورد نظر محاسبه شد و نسبت های پویزون از 6.6 تا 7.9 GPA و 3.3 تا 3.9 GPa تغییر می کند. t  نصف Y است. این مقادیر از مقادیر تنش بازده و تنش برشی نزدیک HEL متفاوت نیست، یعنی 9.9 GPa از اندازه گیری های Thornhill et. al. [8] به دست امد. جدول 3 نشاندهنده مقادیر اندازه گیری شده (T(X) طولی، جانبی، (T(y) و مقادیر محاسبه شده میانگین، < (T>, تنش ها و برش (t)، تنش برای AION است. عدم قطعیت ها در این مقادیر، به ترتیب 1،2،6 و 3 درصد است.

       al داده های مرجع 5 را در دستیابی به رابطه خطی Us-up گنجاند. به علت چگالی ماده استفاده شده در مرجع 5، یعنی 3.51 Mg/m3، بسیار کمتر از چگالی AION در مرجع 7 استفاده شد و اگر در تعیین رابطه خطی Us-up مستثنی شود و s به جای 8.08 و 0.761 نشان داده شده در جدول 4، 7.86 km/s and 0.834, می شود. مقادیر C0 و s داده شده در پرانتز، مقادیر به دست آمده از داده های آزمایشات نشاندهنده انتشار یک موج تک است یعنی، 125 GPa و فراتر از آن. دو مقدار K0 به دست آمده با روش بالا برابر 227 و 916 GPa است. مقدار K0 به دست آمده توسط Thornhill et a [8] برابر 211 GPa است، یعنی نزدیک به مقدار ماژول حجمی AION و بسیار متفاوت از مقادیر مرجع 7. اینها نشان می دهد که منحنی فشردگی AION به دست آمده در مرجع 7 سخت تر از مقدار به دست آمده در مرجع 8 است. هر دو مطالعه نشاندهنده مشتق فشار ماژول حجمی است که باید تقریباً نیمی از مقدار به دست آمده توسط Graham et. al. [2]، یعنی 4.5 باشد. این نشان می دهد که حتی اگر سرعت موج شوک پیرو پیشروی الاستیک با دامنه برابر با یا بزرگتر از سرعت موج حجمی در AION حرکت کند، بسیار فشرده تر خواهد شد که از نتایج اندازه گیری های سرعت موج اولتراسونیک فشار بالا که در مرجع 2 گزارش شده است انتظار می رود. این مورد در شکل 1 نشان داده شده است.

      Graham and Brooks [10] نشان دادند که داده های موج شوک فشار بالا می تواند برای ارائه اندازه مشخصی از افست برشی تحت این فرض استفاده شود که افست ثابت است و هیچ تغییر فازی رخ نداده است. این نشان می دهد که افست حجمی در تنش صفر به دست آمده از برون یابی داده های شوک فشار بالا، محاسبه تنش برشی حفظ شده را میسر می سازد. اعمال این رویه برای داده ها بالای 16 یا 17 GPa در مرجع 8، نشاندهنده مقادیر افست حجم بی 0.020 و 0.028 است. افست تنش برشی توسط ضرب این و ماژول حجمی داده می شود. مقادیر محاسبه شده از تنش برشی 4.4 و 6.0 GPa است. به علت گذار فاز پیشهادی در AION در فشارهای بالا، داده های مرجع 7 نشاندهنده مقدار باور کردنی ممکن نبود.

Abstract

      Aluminum oxynitride (AlON) is a polycrystalline transparent ceramic. It is an attractive material as a high strength window material. In this work we analyze the results of four sets of plane shock wave experiments reported to determine the shear strength of AlON. Our analysis indicates that the compression of AlON appears to undergo a shift around 16-20 GPa becoming relatively more compressible. However, AlON continues to retain shear strength at higher stresses. The reason for the observed shift remains to be understood and explained satisfactorily.

INTRODUCTION

       Aluminum oxynitride (AlON) is one of the three important materials in AI2O3 and AIN system, the other two being the end members AI2O3 and AIN. When the ratio of AI2O3 and AIN is 9:5, it has a cubic structure and its composition is AI23O27N5 (35.7 mole% AIN). The cubic phase AlON persists between 28-40 mole% of AIN and its density varies with the mole% of AM. The ideal density with 35.7 mole% of AIN is 3.711 Mg/m^ [1]. It is also transparent and retains its transparency even when porosity 1-2.6% by volume is present in the material. The density of a transparent AlON varies between 3.60 and 3.67 Mg/m^. It has excellent mechanical properties similar to AI2O3. It is thus a viable material for applications requiring high hardness, mechanical strength, and broad electromagnetic transparency. The elastic properties of polycrystalline AlON and their dependence on pressure and temperature were measured by Graham et. al. [2]. The mole% of AlON in their material varied between 30 and 35.7. The density of their AlON material varied between 3.604 and 3.649 Mg/m^ for the material with 30 mole% of AIN. AlON material used in Ref 2 had porosity varying between 2.6 and 1.8%. Their 35.7 mole%) AIN material had a density of 3.644±0.004 Mg/m^ implying a porosity of 1.9%) in AlON. The measured values of elastic constants of the four polycrystalline AlON materials reported in Ref 2 are given in Table 1. The pressure and temperature derivatives of the elastic constants were measured only for two of the four AlON materials.

       Potential application of AlON required that its behavior be studied under dynamic loading conditions. The results of dynamic impact experiments performed [3-4] showed AlON to be potentially a viable material as an alternative to single crystal sapphire in impact related environment. This motivated four independent investigations [5-8] to determine shock wave response of AlON. Densities of AlON materials used in Ref 5-8 varied from 3.51 to 3.67 Mg/m^. The lower density materials were not transparent. The primary aim of the current study is to use the results of these four shock wave investigations to examine whether or not AlON retains shear strength under plane shock wave Propagation since shear strength of a material is considered to be important for its performance under impact loading condition.

EXPERIMENTS AND MATERIAL

       The natures of four plane shock wave studies on AlON are indicated in Table 2. The details of experiments performed in these studies are given in Ref 5-8. Therefore, the details of these four sets of experiments are not provided here. The density and elastic properties of AlON materials used in these studies are given in Table 1. The material used in Ref 7 and 8 were provided by Army Research Laboratory (ARL). The properties of ARL material are given in the last column of Table 1.

        The values of elastic wave velocities do not appear to vary significantly from one another due to variation in density except for the longitudinal wave velocity reported for the highest density material 3.68 Mg/m' used by Cazamias et al. [5]. This yields higher values of bulk modulus and Poisson's ratio for this material compared to the rest of AlON material in Table 1. Since only one shock compression experiment at 4.7 GPa was performed in this high density AlON in Ref 5, the results of this particular experiment is not included in the present work.

RESULTS

        The results of these experiments on AlON may be described as follows. The magnitudes of the HEL are found to vary from 10.5 to 12.1 GPa. This variation does not show a systematic dependence of the HEL on the initial density of AlON. The authors of Ref 5 and 6 reported the HEL of magnitudes 10.5-10.9 GPa, and 10.7 GPa, respectively. Sekine et. al. [7] report a relatively higher value of the HEL i.e., 11.2-12.1 GPa compared to 8.7-10.7 GPa reported by Thornhill et. al. [8] although AlON material were of the same density. The values of yield (Y) and shear (T) stresses calculated from the values of the respective HEL and Poisson's ratios vary from 6.6 to 7.9 GPa, and 3.3 to 3.9 GPa, respectively, T is one-half of Y. These values are not different from the values of yield stress and shear stress near the HEL i.e., 9.9 GPa obtained from the measurements of Vaughan et. al. [6]. Table 3. gives their measured values of longitudinal, (T(X), lateral, (T(y), and calculated values of mean, < (T>, stresses and shear, (T), stress for AlON. The uncertainties in the values of (T(X), (T(y), T , and < (T> are 1%, 2%, 6%, and 3%, respectively.

        Sekine et. al. included the data of Ref 5 in obtaining their Ug-up linear relationship. Since the density of the material used in Ref 5 i.e., 3.51 Mg/m^, much less than the density of AlON used in Ref 7 and if it is excluded in determining the Ugup linear relationship the values of parameters Co and s would become 7.86 km/s and 0.834, respectively instead of 8.08 and 0.761 shown in Table 4. The values of Co and s given in the parenthesis are those obtained from the data of experiments showing propagation of a single wave i.e., 125 GPa and beyond. The two values of Ko obtained in the above manner are 227 and 196 GPa. The value of Ko obtained by Thomhill et. al. [8] is 211 GPa, i.e., close to the value of the bulk modulus of AlON and very different from those of Ref 7. These indicate that compression curve of AlON obtained in Ref 7 is stiffer than the one obtained in Ref 8. Both studies yield the pressure derivative of bulk modulus to be almost half the value obtained by Graham et. al. [2] i.e., 4.5. This suggests that even though the shock wave velocity following the elastic precursor is traveling with a magnitude equal to or greater than the bulk wave velocity in AlON, it is much more compressible than would be expected from the results of high pressure ultrasonic wave velocity measurements reported in Ref 2. This is illustrated in Fig.l.

      Graham and Brooks [10] showed that high pressure shock wave data can be used to give an explicit measure of shear offset under the assumption that the offset is constant and that no phase changes have occurred. This implies that the volume offset at zero stress obtained from extrapolation of high pressure shock data permits one to calculate the shear stress sustained. Applying this procedure to the data above 16 or 27 GPa in Ref. 8, yielded volume offset values between 0.020 and 0.028. Shear stress offset is given by the product of these and the bulk modulus. The calculated values of shear stress are 4.4 and 6.0 GPa. The data of Ref 7 did not yield a credible value possibly because of the suggested phase transition in AlON at higher pressures.

چکیده

مقدمه

آزمایشات و مواد

نتایج

نتیجه گیری

Abstract

INTRODUCTION

EXPERIMENTS AND MATERIAL 

RESULTS

CONCLUSIONS

REFERENCES