27.2 : Dehnungs-Energie-Dichte

Das Verständnis der Dehnungsenergiedichte in Materialien unter axialer Belastung ist für die Bewertung ihres mechanischen Verhaltens und ihrer Haltbarkeit von entscheidender Bedeutung. Wenn ein Stab einer solchen Belastung ausgesetzt wird, dehnt er sich aus und speichert Energie, die sogenannte Dehnungsenergie, als potentielle Energie im Material. Diese Energie wird als Energie pro Volumeneinheit gemessen.

Im elastischen Bereich eines Materials ist der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung linear und folgt dem Hookeschen Gesetz. Die Dehnungsenergiedichte in diesem Bereich wird aus der Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve bis zur Elastizitätsgrenze berechnet. Diese gespeicherte Energie ist rückgewinnbar und wird als Elastizitätsmodul bezeichnet. Sie gibt an, wie viel Energie das Material aufnehmen kann und beim Entladen dennoch in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

Jenseits der Elastizitätsgrenze verhält sich das Material plastisch und verformt sich dauerhaft. In diesem plastischen Bereich ist beim Entladen nur ein Teil der gespeicherten Energie rückgewinnbar; Der Rest geht als Wärme verloren oder wird zur bleibenden Verformung genutzt. Die Gesamtenergie, die ein Material absorbieren kann, bevor es reißt, wird anhand des Zähigkeitsmoduls gemessen.

Dieser Wert ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, die eine hohe Schlagfestigkeit oder Duktilität erfordern, und hilft bei der Auswahl von Materialien für bestimmte Anwendungen und beim Entwurf von Strukturen, die mechanischen Belastungen standhalten.