Elastizitätsmodul (E. oder Y.) ist ein Maß für a Feststoffe Steifheit oder Widerstand gegen elastische Verformung unter Last. Es bezieht sich auf Stress (Macht pro Flächeneinheit) zur Dehnung (proportionale Verformung) entlang einer Achse oder Linie. Das Grundprinzip besteht darin, dass ein Material beim Zusammendrücken oder Ausdehnen eine elastische Verformung erfährt und beim Entfernen der Last in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Bei einem flexiblen Material tritt im Vergleich zu einem steifen Material eine stärkere Verformung auf. Mit anderen Worten:
- Ein niedriger Elastizitätsmodulwert bedeutet, dass ein Feststoff elastisch ist.
- Ein hoher Elastizitätsmodulwert bedeutet, dass ein Festkörper unelastisch oder steif ist.
Gleichung und Einheiten
Die Gleichung für den Elastizitätsmodul lautet:
E = σ / ε = (F / A) / (ΔL / L.0) = FL0 / AΔL
Wo:
- E ist der Elastizitätsmodul, normalerweise ausgedrückt in Pascal (Pa)
- σ ist die einachsige Spannung
- ε ist die Belastung
- F ist die Druck- oder Streckkraft
- A ist die Querschnittsfläche oder der Querschnitt senkrecht zur ausgeübten Kraft
- ΔL ist die Längenänderung (negativ unter Kompression; positiv, wenn gedehnt)
- L.0 ist die ursprüngliche Länge
Während die SI-Einheit für den Elastizitätsmodul Pa ist, werden die Werte am häufigsten in Megapascal (MPa) ausgedrückt. Newton pro Quadratmillimeter (N / mm2), Gigapascal (GPa) oder Kilonewton pro Quadratmillimeter (kN / mm)2). Die übliche englische Einheit ist Pfund pro Quadratzoll (PSI) oder Mega-PSI (Mpsi).
Geschichte
Das Grundkonzept des Elastizitätsmoduls wurde 1727 vom Schweizer Wissenschaftler und Ingenieur Leonhard Euler beschrieben. Der italienische Wissenschaftler Giordano Riccati führte 1782 Experimente durch, die zu modernen Berechnungen des Moduls führten. Der Modul hat seinen Namen jedoch vom britischen Wissenschaftler Thomas Young, der seine Berechnung in seinem beschrieben hat Lehrgang über Naturphilosophie und Mechanik im Jahre 1807. Es sollte wahrscheinlich Riccatis Modul genannt werden, angesichts des modernen Verständnisses seiner Geschichte, aber das würde zu Verwirrung führen.
Isotrope und anisotrope Materialien
Der Elastizitätsmodul hängt oft von der Ausrichtung eines Materials ab. Isotrope Materialien weisen mechanische Eigenschaften auf, die in alle Richtungen gleich sind. Beispiele sind reine Metalle und Keramik. Das Bearbeiten eines Materials oder das Hinzufügen von Verunreinigungen kann Kornstrukturen erzeugen, die die mechanischen Eigenschaften direktionalisieren. Diese anisotropen Materialien können sehr unterschiedliche Elastizitätsmodulwerte aufweisen, abhängig davon, ob eine Kraft entlang des Korns oder senkrecht dazu ausgeübt wird. Gute Beispiele für anisotrope Materialien sind Holz, Stahlbeton und Kohlefaser.
Tabelle der Elastizitätsmodulwerte
Diese Tabelle enthält repräsentative Werte für Proben verschiedener Materialien. Beachten Sie, dass der genaue Wert für eine Probe etwas anders sein kann, da die Testmethode und die Probenzusammensetzung die Daten beeinflussen. Im Allgemeinen haben die meisten synthetischen Fasern niedrige Elastizitätsmodulwerte. Naturfasern sind steifer. Metalle und Legierungen neigen dazu, hohe Werte aufzuweisen. Der höchste Elastizitätsmodul von allen ist für Carbyne, ein Allotrop von Kohlenstoff.
| Material | GPa | Mpsi |
|---|---|---|
| Gummi (kleine Belastung) | 0.01–0.1 | 1.45–14.5×10−3 |
| Polyethylen niedriger Dichte | 0.11–0.86 | 1.6–6.5×10−2 |
| Kieselalgenstumpf (Kieselsäure) | 0.35–2.77 | 0.05–0.4 |
| PTFE (Teflon) | 0.5 | 0.075 |
| HDPE | 0.8 | 0.116 |
| Bakteriophagen-Kapside | 1–3 | 0.15–0.435 |
| Polypropylen | 1.5–2 | 0.22–0.29 |
| Polycarbonat | 2–2.4 | 0.29-0.36 |
| Polyethylenterephthalat (PET) | 2–2.7 | 0.29–0.39 |
| Nylon | 2–4 | 0.29–0.58 |
| Polystyrol, fest | 3–3.5 | 0.44–0.51 |
| Polystyrolschaum | 2,5–7 x 10-3 | 3.6–10.2x10-4 |
| Mitteldichte Faserplatte (MDF) | 4 | 0.58 |
| Holz (entlang der Maserung) | 11 | 1.60 |
| Menschlicher kortikaler Knochen | 14 | 2.03 |
| Glasverstärkte Polyestermatrix | 17.2 | 2.49 |
| Aromatische Peptidnanoröhren | 19–27 | 2.76–3.92 |
| Hochfester Beton | 30 | 4.35 |
| Aminosäure-Molekülkristalle | 21–44 | 3.04–6.38 |
| Kohlefaserverstärkter Kunststoff | 30–50 | 4.35–7.25 |
| Hanffaser | 35 | 5.08 |
| Magnesium (Mg) | 45 | 6.53 |
| Glas | 50–90 | 7.25–13.1 |
| Flachsfaser | 58 | 8.41 |
| Aluminium (Al) | 69 | 10 |
| Perlmutt Perlmutt (Kalziumkarbonat) | 70 | 10.2 |
| Aramid | 70.5–112.4 | 10.2–16.3 |
| Zahnschmelz (Calciumphosphat) | 83 | 12 |
| Brennnesselfaser | 87 | 12.6 |
| Bronze | 96–120 | 13.9–17.4 |
| Messing | 100–125 | 14.5–18.1 |
| Titan (Ti) | 110.3 | 16 |
| Titanlegierungen | 105–120 | 15–17.5 |
| Kupfer (Cu) | 117 | 17 |
| Kohlefaserverstärkter Kunststoff | 181 | 26.3 |
| Siliziumkristall | 130–185 | 18.9–26.8 |
| Schmiedeeisen | 190–210 | 27.6–30.5 |
| Stahl (ASTM-A36) | 200 | 29 |
| Yttrium-Eisengranat (YIG) | 193-200 | 28-29 |
| Kobalt-Chrom (CoCr) | 220–258 | 29 |
| Aromatische Peptidnanosphären | 230–275 | 33.4–40 |
| Beryllium (Be) | 287 | 41.6 |
| Molybdän (Mo) | 329–330 | 47.7–47.9 |
| Wolfram (W) | 400–410 | 58–59 |
| Siliziumkarbid (SiC) | 450 | 65 |
| Wolframcarbid (WC) | 450–650 | 65–94 |
| Osmium (Os) | 525–562 | 76.1–81.5 |
| Einwandige Kohlenstoffnanoröhre | 1,000+ | 150+ |
| Graphen (C) | 1050 | 152 |
| Diamant (C) | 1050–1210 | 152–175 |
| Carbyne (C) | 32100 | 4660 |
Modulii der Elastizität
Ein Modul ist buchstäblich ein "Maß". Möglicherweise hören Sie den Elastizitätsmodul, der als bezeichnet wird ElastizitätsmodulEs werden jedoch mehrere Ausdrücke zum Messen verwendet Elastizität:
- Der Elastizitätsmodul beschreibt die Zugelastizität entlang einer Linie, wenn entgegengesetzte Kräfte angewendet werden. Es ist das Verhältnis von Zugspannung zu Zugspannung.
- Das Volumenmodul (K) ist wie der Elastizitätsmodul, außer in drei Dimensionen. Es ist ein Maß für die Volumenelastizität, berechnet als Volumenspannung geteilt durch die Volumendehnung.
- Die Scherung oder der Steifigkeitsmodul (G) beschreibt die Scherung, wenn ein Objekt von entgegengesetzten Kräften beaufschlagt wird. Sie wird als Scherspannung über Scherdehnung berechnet.
Der Axialmodul, der P-Wellenmodul und der erste Parameter von Lamé sind andere Elastizitätsmodule. Das Poisson-Verhältnis kann verwendet werden, um die Querkontraktionsdehnung mit der Längsdehnungsdehnung zu vergleichen. Zusammen mit dem Hookeschen Gesetz beschreiben diese Werte die elastischen Eigenschaften eines Materials.
Quellen
- ASTM E 111,Standardtestmethode für den Elastizitätsmodul, den Tangentenmodul und den Akkordmodul". Book of Standards Volume: 03.01.
- G. Riccati, 1782, Delle vibrazioni sonore dei cilindri, Mem. Matte. fis. soc. Italiana, vol. 1, S. 444-525.
- Liu, Mingjie; Artyukhov, Vasilii I; Lee, Hoonkyung; Xu, Fangbo; Yakobson, Boris I (2013). "Carbyne nach ersten Prinzipien: Kette von C-Atomen, ein Nanostab oder ein Nanorop?" ACS Nano. 7 (11): 10075–10082. doi:10.1021 / nn404177r
- Truesdell, Clifford A. (1960). Die rationale Mechanik flexibler oder elastischer Körper, 1638–1788: Einführung in die Leonhardi Euleri Opera Omnia, vol. X und XI, Seriei Secundae. Orell Fussli.