Wat is de modulus van Young?
RunPhoto, Getty Images
Young's modulus ( EN of Y ) is een maat van a solide's stijfheid of weerstand tegen elastische vervorming onder belasting. Het heeft betrekking op stress ( kracht per oppervlakte-eenheid) om te rekken (proportionele vervorming) langs een as of lijn. Het basisprincipe is dat een materiaal elastische vervorming ondergaat wanneer het wordt samengedrukt of uitgerekt, en terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de belasting wordt verwijderd. Bij een flexibel materiaal treedt meer vervorming op dan bij een stijf materiaal. Met andere woorden:
- Een lage Young's moduluswaarde betekent dat een vaste stof elastisch is.
- Een hoge Young's moduluswaarde betekent dat een vaste stof inelastisch of stijf is.
Vergelijking en eenheden
De vergelijking voor Young's modulus is:
E = σ / ε = (F/A) / (ΔL/L0) = FL0/ AΔL
Waar:
- E is Young's modulus, meestal uitgedrukt in Pascal (goed)
- σ is de uniaxiale spanning
- is de spanning
- F is de kracht van compressie of extensie
- A is het oppervlak van de dwarsdoorsnede of de dwarsdoorsnede loodrecht op de uitgeoefende kracht
- Δ L is de verandering in lengte (negatief onder compressie; positief wanneer uitgerekt)
- L0is de originele lengte
Terwijl de SI-eenheid voor Young's modulus Pa is, worden waarden meestal uitgedrukt in megapascal (MPa), Newton per vierkante millimeter (N/mmtwee), gigapascal (GPa) of kilonewton per vierkante millimeter (kN/mm).twee). De gebruikelijke Engelse eenheid is pond per vierkante inch (PSI) of mega PSI (Mpsi).
Geschiedenis
Het basisconcept achter Young's modulus werd beschreven door de Zwitserse wetenschapper en ingenieur Leonhard Euler in 1727. In 1782 voerde de Italiaanse wetenschapper Giordano Riccati experimenten uit die leidden tot moderne berekeningen van de modulus. Toch ontleent de modulus zijn naam aan de Britse wetenschapper Thomas Young, die de berekening ervan in zijn Cursus van hoorcolleges over natuurlijke filosofie en de mechanische kunsten in 1807. Het zou waarschijnlijk Riccati's modulus moeten worden genoemd, in het licht van het moderne begrip van zijn geschiedenis, maar dat zou tot verwarring leiden.
Isotrope en anisotrope materialen
De Young's modulus hangt vaak af van de oriëntatie van een materiaal. Isotrope materialen vertonen mechanische eigenschappen die in alle richtingen hetzelfde zijn. Voorbeelden zijn onder meer zuivere metalen en keramiek . Door een materiaal te bewerken of er onzuiverheden aan toe te voegen, kunnen korrelstructuren ontstaan die de mechanische eigenschappen richtinggevend maken. Deze anisotrope materialen kunnen zeer verschillende Young's moduluswaarden hebben, afhankelijk van of er kracht wordt uitgeoefend langs de korrel of loodrecht erop. Goede voorbeelden van anisotrope materialen zijn hout, gewapend beton en koolstofvezel.
Tabel met moduluswaarden van Young
Deze tabel bevat representatieve waarden voor monsters van verschillende materialen. Houd er rekening mee dat de exacte waarde voor een monster enigszins kan verschillen, omdat de testmethode en de samenstelling van het monster de gegevens beïnvloeden. Over het algemeen hebben de meeste synthetische vezels lage Young's moduluswaarden. Natuurlijke vezels zijn stijver. Metalen en legeringen vertonen doorgaans hoge waarden. De hoogste Young's modulus van allemaal is voor carbyne, an allotroop van koolstof.
| Materiaal | GPa | Mpsi |
|---|---|---|
| Rubber (kleine spanning) | 0,01-0,1 | 1,45-14,5×10−3 |
| Lage dichtheid polyethyleen | 0,11-0,86 | 1,6–6,5×10−2 |
| Diatomeeënvlokken (kiezelzuur) | 0,35-2,77 | 0,05-0,4 |
| PTFE (Teflon) | 0,5 | 0,075 |
| HDPE | 0,8 | 0,116 |
| Bacteriofaag capsiden | 1-3 | 0,15-0,435 |
| Polypropyleen | 1,5-2 | 0,22-0,29 |
| Polycarbonaat | 2–2.4 | 0,29-0,36 |
| Polyethyleentereftalaat (PET) | 2-2,7 | 0,29–0,39 |
| Nylon | 2-4 | 0,29–0,58 |
| Polystyreen, vast | 3-3.5 | 0,44-0,51 |
| Polystyreenschuim | 2,5–7x10-3 | 3.6–10.2x10-4 |
| Vezelplaat met gemiddelde dichtheid (MDF) | 4 | 0,58 |
| Hout (langs nerf) | elf | 1.60 |
| Menselijk corticaal bot | 14 | 2.03 |
| Glasversterkte polyestermatrix | 17.2 | 2.49 |
| Aromatische peptide nanobuisjes | 19–27 | 2,76-3,92 |
| Hogesterktebeton | 30 | 4.35 |
| Moleculaire kristallen van aminozuren | 21–44 | 3,04-6,38 |
| Met koolstofvezel versterkte kunststof | 30-50 | 4,35-7,25 |
| hennepvezel | 35 | 5.08 |
| Magnesium (Mg) | Vier vijf | 6.53 |
| Glas | 50-90 | 7,25–13,1 |
| vlasvezel | 58 | 8.41 |
| Aluminium (Al) | 69 | 10 |
| Parelmoer parelmoer (calciumcarbonaat) | 70 | 10.2 |
| Prestatie | 70,5–112,4 | 10,2-16,3 |
| Tandglazuur (calciumfosfaat) | 83 | 12 |
| Brandnetelvezels | 87 | 12.6 |
| Bronzen | 96–120 | 13,9–17,4 |
| Messing | 100–125 | 14.5-18.1 |
| Titaan (Ti) | 110.3 | 16 |
| Titanium legeringen | 105–120 | 15-17,5 |
| Koper | 117 | 17 |
| Met koolstofvezel versterkte kunststof | 181 | 26,3 |
| Siliciumkristal | 130-185 | 18,9–26,8 |
| Smeedijzer | 190-210 | 27,6-30,5 |
| Staal (ASTM-A36) | 200 | 29 |
| Yttrium ijzer granaat (YIG) | 193-200 | 28-29 |
| Kobalt-chroom (CoCr) | 220-258 | 29 |
| Aromatische peptide nanosferen | 230–275 | 33,4-40 |
| Beryllium (Be) | 287 | 41.6 |
| Molybdeen (Mo) | 329-330 | 47,7–47,9 |
| Wolfraam (W) | 400-410 | 58-59 |
| Siliciumcarbide (SiC) | 450 | 65 |
| Wolfraamcarbide (WC) | 450–650 | 65-94 |
| Osmium (Os) | 525-562 | 76,1-81,5 |
| Enkelwandige koolstof nanobuis | 1000+ | 150+ |
| Grafeen (C) | 1050 | 152 |
| Diamant (C) | 1050-1210 | 152-175 |
| Carbijn (C) | 32100 | 4660 |
Modulii van Elasticiteit
Een modulus is letterlijk een 'maat'. U kunt de modulus van Young horen als de elastische modulus , maar er zijn meerdere uitdrukkingen die worden gebruikt om te meten elasticiteit :
- Young's modulus beschrijft de trekelasticiteit langs een lijn wanneer tegengestelde krachten worden uitgeoefend. Het is de verhouding tussen trekspanning en trekspanning.
- De bulk modulus (K) is als Young's modulus, behalve in drie dimensies. Het is een maat voor volumetrische elasticiteit, berekend als volumetrische spanning gedeeld door volumetrische rek.
- De afschuiving of stijfheidsmodulus (G) beschrijft afschuiving wanneer op een object wordt ingewerkt door tegengestelde krachten. Het wordt berekend als schuifspanning over schuifspanning.
De axiale modulus, de P-golfmodulus en de eerste parameter van Lamé zijn andere elasticiteitsmoduli. De Poisson-verhouding kan worden gebruikt om de transversale contractie-rek te vergelijken met de longitudinale extensie-rek. Samen met de wet van Hooke beschrijven deze waarden de elastische eigenschappen van een materiaal.
bronnen
- ASTM E 111, ' Standaard testmethode voor Young's Modulus, Tangent Modulus en Chord Modulus '. Boek met normen Volume: 03.01.
- G. Riccati, 1782, Van de geluidstrillingen van de cilinders , Mem. mat. worden soc. Italiaans, vol. 1, blz. 444-525.
- Liu, Mingjie; Artyukhov, Vasilii I; Lee, Hoonkyung; Xu, Fangbo; Yakobson, Boris I (2013). 'Carbyne From First Principles: Chain of C-atomen, een Nanorod of een Nanorope?'. ACS Nano . 7 (11): 10075-10082. doei: 10.1021/nn404177r
- Truesdell, Clifford A. (1960). De rationale mechanica van flexibele of elastische lichamen, 1638-1788: Inleiding tot Leonhardi Euleri Opera Omnia, vol. X en XI, Seriei Secundae . Orell Fussli.