E2 Mikrostruktur: Korngröße und Porosität

Thema

Porosität und Korngröße sind die beiden mikrostrukturellen Zustandsparameter, die in diesem Modell beschrieben werden. Jeder dieser Parameter bestimmt unabhängig voneinander den Elastizitätsmodul und die mechanische Festigkeit der Keramik – jene beiden mechanischen Eigenschaften, die ein anderes Modell dieser Reihe detailliert charakterisieren. Da diese beiden Parameter dieselben mechanischen Eigenschaften bestimmen, obwohl sie aus unterschiedlichen Aspekten der Mikrostruktur resultieren, müssen sie separat entwickelt werden, bevor ihre Effekte kombiniert werden können. Zunächst wird die Porosität betrachtet.

Die in diesem Modell verwendeten Porositätsdaten stammen aus einem anderen Modell dieser Reihe, das die Porosimetrie und Dichte der Keramik beschreibt. Da dieses Modell die Gesamtporosität des Materials experimentell misst, kann diese in zwei Komponenten zerlegt werden: offene Porosität, die durch miteinander und mit der Außenfläche des Werkstücks verbundene Poren gebildet wird, und geschlossene Porosität, die durch isolierte Poren im Inneren des Materials gebildet wird. Da die Gesamtporosität die Summe dieser beiden Komponenten ist, spiegelt sich jede Änderung einer Komponente direkt in der Gesamtporosität wider.

Diese Gesamtporosität hat auch eine komplementäre Größe: die relative Dichte der Keramik. Eine höhere Gesamtporosität führt zu einer geringeren relativen Dichte, da ein größerer Anteil des Volumens des Werkstücks von Poren anstatt von Feststoff eingenommen wird; eine geringere Gesamtporosität führt zu einer höheren relativen Dichte.

Eine höhere Gesamtporosität wiederum führt zu einem geringeren Elastizitätsmodul und einer geringeren mechanischen Festigkeit der Keramik: Die Poren unterbrechen die Kontinuität des Feststoffs, verringern die effektive Querschnittsfläche, die die Last trägt, und konzentrieren die Spannungen um sich herum. Daher ist ein Werkstück mit höherer Gesamtporosität weniger steif und widerstandsfähig. Wir wenden uns nun dem zweiten Parameter dieses Modells zu: der Korngröße.

Die Korngröße dieser Keramik wird mit der gleichen linearen Schnittmethode gemessen, die bereits für denselben Zweck im metallurgischen Korngrößenmodell verwendet wird: Die Anzahl der Korngrenzen, die von einer auf das Mikrogefüge gezeichneten Linie bekannter Länge geschnitten werden, wird gezählt, und aus dieser Zählung wird die mittlere Korngröße ermittelt. Die Tatsache, dass dieses Modell dieselbe Methode wiederverwendet, ermöglicht die Messung der Korngröße der Keramik auf eine Weise, die mit der Messung bei Metallen vergleichbar ist.

Eine kleinere Korngröße führt zu einem höheren Elastizitätsmodul und einer höheren mechanischen Festigkeit der Keramik: Korngrenzen, die bei feinerem Korn zahlreicher sind, wirken als Hindernisse und behindern die Rissausbreitung im Material; eine größere Korngröße führt zu weniger Hindernissen und folglich zu einem niedrigeren Elastizitätsmodul und einer geringeren mechanischen Festigkeit.

Deshalb fließen in dieses Modell, mit der Porosität und Korngröße, mit der es erstellt wurde, beide mikrostrukturellen Parameter in ein anderes Modell desselben Satzes ein, das detailliert den Elastizitätsmodul und die mechanische Festigkeit der Keramik beschreibt: Was die Gesamtporosität und die Korngröße hier jeweils für sich bestimmen, wird genau von diesem anderen Modell aus beiden abgeleitet.

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