Der Modul zählt. Steife Strukturen. Durchbiegung im Griff.
Werkstoffwahl nach Steifigkeit: Steifigkeit ist Modul mal Flächenträgheitsmoment. Ein hoher Modul erlaubt schlankere, steife Strukturen.
Werkstoffauswahl nach Steifigkeit
Das ist zweierlei. Der Modul steht für Steifigkeit, also Durchbiegung. Die Festigkeit für die Bruchlast. Ein steifer Werkstoff muss nicht der festeste sein.
Grundprinzipien.
Der höchste unter den gängigen
Kohlenstoffstahl hat unter den gängigen Metallen den höchsten Modul. In vielen Konstruktionen ist er je Masse der steifste.
Leicht, weniger steif
35 % des Stahlmoduls. Für dieselbe Steifigkeit braucht es größere Querschnitte.
Mittlerer Modul
55 % des Stahlmoduls. Mitunter besser in der Steifigkeit je Masse als Aluminium.
Leicht, niedriger Modul
Das leichteste Metall, aber mit niedrigem Modul. Es verlangt voluminöse Querschnitte.
E von 70 bis 700 GPa
Die Steifigkeit eines Verbunds schwankt je nach Faserrichtung enorm. Unidirektionales Kohlefasermaterial ist extrem steif.
E von 1 bis 12 GPa
Kunststoffe sind 50- bis 200-mal weniger steif als Stahl. Es braucht größere Querschnitte.
E von 8 bis 15 GPa
Glasfasern heben den Modul des Kunststoffs um das 3- bis 5-Fache. Besser als ungefüllt.
E von 200 bis 500 GPa
Keramiken sind sehr steif, aber spröde. Für Sonderanwendungen.
E von 20 bis 30 GPa
Baustoff. Ein anderes Anwendungsfeld.
Häufige Fragen
Das ist zweierlei. Der Modul steht für Steifigkeit, also Durchbiegung. Die Festigkeit für die Bruchlast. Ein steifer Werkstoff muss nicht der festeste sein.
Der spezifische Modul ist E/ρ. Aluminium und Stahl liegen dabei nah beieinander, Kohlefaserverbund weit darüber.
Am Kragarm gilt δ = FL³ / (3EI). Die Steifigkeit hängt von E ab, dem Werkstoff, und von I, der Geometrie, die mit der dritten Potenz des Maßes eingeht.
Oft ja. Verdoppelt man das Querschnittsmaß, verachtfacht sich die Steifigkeit. Der Doppel-T-Träger erreicht mit weniger Material viel Steifigkeit.
Luftfahrt, Rennsport, Hochleistungsfahrräder. Teuer, aber in der Steifigkeit je Masse unerreicht.
Im Ashby-Diagramm trägt man E über ρ auf. Auf der Pareto-Front der Steifigkeit je Masse stehen Verbundwerkstoffe und einige Metalle.
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