2009) 3( 22مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد یة والمیكانیكیة لاللومینائبعض الخواص الفیزیافي دراسة تأثیر إضافة المغنسیا إنعام وادي وطن ، شیماء قاسم عبد الحسن ،خالد هالل حربي د –كلیة التربیة ابن الهیثم –قسم الفیزیاء جامعة بغدا الخالصة ـافا الیهــا mμ63الــدقائقي الحجـــم يذ) Al2O3-α(االلومینــامن نــوعمــادة المعتــم فــي هــذا البحــث اســـت مـــادة مضـ شـــبه وتــم اســتخدام طریقــة الكــبس) and0.5%0%0.3,%1.(مختلفــة ةبنســب وزنیــ mμ63بحجــم دقــائقي MgOالمغنســیا تلبیـد النمـاذج فـي درجـة حـرارة دقـائق وقـد تـم 5وبـزمن kN50الجاف لتحضیر النماذج بقـوة كـبس oC1500 6 تلبیـدوبـزمن ـة ، االمتصاصــیة ،المســامیة (یــة ئدرســت الخــواص الفیزیا، اتســاع ـة وكــذلك)الكثافـ الصــالدة ،مقاومــة (الخــواص المیكانیكیـ ـا هـي نســب وقــد) االنضـغاط التـي عملــت علــى %0.5 ة بینـت النتــائج ان افضـل نســبة الوكسـید المغنیســیوم مضـافا لاللومینـ یة والمیكانیكیةئالخواص الفیزیا تحسین المقدمة جهـادات المختلفـة اللتحمـل و التـي تتطلـب مقاومـة عالیـة ألجزاءفي ا لمعتعد االلومینا من المواد السیرامیكیة التي تست ــایت وتتمیـــز بالصـــالدة العالیة)1( ـات البوكسـ ــة للبلـــي اطئة،و ال،التوصـــیلیة الحراریـــة وتنـــتج مـــن خامــ والتآكــــلالمقاومـــة العالیـ .)2(واسعة التطبیقات تجعلها هللكسر وهذومقاومة عالیة spark(شمعات القدح كهربائیة في وازالالها عمعالنقاوة المختلفة هي است يالهندسیة لاللومینا ذ تاقیطبالت أهمومن plugs ( ة فـي كمــا األسـالكوفوهـات الـرش الزراعیـة وبكـرات سـحب التسـخین المركــزي أنظمـةومرتكـزات المضـخات المتداولـ ا فــي الت تدخلــ ـازال ات غالفــلمعاســـت اذ األخیــرةة لمـــدات االلكترونیــة التـــي ازدادت فــي اطبیقـــااللومینـــ الموصـــالت ألشــباه عــ ـال الطبــي فقــد اسـت إمــا .روالترانزســتو وحافظـات الــدایود فــي الســیما و ) Implant Materials(ت مــواد غــرز لمعفـي المجـ الجیــدة ةالمیكانیكیـوالمواصــفات األنسـجةالصــناعیة وذلـك بســب التوافـق الجیـد مــع واألسـنان) Hip Joit(مفاصـل الـورك ـا أكانـتاء و القطـع ســ دااللومینـا فـي عــد عملي البلــي واالحتكـاك ،وتســتفتصـ السـیماو كمیـات مــن إلیهــا والمضـافالنقیـة منهـ عــدد القطــع الســـیرامیكة هــذه فـــي لمعوتســـت )MgO( التیتــانیوم مـــع نســبة قلیلــة مـــن المغنســیا دكاربیـــ ماوكســیید التیتــانیوم أ الكیمـاويواسـتقرارها عالیـة تأكـلوالمعادن الصعبة التشغیل وذلك المتالكها درجات انصهار عالیة ومقاومـة ةالعالیالسرعات ـاس ـاربس الجـااللومینــا كـذلك فــي التطبیقـات المیكانیكیـة والحراریــة مثـل متحســس م لمعوتسـت.وارخـص مـن المـ -Stream(خـ tramp Sensars( )3(. لهمـا بالتطبیقـات األفضـلالسـیرامیكیة واالختیـار لألجـزاءالمتطلبـات أهم ددراسة الخواص المیكانیكیة لاللومینا یع إن ام بـه فـي هـذا المجـال ما أجریـتفمن ضـمن الدراسـات التـي الهندسـیة، مسـحوق عمل اسـت ، اذ)2003(عـام ) Dasa( الباحـثقـ ؤلین و مضافا الیه الكا mμ6-8بین تراوحتوبتوزیع حجمي للدقائق % 65االلومینا بنسبة وزنیة 2009) 3( 22مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد ة ســیرامیكیة بكثافــة مقــدارها 2وبـزمن انضــاج oC 1950وملبــد بدرجــة % 5بنسـبة ســاعة وقــد تـم الحصــول علــى مكبوسـ 33.46 g/cm ومقاومه انضغاطMpa 1000)4( ، وكما درس الباحثان)Rohl and Berlin ( عام)6200 ( ـا فـيتـاثیر درجــة حـرارة التلبیــد وحجـم الــدقائق ة تصـل الــى اذ،بالمغنیســیا ةالمعالجـكثافــة ومسـامیة االلومینـ وجـدوا ان الكثافــ gm/cm للنمـاذج الملبـدة بدرجـة gm/cm3 3.2 فـي حـین كانـت الكثافـة oC ،1430 للنماذج عند درجة حـرارة تلبیـد 2.8 3 oC1630)5(. ـا اثیر اضــــافة المغنیســـیا الــــى مــــادة االلومینــ ة مــــدى تـــ ــم دراســــ ـد تـ ـا هــــذا فقـــ ــي بحثنــ ان اضــــافة المغنیســــیا ،اذ امـــا فــ ـة%0.5بنســبة الــى مــادة االلومینــا وتلبیــد بدرجـ oC1500 كانــت الكثافــة ســاعات 6بــزمن انضــاج gm/cm3 2.48 تــم و .Mpa21.8ومقاومة انضغاط مقدارها Gpa 86قیمة للصالدة مقدارها اعلى الحصول على الجانب العملي علیـه عملیــة أجریـتوقـد Bohشــركةالمصـنع مـن %)99.9(وبنقـاوة )α(مـن نــوع)Al2O3(مسـحوق االلومینـا لمعاسـت ـیر ،mμ63 مـن لقطـر أقــ يذ دقـائق غربلـت المـادة المطحونـة للحصــول علـى و الطحـن باسـتخدام طاحونـة الكــرات ثـم تحضـ ـافا ــــ ة مضـ ــــ ـا النقیــ ــــ ـــاذج االلومینـ ـهنمـــ ــــ ــــید إلیـ ــــادة اوكســ ـــــیوم مــ ـــر المغنسـ ـــاوة و mμ63بقطـــ ــــب %)99.9(بنقـــ ــــوبنســ ةوزنیــ ـه وأضـیف) 0.5%,0.3%,0.1%( ة بنســبة مــادة )ِ◌◌ِ PVA( بــولي فینــال الكحـول مـادة إلیـ وقــد تــم % 2ال تزیــد عـن رابطـ باسـتخدام دقـائق 5وبـزمن )KN50(تشكیل النماذج بطریقة الكبس شبه الجـاف باسـتخدام المكـبس الهیـدرولیكي وبقـوة كـبس ـائي بصــورة تدریجیــة تلبیـــد،تــم cm2قطــر يقالــب ذ ـاذج باســتخدام فــرن كهربــ ـة إلـــىالنمـ درجـ oC 1500 6 تلبیـــدوبــزمن باسـتخدام طریقــة ) هریــةالكثافــة الحجمیة،المسـامیة الظاهریة،امتصاصــیة المـاء الظا( یـة ئالقیاســات الفیزیا أجریـت.سـاعات :)6( اآلتیةخمیدس وباستخدام العالقات اإلزاحة الر ρB=(wd /ws-wi) ………………….. [1] A.P%= (ws- wd/ws- wi)*100%....................[2] W.ab %=(WS-WD/WD)*100%................. [3] :اذ ρB :الكثافـة الحجمیـة)( gcm-3 ; :A.P% المسـامیة الظاهریــة( %) : W.ab% ; امتصاصـیة المـاء(%) ،wd: كتلــة ،) gm(كتلة االنموذج وهو مغمور بالماء : gm،wi)(االنموذج جاف ws :كتلة األنموذج رطب)gm . ( ـة ةالمیكانیكیــالقیاســات یــت أجر باســـتخدام الصــالدة للنمــاذج الملبــدة تقیســ اذ ،االنضــغاطمقاومـــة و بالصــالدة المتمثلـ وبطریقـة القیـاس )Wilson -Rockwell Model B554-t-U.S.A-(بجهـاز الصـالدة مـن نـوع ) (Rockwell طریقـة وتـم تحدیـد قــیم Kg15وحمـل نهـائي مقــداره 3Kgحمـل ابتـدائي مقــداره تـم تســلیط ووباسـتخدام كــرة فوالذیـة )H15T(نـوع . كتروني مرتبط بالجهاز یلاالصالدة مباشرة من عداد ـات القرصـیة الفحـص ي إجــر وقـد تـم تســلیط إذ8cm1.قطــرو cm 0.17 بســمكعلــى نمـاذج بالطریقــة البرازیلیـة للعینـ یقـوم اذ ،التلبیـد ،وقـد اجـري االختبـار باسـتخدام مكـبس هیـدرولیكي بعـد عملیـة لالنضغاط المنتج لمعرفة مقدار تحملالحمل توقـف المؤشـر مقیـاس القــوة أولالـذي یوضــع بـین فكـي المكـبس وتؤخـذ القـراءة للقــوة المسـلطة عنـد األنمـوذجبتسـلیط قـوة علـى ).7(من العالقة للعینات القرصیة االنضغاطمقاومة وتحسب في المكبس المستخدم C.S=2F/πDt……………………….[4] قطـر االنمـوذج D و)N(ضـغط مسـلط حصـل عنـده الكسـر للعینـة بوحـدات أعلـىF،و )Mpa( مقاومـة االنضـغاط C.S اذ )mm (،t سمك االنموذج)mm . ( 2009) 3( 22مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد المناقشةو النتائج ة مئویـة 1500بدرجـة الصـالدة لاللومینـا الملبـدة فـيالمغنسـیا إضـافة تأثیر)1(یبین الشكل سـاعات 6و بـزمن تلبیـددرجـ ة مـن اوكسـید الـى ان وهـذا یعـود زیادة صالدة المادة السـیرامیكیة إلىیؤدي زیادة نسبة االضافة إنونالحظ فیه اضـافة كمیـ زیـادة التقـارب بــین إلـىیـؤدي ممـا )Discontuoues Grain growth(الحبیبـي غیـر المســتمر منـع النمـو یالمغنسـیوم 3.83gm/cm(ة كثافة المغنسیا العالی عن الضفالجسم السیرامیكي ل حبیبات المادة وتكوین المسامات المغلقة داخ 3()8.( المتصـلة (ات المفتوحـة علـى بعضـهامبسبب تناقص المسا زیادة الكثافة عتزداد مقیم الصالدة إنفیبین )2(الشكل اما سبب إنأي ونمو حبیبات مجاورة مغلقة التي یرافقها ضمور بعض الحبیبات تظهور مساماوبدایة )بشكل قنوات افیما بینه باستخدام ةفوتوغرافیصور ل) 3(الشكل وهذا ما یوضحه ، )9( اإلنضاجعملیة لتقریبا اكتماهو االلومینا مادةارتفاع كثافة ان التركیـب الـدقیق متكـون یالحظاذ ، النقیة والمشوبة بالمغنیسیا وعند نسب وزنیة مختلفة لسطح االلومینابالمجهر الضوئي ة قــمـع وجــود بعـض المنـاطق الغام) المنـاطق الغامقـة (تتخللهـا مســامات )المنـاطق المضـیئة (كثافـة اعلــى يمـن منـاطق ذ تغیـر نسـب االضـافات مـن رغمعلى الـالتركیب الدقیق یبدو متشابها أننسبیا التي تمثل الفجوات أو المسامات المفتوحة كما فـي الحجــم )بنسـبة اكبـر مــن دور المسـامات (الكبیــرة وهـذا ینسـجم مـع كــون االخـتالف فـي الكثافــات یرجـع الـى دور الفجـوات .الكلي زیــادة قـــوة التحمـــل للجســـم إلـــىان نقصــان المســـامیة یـــؤدي ونجـــد المســامیة مـــع الصـــالدة عالقـــة )4(یبــین الشـــكل عالیـة ةمیكانیكیـ ة تكـون ذا مقاومـةمیقلیلـة المسـا فـالمواد)10(خـالل عملیـة التلبیـد طاقـة التكثیـف فيوكذلك تؤثر السیرامیكي یتركـز الجهــد المسـلط علــى إذ ،فیهــا ةالمیكانیكیـســامیة العالیـة التــي تضـعف الخــواص مال وفـالمواد ذ علـى العكــس مـن ذلــك ةالعالقة بـین امتصاصـی)5(ویبین الشكل . )11(اصغر عندما تكون المسامیة عالیة مما یسرع من انهیار العینة مسامات اء تــؤدي ،المـاء والصــالدة ـاط المســامیة زیــادة ىإلــإذ یالحــظ انخفــاض مســامیة المــ متانــة وصــالدة الجســم الســیرامیكي الرتبـ . )12(فكلما زادت الكثافة قلت االمتصاصیة بالكثافة قیم مقاومة االنضغاط ویعزى ذلك إلى زیادة معـدل النمـو البلـوري ممـا فيتأثیر نسبة إضافة المغنسیا )6(ویبین الشكل )13(بعض مع یودي إلى زیادة ترابط الحبیبات بعضها )7(إن هذا السلوك انعكس على عالقة الكثافة مع مقاومة االنضغاط وهذا مابینه الشكل انخفـاض كـل مـن المسـامیة وامتصاصـیة المـاء مـع مقاومـة االنضـغاط علـى التـوالي ) 9(و) 8(ویبـین كـل مـن الشـكل را ظمیة وامتصاصیة الماء وهي قیمة مباشرة نالرتباط المسامیة وامتصاصیة الماء بالكثافة فكلما زادت قیم الكثافة قلت المسا ).15,14(االنضغاط للمادة السیرامیكیة ةلكون نسبة اإلضافة العالیة وعملیة التلبید مما أدى إلى زیادة كثاف االستنتاجات ـا ذو إضــافة إن ـة لمــادة االلومینـ ة بســبب ئالمواصــفات الفیزیا فــيواضــح تـــأثیرالمغنیســیا بنســب معلومـ ـةیــ النمـــو إزالـ المحتـوى العینـات ذا نأتبـین اذ،الذي عمل على تحسین الكثافة وتقلیل المسامیة وامتصاصیة المـاء المستمر الحبیبي غیر اي زیـادة متانـة قیم لكال من الصالدة ومقاومـة االنضـغاط أفضل من ثمو عالیة للكثافة اقیم أعطت من المغنیسیا األعلى تالسیرامیكیة بسبب مسامیة الجسم السیرامیكي التي تعمل بوصفها نقاط ضـعف عنـدما یتعـرض إلـى اجهـاداوتماسك المادة .میكانیكیة خارجیة 2009) 3( 22مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد المصادر 1.Van Valck,L.H(1982)"Materials for engineering:concepts and Applications "Addison Wesley Pub.com.Inc,U.S.A,PP.3-11. 2.Morrell(1991)"Ceramic in modern engineering "J.Am.Ceram. Soc .74(7): 1487-1510. 3.DÖrre,E.&Hübner,H.(1984)"Alumina-Processing,Properties and Applications'Berlin springer Verlag,PP.1-267. 4.Dasa,s.k.and Ray,A.K.(2003)"Impact strength and indentation fracture toughness studies on Alumina-based wear resistance ceramic"J.Intceram. 46(3)PP.184-187. 5.Rohl,Kuhn B., Berlin K.Mcyer(2006)"Porosity of ceramic compsites"Ceramic forum international ch/ber DKG 72(3). 6.Ryan,W(1978)"Properties of ceramic raw materials",2nd edition,Pergamon PressJohn Wiely and sons ،Inc,PP.1-5. 7.Callister W.D,JR., (2003)."Materials Science and Engineering An Introduction" 6th ed., John Wiely and Sons,Inc., New York, pp.406-407,408-410,413,664,665,661-664. 8.Berry ,K.A. and Harmer, M.P. (1986)"effect of Mgo solute on microsturucture development in Al203"J.Am.Cerm.Soc, 69(2)PP.143-149. 9.Coble,R.L(1961)"Sintering crystl Solid"J.Appling phy , 32 (5)PP.793-799. 10.Suzuki,H.and Matsubarg,H. (1999)"M icrostructural Design of Grain Boundaries in Alumina Based Ceramics"J.Engineering Materials,CSJ series-Publications of the ceramic society of Japan.2:453-456. 11.Souza, M.F.de & Ferreira, D.P. ,(1998)J. Materials Research 1(1):53-58. 12.Jyh, M. T. (1991)"Effect of Powder characteristics on microstructure and strength of sintered Alumina"J.ceramic Bulletin 70(7):1167-1172. 13.Dyson,R.D.LandMorrel,R.(1982)"MechanicalTestingof Engineering Ceramic at high Temperature"J.Elsevier Applied Science Itd. 14.Mare, A .M. and Krishan, K. C. (1999) “Mechanical Behavior of Materials”, Prentice- Hall, Inc. 15.Pertti, A. (1996)"Mechanical and Physical properties of engineering alumina ceramics "J.VTT Technical research center of finl and Espoo,pp.3-25. 2009) 3( 22والتطبیقیة المجلدمجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة شكل (1) یبین قیم الصالدة المیكانیكیة لمسحوق االلومینا والمحتوي على سیا غن نسبة وزنیة مختلفة من الم 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Weight percentage(Mgo) % H a rd n e s s (G p a ) a- صورة المجهر الضوئي لاللومینا النقیة b- 0.1ألومینا مضافا إلیها مغنیسا بنسبة% c- 0.3ألومینا مضافا إلیها مغنیسا بنسبة% 2009) 3( 22للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلدمجلة ابن الهیثم شكل (2) یوضح عالقة الكثافة بصالدة االلومینا المشوبة بالمغنس��یا 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5 Bulk density (g/cm3) H a rd n e ss ( G p a ) d- 0.5ألومینا مضافا إلیها مغنیسا بنسبة% ا X 20تكبیر ةكسر بقو یبین صور فوتوغرافیة للمجهر الضوئي لسطح ) 3(شكل لاللومینا النقي والمشوبة بالمغنیسی 2009) 3( 22المجلدمجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة ن�ا بصالدة االلومی شكل (4) یبین عالقة المسامیة 30 40 50 60 70 80 90 100 33.6 34.2 34.8 35.4 36 36.6 37.2 Porosity% H a rd n e s s( G P a ) ة الظاھریة للماء م�ع الص��الدة ة االمتصاصی شكل (5) یبین عالق 30 40 50 60 70 80 90 100 13.5 14 14.5 15 15.5 16 Warter Absorption % H a r d n e s s (G p a ) 2009) 3( 22مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد النضغاط ومة ا مقا ینا على شكل (6) یبین تاثیر نسبة اضافة المغنیسیا لاللوم 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Weight P ercentage Mgo% C o m p r e s s iv e S tr e n g h t( M p a ) بة �ا المش�و تغ�یر الكثاف�ة عل�ى مقاوم�ة االنض�غاط لاللومین یبین عالق�ة شكل (7) 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5 Bulk density (g/cm3) C o m p re s s iv e S tr e n gt h( M p a ) IBN AL- HAITHAM J. FO R PURE & APPL. SC I VO L.22 (3) 2009 نض��غاط یة على مقاوم�ة اال بین عالقة تغیر المسام شكل (8) ی 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 34 34.5 35 35.5 36 36.5 37 Porosity% c o m p re s s iv e s tr n g h t (M p a ) الظاھریة على مقاومة شكل (9) یبین عالقة تغیر امتصاصیة الماء االنضغاط 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 13.5 14 14.5 15 15.5 16 Water Absorption % C o m p re s s iv e S tr e n g h t (M p a ) The Study Effect of Addition Magnesia (MgO) on Some Physical and Mechanical Properties for Alumina A.W. Watan ,S. K. Abd-Hassin, K. H . Harrbi Department of Physics , College of Education Ibn AL- Haitham, University of Baghdad Abstract A reseach is carried out by using Alumina material type α-Al2O3 which has partical size 63μm doped with different percentage weight of MgO (0.1%,0.3%and0.5%) and by using dry press method to prepare the samples ,A force press 50KN used and sintering to 1500 oC with soaking time of 6 hours. The physical properties were studied such as "Bulk density ,Porosity and water absorption "also the mechanical properties such as (hardness,compressive strength ), the result shows that the best ratio of maginsa(MgO) added to Alumina (Al2O3)is 0.5%and this worked to improve Physical and mechanical properties .