Materiellstivhet

Materiellstivhet er et begrep innen materialvitenskap og ingeniørfag som beskriver hvor motstandsdyktig et materiale er mot elastisk deformasjon under påkjenning. En stiv sammenstilling deformerer seg lite ved en gitt belastning, mens en mykere komponent lar seg deformere mer. Stivhet er ikke identisk med styrke eller hardhet, men henger sammen med elastisitetsrespons og geometriske dimensjoner.

Ved ensrettet last er forholdet mellom stress og strain i det elastiske området gitt av sigma = E·epsilon, der E er Youngs modulus, også kalt elastisitetsmodulen. E gir et mål på stivheten: høy E betyr stivere materiale. Den mekaniske stivheten til en bjelke eller stav med tverrsnitt A og lengde L er k = (E·A)/L, noe som viser at både materiale og geometrisk konfigurasjon bestemmer motstanden mot deformasjon.

Stivhet varierer med retning i anisotrope materialer. I kompositter og krystallinske materialer kan stivheten være retningavhengig og avhenge av fiberretning eller gitterorientering. Temperatur, lastfrekvens og mikrostruktur (kornstørrelse, faseinnhold) påvirker også stivheten.

Måling skjer ofte ved elastiske tester og dynamisk mekanisk analyse. Enheten for stivhet er Pascal (Pa), men i praksis brukes ofte gigapascal (GPa) for strukturelle materialer. Når man vurderer stivhet i design, må både materialvalg og geometri tas i betraktning, fordi en todelt løsning kan ha vedvarende høy stivhet under drift.

Eksempler på stivhet: stål har omtrent 200 GPa, keramiske materialer 300–400 GPa, aluminium rundt 70 GPa. Karbonfiberkompositter kan være 70–200 GPa langs fiberretningen.