Böjmodul är ett mått på hur ett visst material kommer att belastas och potentiellt till och med deformeras när vikt eller kraft appliceras på det. Detta är en viktig beräkning inom ingenjörs- och arkitektoniska områden, eftersom den talar om för byggare och designers den maximala vikt som olika material kan bära. Beräkningar formar ofta val som görs i byggnaden och designen av allt från skyskrapor och hem till industriella maskiner, bilar och grundläggande konsumentapparater. Som ett resultat spelar den en viktig roll inom civil-, mekanik- och rymdteknik och design, och används ofta för att välja rätt material för delar som ska bära laster utan att böjas eller deformeras.
Skillnader i material
I grundläggande termer beskriver beräkningen förmågan hos ett material med ett specifikt tvärsnitt att motstå böjning när det utsätts för påkänning. Antalet varierar dock nödvändigtvis beroende på vilken typ av material det handlar om. Även ytor och strukturer som ser jämförbara ut kan ha olika kapacitet när det kommer till viktbärande förmåga.
Duktila material som stål och mässing, som kan deformeras mycket innan de går sönder, har till exempel en väldefinierad modulrankning. Sköra material som glas och betong har vanligtvis liten eller ingen plastisk deformation innan de går sönder. Av denna anledning har många spröda material inte ett klart definierat mått, och de beskrivs ofta av deras böjhållfasthet – vilket är den maximala mängden böjspänning som kan appliceras innan brott eller brott i materialet inträffar.
Förhållandet mellan stress och belastning
Termen används för att definiera förhållandet mellan en böjspänning och den resulterande töjningen. Töjning är ett mått på hur mycket ett material kommer att deformeras när en spänning appliceras. Elastisk töjning är reversibel och kommer att försvinna efter att spänningen har tagits bort, vilket innebär att materialet återgår till sitt ursprungliga tillstånd. Vid höga belastningsnivåer kommer emellertid ett material att deformeras permanent och kommer vanligtvis inte att återgå till sina ursprungliga dimensioner. Detta kallas ”plastisk stam” eller ”avkastande”.
Rita kurvan
Ingenjörer och arkitekter ritar vanligtvis ut modulen på en graf som kan fungera som en visuell representation av samspelet mellan stress och belastning. Resultatet är vanligtvis känt som en ”spännings-töjningskurva”, och det visar hur töjningen förändras med applicerad böjspänning. Lutningen av denna kurva i området där elastisk töjning uppträder definierar materialets böjmodul. Måttenheterna är, i de flesta fall, pund per kvadrattum (psi) eller Newton per kvadratmeter, kanske mer känt som pascal (Pa).
Laboratorietester
Att faktiskt få en exakt mätning av böjmodulen kan vara något komplicerat, men bestäms nästan alltid genom en serie intensiva laboratorietester. I de flesta fall börjar ingenjörer med ett prov av målmaterialet med en specifik form och kända dimensioner. ”Böjningstestet” är i huvudsak ett mått på den kraft som krävs för att böja ett prov, ofta känt som en ”balk”, som har definierade dimensioner. Tekniker applicerar vanligtvis kraft på tre punkter: balken stöds vanligtvis på undersidan nära båda ändarna och en kraft appliceras på toppen vid mittpunkten, mellan bottenstöden. Detta är känt som trepunktsladdningsförhållanden. När kraften väl har matats in, mäts och registreras eventuell avböjning eller rörelse av strålen och analyseras sedan.
Böjmodulen har bestämts för en mängd olika konstruktionsmaterial, inklusive metaller, trä, glas, betong och plast. Det mäts vanligtvis vid omgivningstemperatur. Egenskaperna hos vissa material, som många plaster, kommer att förändras med temperaturen. Böjtestet utförs ibland vid lägre eller högre temperaturer för att simulera den avsedda slutanvändningsmiljön; denna typ av kunskap är verkligen viktig för människor som bygger på hög höjd eller under extrema klimatförhållanden, särskilt i arktiska zoner eller nära ekvatorn.