Materiały elastyczne: typy, charakterystyka i przykłady

Materiały elastyczne to materiały, które mają zdolność do przeciwstawiania się zniekształcającemu lub zniekształcającemu wpływowi lub sile, a następnie powracają do swojego pierwotnego kształtu i rozmiaru, gdy ta sama siła jest usuwana.

Elastyczność liniowa jest szeroko stosowana w projektowaniu i analizowaniu struktur, takich jak belki, płyty i arkusze.

Elastyczne materiały mają ogromne znaczenie dla społeczeństwa, ponieważ wiele z nich jest używanych do produkcji odzieży, opon, części samochodowych itp.

Charakterystyka materiałów elastycznych

Gdy elastyczny materiał jest odkształcany siłą zewnętrzną, doświadcza wewnętrznej odporności na odkształcenie i przywraca go do pierwotnego stanu, jeśli siła zewnętrzna nie jest już stosowana.

Do pewnego stopnia większość materiałów stałych wykazuje zachowanie sprężyste, ale istnieje ograniczenie wielkości siły i towarzyszącego jej odkształcenia w ramach tego sprężystego powrotu.

Materiał jest uważany za elastyczny, jeśli można go rozciągnąć do 300% jego oryginalnej długości.

Z tego powodu istnieje granica sprężystości, która jest największą wytrzymałością lub naprężeniem na jednostkę powierzchni materiału stałego, który może wytrzymać trwałe odkształcenie.

Dla tych materiałów granica elastyczności oznacza koniec jej elastycznego zachowania i początek jej plastycznego zachowania. W przypadku słabszych materiałów stres lub nacisk na ich granicę plastyczności powoduje ich pękanie.

Granica plastyczności zależy od rodzaju rozważanego ciała stałego. Na przykład metalowy pręt można rozciągnąć elastycznie do 1% jego pierwotnej długości.

Fragmenty niektórych gumowatych materiałów mogą jednak ulec rozszerzeniu do 1000%. Elastyczne właściwości większości ciał stałych intencji mają tendencję do spadania między tymi dwoma skrajnościami.

Być może jesteś zainteresowany Jak jest syntetyzowany materiał rozciągliwy?

Rodzaje materiałów elastycznych

Modele materiałów elastycznych Cauchy

W fizyce materiał elastyczny Cauchy'ego to taki, w którym naprężenie / naprężenie każdego punktu jest określone tylko przez bieżący stan odkształcenia w odniesieniu do dowolnej konfiguracji odniesienia. Ten rodzaj materiału nazywany jest również prostym materiałem elastycznym.

Zaczynając od tej definicji, napięcie prostego materiału elastycznego nie zależy od ścieżki odkształcenia, historii odkształcenia ani czasu potrzebnego do osiągnięcia tej deformacji.

Ta definicja oznacza również, że równania konstytutywne są przestrzennie lokalne. Oznacza to, że na stres wpływa tylko stan odkształceń w sąsiedztwie w pobliżu danego punktu.

Oznacza to również, że siła ciała (np. Grawitacja) i siły bezwładności nie mogą wpływać na właściwości materiału.

Proste elastyczne materiały są matematycznymi abstrakcjami i żaden prawdziwy materiał nie pasuje idealnie do tej definicji.

Jednak wiele elastycznych materiałów o znaczeniu praktycznym, takich jak żelazo, plastik, drewno i beton, można założyć jako proste materiały elastyczne do celów analizy naprężeń.

Chociaż napięcie prostych materiałów elastycznych zależy tylko od stanu odkształcenia, praca wykonana przez naprężenie / naprężenie może zależeć od ścieżki odkształcenia.

Dlatego prosty elastyczny materiał ma niekonserwatywną strukturę, a napięcia nie można wyprowadzić ze skalowanej funkcji potencjału sprężystego. W tym sensie materiały konserwatywne nazywane są hiperelastycznymi.

Materiały hipoelastyczne

Te elastyczne materiały to takie, które mają konstytutywne równanie niezależne od skończonych pomiarów naprężeń, z wyjątkiem przypadku liniowego.

Hipoelastyczne modele materiałów różnią się od modeli materiałów hiperelastycznych lub prostych materiałów elastycznych, ponieważ, z wyjątkiem szczególnych okoliczności, nie mogą być wyprowadzone z funkcji gęstości energii odkształcenia (FDED).

Materiał hipoelastyczny można rygorystycznie zdefiniować jako materiał modelowany za pomocą równania konstytutywnego, które spełnia te dwa kryteria:

Napięcie tensorowe ō w czasie t zależy tylko od kolejności, w jakiej ciało zajęło swoje poprzednie konfiguracje, ale nie w czasie, w którym te przeszłe konfiguracje zostały pokonane.

W szczególnym przypadku kryterium to obejmuje prosty materiał elastyczny, w którym obecne napięcie zależy tylko od bieżącej konfiguracji, a nie od historii poprzednich konfiguracji.

Istnieje funkcja tensorowa z wartością G, tak że ō = G ( ō, L ), gdzie ō jest rozpiętością tensora napięcia materialnego, a L jest tensorem gradientu prędkości przestrzennej.

Materiały hiperelastyczne

Materiały te nazywane są również zielonymi elastycznymi materiałami. Są one rodzajem konstytutywnego równania dla idealnie elastycznych materiałów, dla których zależność między naprężeniem pochodzi od funkcji gęstości energii odkształcenia. Materiały te są specjalnym przypadkiem prostych materiałów elastycznych.

W przypadku wielu materiałów liniowe modele elastyczne nie opisują prawidłowo obserwowanego zachowania materiału.

Hiperrelastyczność umożliwia modelowanie zachowania naprężenia-odkształcenia tych materiałów.

Zachowanie pustych i wulkanizowanych elastomerów często składa się na ideał hiperelastyczny. Pełne elastomery, pianki polimerowe i tkanki biologiczne są również modelowane z myślą o hiperelastycznej idealizacji.

Modele materiałów hiperelastycznych są regularnie używane do reprezentowania zachowania dużych deformacji w materiałach.

Są one zwykle używane do modelowania zachowania mechanicznego oraz pustych i pełnych elastomerów.