Elastizität der mechanischen Eigenschaften

Definition von Elastizität

Mechanisch gesehen ist die Elastizität die Fähigkeit eines Materials, Energie zu speichern und zu absorbieren, wenn es elastisch verformt wird, und diese Energie wieder abzugeben, wenn die Spannung aufgehoben wird. Die Elastizität ist mit der Elastizität verwandt, wobei der Schwerpunkt jedoch stärker auf dem Energieaspekt liegt. Je größer die Elastizität eines Materials ist, desto mehr Energie kann es aufnehmen und wieder abgeben, ohne dass ein Schaden zurückbleibt.

Mathematisch wird die Elastizität in der Regel durch den Elastizitätsmodul quantifiziert, d. h. die maximale Energie pro Volumeneinheit, die ein Material ohne bleibende Verformung aufnehmen kann. Er kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Ur=σy^2/2E

Wobei:

Ur ist der Elastizitätsmodul (Energie pro Volumeneinheit),

σy ist die Fließspannung (die Spannung, bei der ein Material beginnt, sich plastisch zu verformen),

E ist der Elastizitätsmodul (ein Maß für die Steifigkeit des Materials).

Diese Gleichung gilt für den Bereich, in dem sich ein Material elastisch verformt, d. h. nach Beseitigung der Spannung seine ursprüngliche Form wieder annimmt.

Widerstandsfähigkeit vs. Zähigkeit

Elastizität und Zähigkeit sind zwei Begriffe, mit denen die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, definiert wird, allerdings mit unterschiedlichem Schwerpunkt:

Die Elastizität ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, ohne sich dauerhaft zu verformen. Sie entspricht dem elastischen Teil der Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Werkstoffs.

Die Zähigkeit hingegen ist die Menge an Energie, die ein Material bei einem Bruch verbraucht, und umfasst sowohl plastische als auch elastische Verformungen. Die Zähigkeit ist definiert als die Fläche unter der gesamten Spannungs-Dehnungs-Kurve, einschließlich des Teils der plastischen Verformung.

Einfach ausgedrückt ist die Elastizität ein Maß für die Energiemenge, die ein Material elastisch aufnehmen kann, während die Zähigkeit ein Maß für die Energiemenge ist, die ein Material vollständig aufnehmen kann, bevor es versagt.

Faktoren, die die Elastizität beeinflussen

Mehrere Parameter beeinflussen die Elastizität eines Materials, darunter der Elastizitätsmodul (E-Modul), die Streckgrenze und die Temperatur. Werfen wir einen Blick auf diese Parameter:

1. der Elastizitätsmodul(Youngscher Modul): Je größer der Elastizitätsmodul eines Materials ist, desto steifer ist das Material. Ein Material mit einem sehr hohen Elastizitätsmodul, wie Stahl, kann mehr elastische Energie speichern, bevor es nachgibt. Ein sehr hoher Elastizitätsmodul kann jedoch die Fähigkeit des Materials verringern, unter Aufprallbedingungen Energie zu absorbieren.

2. Streckgrenze: Die Streckgrenze ist die Spannung, bei der ein Material beginnt, sich plastisch zu verformen. Ein Material mit hoher Streckgrenze baut mehr Energie elastisch ab, bevor eine bleibende Verformung eintritt. Metalle mit hoher Streckgrenze, wie Titan oder hochfeste Legierungen, sind zum Beispiel widerstandsfähiger.

3. die Temperatur: Die Temperatur kann einen erheblichen Einfluss auf die Elastizität haben. Mit steigender Temperatur werden Werkstoffe zunehmend duktiler, was ihre Fähigkeit, Energie elastisch zu speichern, verringern kann. Im Gegensatz dazu können Werkstoffe bei niedrigen Temperaturen spröde sein und unter Belastung leicht brechen.

4. die Materialzusammensetzung: Die Art des Materials ist der entscheidende Faktor für die Elastizität. Materialien mit hoher Elastizität, wie Gummi oder Federstahl, sind sehr belastbar, da sie elastisch verformt werden können und ihre ursprüngliche Form wieder annehmen. Auch Polymere und Verbundwerkstoffe können durch Anpassung ihrer Molekülstruktur so gestaltet werden, dass sie hoch belastbar sind.

5. die Mikrostruktur: Die Mikrostruktur eines Materials (z. B. Phasenzusammensetzung, Korngröße) kann seine Fähigkeit, sich elastisch zu verformen und Energie zu speichern, beeinflussen. So sind z. B. Materialien mit feinen Körnern fester, da die kleineren Korngrenzen dem Material mehr Möglichkeiten bieten, einer Verformung zu widerstehen.

Anwendungen der Elastizität

Die Elastizität ist in der gesamten Technik und Materialwissenschaft am ehesten anwendbar, wenn Materialien immer wieder Belastungen oder Stößen ausgesetzt werden. Einige häufige Anwendungen sind:

1. federn und stoßdämpfer: Federn und Stoßdämpfer müssen sehr elastisch sein, da sie ständig Energie aufnehmen und abgeben, ohne sich dauerhaft zu verformen. Druckfedern in Fahrzeugaufhängungssystemen beispielsweise müssen wiederholten Be- und Entlastungen standhalten, die Stöße der Straße absorbieren und dennoch in ihre ursprüngliche Form zurückkehren können.

2. strukturelle Elemente: Strukturelemente wie Träger, Säulen und Stützen im Maschinen- und Bauwesen müssen aus Materialien mit ausreichender Elastizität bestehen, damit sie dynamische Belastungen durch Wind, Erdbeben oder Verkehr aushalten können, ohne sich dauerhaft zu verformen. Hochelastischer Stahl wird üblicherweise in Gebäuden für solche Zwecke verwendet.

3) Schuhe und Fahrradreifen: Die für Fahrradreifen und Schuhe verwendeten Materialien müssen haltbar sein, um Stößen standzuhalten und bequem zu sein. Reifen müssen zum Beispiel in der Lage sein, Stöße abzufedern, ohne ihre Form und Funktionalität zu verlieren.

4. stoßfeste Materialien: Materialien, aus denen Schutzausrüstungen wie Helme oder Panzerungen bestehen, müssen widerstandsfähig sein. Sie müssen so beschaffen sein, dass die bei einem Aufprall (z. B. bei einem Sturz oder Zusammenstoß) absorbierte Energie keine dauerhaften Schäden am Material verursacht und gleichzeitig den Benutzer vor Schäden schützt.

5. fahrzeugteile: Bei der Entwicklung von Fahrzeugteilen wie Knautschzonen und Stoßfängern werden harte Materialien verwendet, um die Energie eines Aufpralls bei einem Unfall zu absorbieren. Dadurch wird der Verlust der Fahrzeugintegrität und der Schaden für die Insassen minimiert.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Widerstandsfähigkeit von Materialien?

Elastizität beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Energie zu speichern und auch elastisch wieder abzugeben, ohne sich plastisch zu verformen.

Wie unterscheidet sich die Elastizität von der Zähigkeit?

Elastizität ist Energieabsorption im elastischen Bereich, während Zähigkeit elastische und plastische Energieabsorption vor dem Versagen beinhaltet.

Was beeinflusst die Elastizität?

Die Faktoren sind Elastizitätsmodul, Streckgrenze, Temperatur, Materialzusammensetzung und Mikrostruktur.

Welche Werkstoffe sind elastisch?

Federstahl, Titanlegierungen und Gummi sind am widerstandsfähigsten, da sie Energie elastisch absorbieren können.

Dank der Elastizität können Materialien wiederholten Belastungen standhalten, ohne sich dauerhaft zu verformen, was bei Teilen wie Federn, Stoßdämpfern und Teilen für Kraftfahrzeuge von entscheidender Bedeutung ist.