Young's Modulus uitgelegd:sleuteldefinities, typische waarden en praktische voorbeelden

De modulus van Young is een wiskundige/technische definitie voor een van de eenvoudigste methoden om elasticiteit te begrijpen. Elasticiteit is het vermogen van een materiaal om een vormverandering te ondergaan wanneer er een kracht op wordt uitgeoefend en terug te keren naar de oorspronkelijke vorm/afmetingen wanneer de kracht wordt opgeheven. Merk op dat alle waarden van de Young-modulus zijn afgeleid van het elastische bereik van het belaste gedrag van de materialen. Sommige materialen hebben geen elastisch bereik, andere gaan zeer snel van elastisch naar plastisch of bros gedrag, terwijl andere een duidelijk gedefinieerd elastisch bereik hebben voordat een intern proces van atomaire verplaatsing een plastische fase begint. Voorbeelden van Young-moduluswaarden (in gigapascal, GPa) zijn:ABS (1,4–3,1 GPa), aluminium (69 GPa) en nylon (2–4 GPa).

Concreet is de Young-modulus een maatstaf voor de elasticiteit van draden/strengen. Het is moeilijk om waarden voor grotere of complexere doorsneden te vergelijken of zelfs te ontwikkelen. Maar het is een uitstekend hulpmiddel voor de relatieve analyse van eenvoudige materiaalmonsters, waardoor een nauwkeurige analyse mogelijk is van bijvoorbeeld de effecten van verwerkingsmethoden, legeringsmiddelen en warmtebehandelingen. Dit artikel zal ontdekken:Wat is de modulus van Young precies? Het zal ook definiëren hoe de modulus wordt berekend en enkele voorbeelden geven.

Wat is de Young-modulus?

De Young-modulus is een maatstaf voor de kracht per eenheid verlenging, rekening houdend met het dwarsdoorsnedeoppervlak. Deze meting is een systematische manier om het elastische gedrag van welk materiaal dan ook te definiëren, waardoor vergelijkingen tussen verschillende materiaaltypen/families mogelijk zijn.

Wat is de SI-eenheid van de Young-modulus?

In SI-vorm wordt de Young-modulus gemeten met behulp van de pascal (Pa), of gebruikelijker de gigapascal (GPa). Het is ook de standaardeenheid voor druk.

Wat is een voorbeeld van de Young-modulus?

Een klassiek voorbeeld van het gebruik van de Young-modulus is het berekenen van de veilige werklimieten van kabels die worden gebruikt in kranen, kabelbanen en skiliften. Een goed begrip van het effect van belasting op dergelijke kabels is belangrijk om ze veilig te kunnen bedienen. Ervoor zorgen dat de veilige belastingen nooit de elastische limietcapaciteit van de kabels overschrijden, is een kritische ontwerp-/operationele parameter, meestal met een FoS (Factor of Safety) die wordt gedefinieerd door strikte risicobeoordelingen en die tussen 1,5 en 10 kan liggen.

Wat zijn de Young-moduluswaarden?

De moduluswaarden van Young bestrijken een enorm bereik, maar bieden nog steeds een veelgebruikte maatstaf voor het elastische vermogen van veel materialen. De laagste waarden van de Young-modulus gelden voor materialen zoals natuurlijk rubber, namelijk 0,01–0,1 GPa, terwijl de hoogste waarden doorgaans gelden voor materialen van koolstofnanobuisjes (tot 1.000 GPa). Andere voorbeelden zijn voor obscure metalen (zoals iridium, 570 GPa) en voor zorgvuldig gelegeerde en warmtebehandelde staalsoorten die worden gebruikt bij de vervaardiging van veren (tot 220 GPa).

Hoe komen de waarden van Young's Modulus tot uiting?

De Young-modulus wordt uitgedrukt als druk. In het metrische systeem is dit in pascal of gigapascal (Pa of GPa). In Amerikaanse/imperiale eenheden wordt de druk uitgedrukt in ponden per vierkante inch (PSI)

Welk materiaal heeft de hoogste jonge modulus?

Er wordt aangenomen dat diamant de hoogste Young-modulus heeft, rond 1.210 GPa. Een materiaal dat in verschillende meteorieten wordt aangetroffen, is een koolstofallotroop zoals een diamant, maar in plaats van een kubusvormige structuur te hebben, is het gevormd uit een hexagonale koolstofmatrix. Dit materiaal, genaamd Lonsdaleite, komt nog niet voor in monsters die groot genoeg zijn om de Young-modulus te testen, maar het is bekend dat het harder en sterker is dan diamant.

Wat geeft de waarde van een grote Young-modulus aan?

Een hoge Young-moduluswaarde geeft de hoge stijfheid van een materiaal aan en de weerstand tegen (elastische) vervorming onder belasting. Een hoge waarde van de Young-modulus wijst op een materiaal dat niet gemakkelijk uitrekt.

Wat geeft de waarde van een kleine Young-modulus aan?

Een lage Young-moduluswaarde duidt op een materiaal dat grote (elastische) vervorming ondergaat onder een relatief lage belasting. Dergelijke materialen rekken gemakkelijk uit. Natuurlijke rubbers rekken heel gemakkelijk uit, wat wordt bevestigd door een lage Young-moduluswaarde. Sommige siliconenrubbers hebben bijna onmeetbaar lage Young-moduluswaarden, omdat ze uitrekken onder hun eigen gewicht.

Wat is het Young's Modulus-symbool?

De modulus van Young wordt uitgedrukt als een hoofdletter E (Epsilon) of, minder gebruikelijk, Y (Young).

Hoe wordt de Young-modulus bepaald?

De Young-modulus wordt bepaald door een draad/draad/streng met een uniforme dwarsdoorsnede aan een sterk punt op te hangen en het onderste uiteinde met voldoende gewicht te belasten om het net recht te trekken. Vervolgens worden gewichten toegevoegd en worden de verlengingsmetingen uitgevoerd. Het is belangrijk om te valideren dat de elastische limiet van het materiaal niet wordt overschreden, anders bevatten de cijfers enige plastische vervorming en zijn ze ongeldig als informatieve test.

Uit de waarden van belasting, uitzetting en dwarsdoorsnedeoppervlak kunnen twee waarden worden berekend:

• Spanning, σ, wordt gedefinieerd als de kracht per oppervlakte-eenheid. Dit wordt berekend door twee belastingswaarden toe te passen om de te testen streng te spannen en de Δ-belasting (de toename van de belasting) te delen door het dwarsdoorsnedeoppervlak van de streng: