التدريب العملي على العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات: اختبار صلابة وتآكل المواد الخزفية

مقدمة

تشتهر مواد السيراميك بقوتها ومقاومتها للتآكل. تُستخدم المواد الخزفية في الأغراض اليومية مثل البلاط وأواني الطعام ومكونات المحرك. وتأتي موثوقيتها من صلابتها ومقاومتها للتآكل. ويُعد اختبار هذه الخصائص جزءًا عمليًا من تعليم العلوم والهندسة. وباستخدام تقنيات مجربة وصحيحة، يمكن للمرء قياس متانة السيراميك في بيئة معملية.

فهم مواد السيراميك

السيراميك عبارة عن مواد صلبة غير عضوية وغير معدنية. وعادةً ما يتم تصنيعها عن طريق تسخين المواد الخام في درجات حرارة عالية. هذه المواد لها بنية بلورية. وتمنح هذه البنية السيراميك صفات فريدة من نوعها. على سبيل المثال، العديد من السيراميك مقاوم للحرارة والتآكل. وغالباً ما تكون غير موصلة للكهرباء، مما يجعلها مفيدة كعوازل.

وتشمل المواد الخزفية الشائعة الألومينا والزركونيا وكربيد السيليكون. تُظهر البيانات المستقاة من دراسات مختلفة أن الألومينا يمكن أن تبلغ صلابتها حوالي 15 على مقياس موس. عادةً ما تتمتع زركونيا بصلابة ممتازة ومعدل تآكل أقل عند مقارنتها بالسيراميك الآخر. في الاستخدام اليومي، قد يختار المهندسون زركونيا للمكونات التي يجب أن تتعامل مع الإجهاد والتآكل التلامسي.

لطالما اعتمد المهندسون والفنيون على السيراميك منذ فترة طويلة، ومن الأمثلة على ذلك أقراص المكابح وأدوات القطع. في مجال البناء، يعتبر بلاط السيراميك شائعاً لأنه يقاوم التآكل الناتج عن حركة السير على الأقدام. غالباً ما تستخدم الاختبارات الأكاديمية مواد معروفة كمعايير لمعايرة الأدوات المستخدمة في اختبارات الصلابة والتآكل.

قد تتضمن تجربة الفصل الدراسي مقارنة خصائص السيراميك المختلفة. على سبيل المثال، يمكن للمرء قياس صلابة سطح عينة من الألومينا مقابل عينة من الزركونيا. وهذا يوفر جلسة عملية تربط بين النظرية والقياسات العملية.

اختبار الصلابة

الصلادة هي مقياس لمقاومة التشوه البلاستيكي الموضعي. من الناحية العملية، تشير اختبارات الصلابة على السيراميك إلى مدى قدرة الأداة أو الجسم على خدش السطح أو الضغط عليه. أحد اختبارات الصلابة الأكثر شيوعًا المستخدمة هو اختبار فيكرز للصلابة. في هذه الطريقة، يتم الضغط على أداة ضاغطة على شكل هرم ماسي في المادة بقوة مضبوطة. ويتم قياس حجم المسافة البادئة لاحقًا.

وهناك طريقة شائعة أخرى هي اختبار الصلابة Knoop. ويستخدم هذا الاختبار أداة إدخالية ماسية تنتج علامة ممدودة. ويعتمد الاختيار بين الطريقتين على حجم العينة وطبيعة المادة الخزفية. ومن الأمثلة العملية من مختبرنا استخدام طريقة فيكرز على عينة من الزركونيا. تحت قوة 9.8 نيوتن، تم قياس المسافة البادئة وحساب قيمة الصلابة. تراوحت قيم الصلابة المقاسة عادةً بين 1200 و1600 رقم صلابة فيكرز. تشير هذه الأرقام إلى مقاومة عالية للتشوه.

يتطلب اختبار الصلابة إعداد عينة دقيقة. يجب أن يكون السطح أملسًا ونظيفًا. يمكن أن تؤدي أي شقوق أو شوائب سطحية إلى قياسات غير صحيحة. في تجربة في أحد الفصول الدراسية، أكد أحد كبار الفنيين ذات مرة أن الخطوة الأولى دائمًا هي تلميع السطح. تُحدث هذه الخطوة البسيطة فرقًا كبيرًا في موثوقية النتائج.

اختبار مقاومة التآكل والتآكل

يقيس اختبار التآكل مقاومة المادة للتآكل. عند اختبار التآكل، فإنك تعرض السيراميك للاحتكاك وتقارن مدى سرعة تآكل السطح. إحدى الطرق القياسية هي اختبار تابر للتآكل. في هذا الاختبار، يتم ضغط عجلة كاشطة دوارة على سطح السيراميك. يتم قياس التآكل من خلال فقدان وزن العينة بعد عدد محدد من الدورات.

تستخدم طريقة أخرى جهاز اختبار التآكل الترددي. يتم وضع عينة السيراميك على منصة متحركة بينما يتم تطبيق قوة ثابتة على مادة كاشطة. هذه الطريقة بسيطة وتوفر بيانات واضحة. على سبيل المثال، أظهرت الاختبارات التي أجريت على عينة من كربيد السيليكون فقدان وزن منخفض يصل إلى 0.05 جرام بعد 1000 دورة. وهذا يشير إلى أن المادة تتحمل التآكل بشكل جيد.

وقد استخدم المهندسون هذه الاختبارات منذ فترة طويلة في كل من الأبحاث ومراقبة الجودة. في الحالة الصناعية، استخدم مصنعو سيراميك الأسنان اختبار التآكل للتأكد من قدرة التيجان والجسور على مقاومة التآكل الناتج عن المضغ. وبالمثل، تم اختبار أجزاء السيارات المصنوعة من السيراميك للتأكد من مقاومتها للتآكل لتقليل التآكل بمرور الوقت.

يمكن أن تغير المعالجات السطحية والمواد المضافة خصائص تآكل السيراميك. وتساعد إضافة نسبة صغيرة من الإيتريا في الزركونيا على استقرار الهيكل. في التجارب، يُظهر السيراميك مع الإيتريا مقاومة محسنة للتآكل دون فقدان الصلابة. يوفر الجمع بين دراسات البنية المجهرية واختبارات التآكل رؤى قيمة حول كيفية تصرف السيراميك تحت الضغط.

تطبيقات السيراميك الصلب والمقاوم للتآكل

تعتمد العديد من العناصر اليومية على السيراميك الصلب والمقاوم للتآكل. ويتمثل أحد التطبيقات الشائعة في إنشاء إدخالات الأدوات للتشغيل الآلي. وغالبًا ما تتعرض هذه الإدخالات لدرجات حرارة عالية واحتكاك. تساعد الصلابة الفائقة ومقاومة التآكل على تحسين طول عمر الأدوات.

مثال آخر في الأجزاء المستخدمة في النقل. تستفيد وسادات الفرامل الخزفية ومكونات المحرك من مقاومة التآكل العالية. في إحدى الحالات، أظهرت إحدى الدراسات أن معدل تآكل وسادات الفرامل الخزفية أقل بنسبة 30% تقريبًا من المواد التقليدية. وهذا يؤدي إلى عمر أطول وصيانة أقل.

يمكن رؤية تطبيق ثالث في الإلكترونيات. غالبًا ما يحتاج السيراميك المستخدم في الأجهزة الإلكترونية إلى العزل بالإضافة إلى مقاومة التآكل، خاصة في الأجهزة المحمولة حيث يكون السقوط شائعًا. ويضمن المهندسون الحد الأدنى من التآكل من خلال اختيار السيراميك بقيم صلابة مناسبة وبنية مجهرية قوية.

تستخدم الأجهزة الطبية أيضًا مواد السيراميك. في زراعة الأسنان، يتم اختيار السيراميك لتوافقه الحيوي وقوته. وقد وصف تقرير حالة شائع في المستشفيات الاستخدام الناجح للغرسات القائمة على الزركونيا التي تجمع بين الصلابة العالية ومقاومة التآكل. إن العمر الطويل لهذه الغرسات يجعلها شائعة حتى في إجراءات الأسنان الروتينية.

تساعد طرق الاختبار الموصوفة في اختيار السيراميك المناسب لكل تطبيق. يوفر اختبار الصلابة مقياساً لقوة المادة على المستوى المجهري. ويؤكد اختبار التآكل أن المادة ستصمد تحت الضغط المتكرر. من السهل إجراء كلا الاختبارين في المدرسة أو المختبر. ويساهمان في تحسين اختيار المواد وتحسين أداء المنتج.

الخلاصة

باختصار، يعد اختبار صلابة وتآكل المواد الخزفية جزءًا أساسيًا من التعليم العملي للعلوم. وتوفر الطرق البسيطة مثل اختبار فيكرز للصلابة واختبار تابر للتآكل بيانات واضحة ومفيدة. تُظهر المواد الخزفية مثل الألومينا والزركونيا وكربيد السيليكون صفات تناسب الحواف الحادة وظروف حركة المرور الكثيفة والبيئات الإلكترونية عالية الطلب.

تعزز القياسات الواقعية أن السيراميك يعمل بشكل جيد عندما يتم التحكم في بنيته المجهرية بشكل صحيح. تساعد الاختبارات العملية في الفصول الدراسية الطلاب على فهم سبب اختيار بعض أنواع السيراميك دون غيرها لتطبيقات معينة. لقد رأيت العديد من الطلاب يكتسبون الثقة بعد إجراء هذه الاختبارات. ويتم إثراء تعلمهم من خلال البيانات الحقيقية والعمل العملي.

السيراميك متعدد الاستخدامات ويستخدم على نطاق واسع. سواء كنت تعمل في مجال البناء أو الإلكترونيات أو الرعاية الصحية، يلعب السيراميك الصلب والمقاوم للتآكل دورًا حيويًا. يساعد اختبار هذه المواد على تحسين الأداء، وتقليل التكلفة، وزيادة عمر المنتج. من خلال إعدادات تجريبية بسيطة وبيانات واضحة، يمكن للطلاب والممارسين على حد سواء فهم خصائص السيراميك بشكل أفضل.

الأسئلة المتداولة

س: ما الغرض من اختبار الصلابة على السيراميك؟
س: إنه يقيس مقاومة السيراميك للتشوه وعلامات الخدش عن طريق المسافة البادئة الخاضعة للتحكم.

س: ما الذي يقيّمه اختبار التآكل في المواد الخزفية؟
س: يتحقق اختبار التآكل من مقاومة المادة للتآكل من خلال قياس فقدان الوزن بعد الاحتكاك.

و: هل يمكن إجراء اختبارات الصلابة والتآكل في المختبرات المدرسية؟
ج: نعم، يستخدم كلا الاختبارين طرق ومعدات بسيطة مناسبة للأماكن التعليمية.