Модуль юнга сталь 10
Обновлено: 17.05.2024
Сталь 10 – углеродистая конструкционная сталь, отличающаяся умеренной прочностью, хорошими показателями пластичности, ударной вязкости, отличной свариваемостью и высокими эксплуатационными характеристиками в нормальных условиях. Применяется в строительстве, при изготовлении деталей холодной штамповкой, при производстве труб.
Расшифровка стали 10
- Слово «сталь» означает, что марка является качественной. Качество стали определяется по процентному содержанию вредных примесей - фосфора и серы, чем ниже процент, тем выше качество. Различают стали обыкновенного качества (ст), качественные (сталь), высококачественные (А) и особо высококачественные (Ш).
- 10 – это процентное содержание углерода в сотых долях. В стали 10 содержится 0.1% углерода. Углерод в значимых концентрациях меняет свойства сплава, придает прочность и твердость, но снижает пластичность и ударную вязкость. Углеродистые стали неустойчивы к коррозии, не применяются в агрессивных средах, но хорошо подходят для производства изделий массового назначения из-за низкой стоимость и простоты производственного процесса.
- Сп – означает степень раскисления – спокойная. Если в маркировке степень раскисления не указана, как в случае со сталью 10, значит это спокойная сталь. Раскисление, это процесс удаления из сплава примесей, в первую очередь кислорода и азота, чтобы снизить образование пузырьков и газовых раковин при затвердевании сплава на последних этапах производства. По степени раскисления сталь бывает спокойной (сп), полуспокойной (пс) и кипящей (кп). Кипящая содержит больше всего примесей, ее структура пориста и неоднородна. Спокойная максимально очищена от примесей и однородна. Полуспокойная занимает промежуточное положение.
Состав стали не ограничивается элементами, указанными в марке. Маркировка перечисляет только те добавки, которые содержатся в значимых количествах и влияют на свойства сплава.
Назначение
Сталь 10 – углеродистая, качественная, конструкционная сталь – данные определения указывают на ее назначение.
Углеродистая – означает нелегированная, с минимальным количеством добавок в составе. Недостатком таких сталей является подверженность коррозии и нежелательность эксплуатации при очень высоких или очень низких температурах. К достоинствам можно отнести простоту изготовления, низкую стоимость, обусловленную отсутствием в составе дорогих добавок, высокие эксплуатационные характеристики в нормальных условиях. Это лучшая сталь для изделий массового назначения – конструкций, труб, крепежей, арматуры, ограждений, обшивок, балок, швеллеров и т.д.
Конструкционная – означает, что сталь предназначена для изготовления конструкций (сварных и несварных) и деталей механизмов. Такие сталь пользуются большой популярностью в машиностроении и строительстве. В зависимости от их характеристик, из них изготавливают жесткие несущие конструкции, каркасы, фермы, ответственные и неответственные детали, крепежи, арматуру и т.д.
Применение
Листовой прокат стали 10 используют для холодной штамповки деталей, соотношение прочность/пластичность делают его наиболее подходящим для этого способа обработки. Из стали 10 делают детали, к которым предъявляются требования высокой пластичности и износостойкости. Сталь 10 – улучшаемый сплав, детали могут подвергаться химико-термической обработке для улучшения эксплуатационных характеристик. Популярны горячедеформированные, холоднодеформированные, сварные трубы из стали 10, а также элементы котлов, теплоэлектростанций, гидравлических систем.
Применение стали 10 для трубопроводов в зависимости от параметров транспортируемой среды (ГОСТ 32569-2013)
Марка
стали,
класс
прочности,
стандарт
или ТУ
Технические
требования
на трубы
(стандарт или ТУ)
Номинальный
диаметр, мм
Виды
испытаний
и требований
(стандарт или ТУ)
Транспортируемая
среда (см. ГОСТ
32569-2013
обозначения
таблицы 5.1)
Расчетные
параметры
трубопровода
Максимальное
давление,
МПа
Максимальная
температура,
°С
Толщина
стенки
трубы, мм
Минимальная
температура в
зависимости от
толщины стенки
трубы при
наряжении в
стенке от
внутреннего
давления [σ], °C
Сталь 10 конструкционная углеродистая качественная
Цифра 10 обозначает, что среднее содержание углерода в стали составляет 0,10%.
Вид поставки
- Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1050-88, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88, ГОСТ 8509-93, ГОСТ 8510-86, ГОСТ 8240-89, ГОСТ 8239-89.
- Калиброванный пруток ГОСТ 10702-78, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78.
- Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 10702-78, ГОСТ 14955-77.
- Лист толстый ГОСТ 1577-93, ГОСТ 19903-74.
- Лист тонкий ГОСТ 16523-89.
- Лента ГОСТ 6009-74. ГОСТ 10234-77.
- Полоса ГОСТ 1577-93, ГОСТ 103-76, ГОСТ 82-70.
- Проволока ГОСТ 17305-91, ГОСТ 5663-79.
- Трубы ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8733-74, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 10705-80, ГОСТ 10704-91, ГОСТ 1060-83, ГОСТ 5654-76, ГОСТ 550-75.
Характеристики и описание
Сталь 10 относится к конструкционным малоуглеродистым нелегированным качественным сталям и характеризуется высокими пластическими свойствами и применяется преимущественно для изготовления изделий холодной штамповкой, высадкой и волочением.
Для повышения прочности и улучшения обрабатываемости низкоуглеродистая сталь марок 10 подвергается нормализации с температуры 930-950° С.
Назначение
Детали, работающие при температуре от -40 до 450 °С, к которым предъявляются требования высокой пластичности. После ХТО — детали с высокой поверхностной твердостью при невысокой прочности сердцевины.
Температура критических точек, °С
Химический состав, % (ГОСТ 1050-88)
| C | Si | Mn | Cr | S | Р | Cu | Ni | As |
| не более | ||||||||
| 0,07-0,14 | 0,17-0,37 | 0,35-0,65 | 0,15 | 0,04 | 0,035 | 0,25 | 0,25 | 0,08 |
Химический состав, % (ГОСТ 1050-2013)
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | |
| не более | ||||||||
| 10 | 0,07-0,14 | 0,17-0,37 | 0,35-0,65 | 0,030 | 0,035 | 0,15 | 0,30 | 0,30 |
Износостойкость цементованной стали 10
| Характеристика термической обработки | Твердость по Виккерсу HV | Износ, мг | |
| образца | бронзового вкладыша | ||
| Цементация на глубину 1,5 мм, закалка при 780°С, отпуск при 170°С | 782 | 4,0 | 3,0 |
Механические свойства
Механические свойства при повышенных температурах
| tисп., °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 |
| 20 | 260 | 420 | 32 | 69 | 221 |
| 200 | 220 | 485 | 20 | 55 | 176 |
| 300 | 175 | 515 | 23 | 55 | 142 |
| 400 | 170 | 355 | 24 | 70 | 98 |
| 500 | 160 | 255 | 19 | 63 | 78 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Нормализация при 900-920 °С, охл. на воздухе.
Предел выносливости
ПРИМЕЧАНИЕ. σ 400 1/1000 = 108 МПа, σ 400 1/100000 = 78 МПа, σ 450 1/10000 = 69 МПа, σ 450 1/100000 = 44 МПа
Ударная вязкость KCU
ПРИМЕЧАНИЕ. Пруток диаметром 35 мм.
Технологические свойства
Температура ковки, °С: начала 1300, конца 700. Охлаждение на воздухе.
Свариваемость — сваривается без ограничений, кроме деталей после химикотермической обработки. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС.
Обрабатываемость резанием — Kv тв.спл = 2,1 и Kv б.ст. = 1,6 в горячекатаном состоянии при НВ 99-107 и σв = 450 МПа.
Флокеночувствительность — не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости — не склонна.
Сталь 10Г2 конструкционная легированная
Марганцевая цементуемая сталь марки 10Г2 высокой пластичности применяется для изготовления из труб, листа, проката и поковок различных деталей машиностроения, а также деталей и элементов сварных конструкций в состоянии поставки или после нормализации.
Сталь хорошо деформируется в холодном и горяем состояниях, обладает отличной свариваемостью; склонна к отпускной хрупкости.
Сталь 10Г2 применяется для изготовления:
- Патрубков,
- змеевиков,
- трубных пучков,
- крепежных деталей,
- фланцев,
- трубных решеток,
- штуцеров,
- других деталей, работающих при температурах до -70°C под давлением в нефтеперерабатывающей промышленности, а также сварные (толщиной менее 4 мм) и штампованные детали.
Температура критических точек, °С [1]
Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)
| C | Mn | Si | P | S | Cu | Ni | Cr |
| не более | |||||||
| 0,07-0,15 | 0,17-0,37 | 1,2-1,6 | 0,035 | 0,035 | 0,30 | 0,30 | 0,30 |
Условия применения стали 10Г2 для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора, изготовленных из проката, поковок (штамповок) (ГОСТ 33260-2015)
| Материал | НД на поставку | Температура рабочей среды (стенки), °C | Дополнительные указания по применению | |
| Наименование | Марка | |||
| Сталь легированная конструкционная | 10Г2 ГОСТ 4543 | Поковки ГОСТ 8479 | От -70 до 475 | Для сварных узлов арматуры, эксплуатируемой в макроклиматическом районе с холодным климатом, с обязательным испытанием на ударный изгиб при температуре ниже минус 50°C до минус 70°C, при этом KCU ≥ 300 кДж/м 2 (3,0 кгс*м/см 2 ) или KCV ≥ 250 кДж/м 2 (2,5 кгс*м/см 2 ) |
| Сортовой прокат ГОСТ 4543 | ||||
| Трубы ГОСТ 550 гр.А и В, ГОСТ 8733 гр.В, ГОСТ 8731 гр.В | Для труб ГОСТ 550 дополнительное испытание при температуре ниже минус 50°C до минус 70°C при толщине стенки более 12 мм, при этом KCU ≥ 300 кДж/м 2 (3,0 кгс*м/см 2 ) или KCV ≥ 250 кДж/м 2 (2,5 кгс*м/см 2 ) | |||
Условия применения стали 10Г2 для крепежных деталей арматуры (ГОСТ 33260-2015)
| Марка материала | Стандарт или технические условия на материал | Параметры применения | |||||
| Болты, шпильки, винты | Гайки | Плоские шайбы | |||||
| Температура среды, °C | Давление номинальное Pn, МПа(кгс/см 2 ) | Температура среды, °C | Давление номинальное Pn, МПа(кгс/см 2 ) | Температура среды, °C | Давление номинальное Pn, МПа(кгс/см 2 ) | ||
| 10Г2 | ГОСТ 4543 | От -70 до 425 | 20 (200) | От -70 до 425 | 20 (200) | От -70 до 425 | Не регламен- тируется |
Максимально допустимые температуры применения стали 10Г2 в средах, содержащих аммиак (ГОСТ 33260-2015)
ПРИМЕЧАНИЕ. Условия применения установлены для скорости коррозии азотного слоя не более 0,5 мм/год.
Максимально допустимая температура применения сталей в водородосодержащих средах (ГОСТ 33260-2015)
| Марка стали | Температура, °C, при парциальном давлении водорода, PH2, МПа (кгс/см 2 ) | ||||||
| 1,5(15) | 2,5(25) | 5(50) | 10(100) | 20(200) | 30(300) | 40(400) | |
| 10Г2 | 290 | 280 | 260 | 230 | 210 | 200 | 190 |
- Параметры применения стали 10Г2, указанные в таблице, относятся также к сварным соединениям.
- Парциальное давление водорода рассчитывается по формуле:
PH2 = (C*Pp)/100, где
C — процентное содержание H2 в системе;
PH2— парциальное давление H2;
Pp— рабочее давление в системе.Б.
Механические свойства термически обработанной цементуемой легированной стали 10Г2 [2]
Влияние температуры испытания на механические свойства легированной цементуемой стали 10Г2 [2]
| Марка стали | Режим термическое обработки | Температура испытания, °C | σТ кгс/мм 2 | σв кгс/мм 2 | δ5, % | ψ, % | aH, кгс*м/см 2 |
| 10Г2 | Нормализация при 900 °C | 20 | 28 | 47 | 31 | — | — |
| 400 | 23 | 40 | 27 | — | — | ||
| 450 | 20 | 36 | 30 | — | — | ||
| 500 | 18 | 30 | — | — | — | ||
| 600 | 12 | 16 | 36 | — | — |
Влияние температуры отпуска на механические свойства легированной цементуемой стали 10Г2 [2]
| Марка стали | Режим термической стали обработки | Температура отпуска, °C | σТ кгс/мм 2 | σв кгс/мм 2 | δ5, % | ψ, % | aH, кгс*м/см 2 | Твердость HB (HRC) |
| 10Г2 | Закалка c 820°C в воде | 300 | — | 113 | 4 | 50 | — | 300 |
| 400 | 96 | 100 | 5 | 52 | — | 266 | ||
| 500 | 83 | 87 | 9 | 55 | — | 230 | ||
| 600 | 66 | 71 | 12 | 63 | — | 206 | ||
| 700 | 44 | 60 | 20 | 61 | — | 164 | ||
| Закалка c 850°C в воде | 300 | — | 95 | 7 | 52 | — | 295 | |
| 400 | 88 | 92 | 6 | 55 | — | 282 | ||
| 500 | 84 | 82 | 11 | 60 | — | 215 | ||
| 600 | 61 | 68 | 11 | 60 | — | 215 | ||
| 700 | 42 | 60 | 22 | 69 | — | 170 | ||
| Закалка c 880°C в воде | 300 | 113 | 115 | 4 | 53 | — | 314 | |
| 400 | 97 | 101 | 6 | 56 | — | 252 | ||
| 500 | 81 | 87 | 13 | 58 | — | 246 | ||
| 600 | 67 | 73 | — | 63 | — | 193 | ||
| 700 | 44 | 59 | 22 | 69 | — | 170 | ||
| Закалка c 820°C в воде | 300 | 77 | 88 | 4 | 59 | — | 217 | |
| 400 | 57 | 74 | 5 | 61 | — | 200 | ||
| 500 | 69 | 76 | 10 | 59 | — | 186 | ||
| 600 | 58 | 66 | 12 | 63 | — | 170 | ||
| 700 | 41 | 56 | 20 | 68 | — | 160 | ||
| Закалка c 850°C в воде | 300 | 85 | 91 | 5 | 51 | — | 292 | |
| 400 | 81 | 83 | 7 | 61 | — | 252 | ||
| 500 | 67 | 77 | 14 | 59 | — | 230 | ||
| 600 | 62 | 69 | 19 | 62 | — | 183 | ||
| 700 | 43 | 55 | 22 | 72 | — | 162 | ||
| Закалка c 880°C в воде | 300 | 93 | 100 | 6 | 54 | — | 229 | |
| 400 | 92 | 95 | 8 | 56 | — | 229 | ||
| 500 | 76 | 82 | 11 | 62 | — | 200 | ||
| 600 | 61 | 71 | 20 | 68 | — | 180 | ||
| 700 | 43 | 58 | 22 | 65 | — | 167 |
Влияние термической обработки на предел выносливости легированной цементуемой стали 10Г2 [2]
| Марка стали | Режим термической обработки | σ-1кгс/мм 2 | σвкгс/мм 2 |
| 10Г2 | Нормализация при 880°C | 29 | 60 |
| ГОСТ | Состояние поставки | Сечение, мм | КП | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость НВ, не более |
| не менее | |||||||||
| ГОСТ 4543-71 | Пруток. Нормализация при 920 °С | 25 | — | 245 | 420 | 22 | 50 | — | — |
| ГОСТ 3479-70 | Поковка. Нормализация | До 100 | 215 | 215 | 430 | 24 | 53 | 54 | 123-167 |
| 100-300 | 430 | 20 | 48 | 49 | |||||
| 300-500 | 430 | 18 | 40 | 44 | |||||
| ГОСТ 8731-74 | Труба бесшовная горячедеформированная термообработанная | — | — | 265 | 470 | 21 | — | — | 197 |
| ГОСТ 8733-74 | Труба бесшовная холодно- и теплодеформированная термообработанная | — | — | 245 | 420 | 22 | — | — | 197 |
Механические свойства при повышенных температурах [2]
| tисп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ, % |
| 20 | 265 | 460 | 31 |
| 400 | 225 | 390 | 27 |
| 500 | 175 | 295 | — |
| 600 | 115 | 160 | 36 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Нормализация при 900 °С, охл. на воздухе.
Ударная вязкость KCU [3]
| Термообработка | KCU, Дж/см 2 , при температуре, °С | ||
| +20 | -40 | -70 | |
| Лист толщиной 10 мм: | |||
| в состоянии поставки | 86-98 | 70-88 | 41-50 |
| отжиг при 900 °С | 280 | 153 | 117 |
| нормализация при 900 °С | 364 | 276 | 185 |
| закалка с 900 °С; отпуск при 500°С | 321 | 304 | 211 |
ПРИМЕЧАНИЕ. σ 425 1/10000 = 137 МПа; σ 485 1/10000 = 69 МПа; σ 550 1/10000 = 26 МПа.
Модуль упругости стали
При проектировании стальных изделий или элементов конструкций учитывают способность сплава выдерживать разнонаправленные виды нагрузок: ударные, изгибающие, растягивающие, сжимающие. Значение модуля упругости стали, наряду с твердостью и другими характеристиками, показывает стойкость к этим воздействиям.
Например, в железобетонном строительстве используют продольные и поперечные арматурные стержни. В горизонтальной плоскости они подвержены растяжению, а в вертикальной — давлению всей массы конструкции. В местах концентрации напряжений: углы, технологические проемы, лифтовые шахты и лестничные пролеты — размещают большее количество арматуры. Способность бетона впитывать воду служит причиной постоянных изменений сжимающих и растягивающих нагрузок.
Рассмотрим другой пример. В военное время создавалось множество разработок в сфере авиации. Самыми частыми причинами катастроф были возгорания двигателей. Отрываясь от земли, самолет попадает в атмосферные слои с разреженным воздухом и его корпус расширяется, обратный процесс происходит при посадке. Кроме этого, на конструкцию воздействует сопротивление воздушных потоков, давление искривленных слоев воздуха и другие силы. Несмотря на прочность, существующие в то время сплавы не всегда были пригодны для изготовления ответственных деталей, в основном, это приводило к разрывам топливных баков.
В различных видах промышленности из стали изготавливают детали подвижных механизмов: пружины, рессоры. Марки, используемые для таких целей, не склонны к трещинообразованию при постоянно изменяющихся нагрузках.
Упругость твердых тел — это способность принимать исходную форму после прекращения деформирующих воздействий. Например, брусок пластилина обладает нулевой пружинистостью, а резиновые изделия можно сжимать и растягивать. При различных применениях сил к предметам и материалам, они деформируются. В зависимости от физических свойств тела или вещества, различают два вида деформации:
- Упругая — последствия исчезают по окончании действия внешних сил;
- Пластическая — необратимое изменение формы.
Модуль упругости — название нескольких физических величин, характеризующих склонность твердого тела деформироваться упруго.
Впервые понятие было введено Томасом Юнгом. Ученый подвешивал грузы к металлическим стержням и наблюдал за их удлинением. У части образцов длина увеличилась в два раза, другие — были разорваны в ходе эксперимента.
Сегодня определение объединяет ряд свойств физических тел:
Модуль Юнга: Вычисляется по формуле E= σ/ε, где σ — напряжение, равное силе, деленной на площадь ее приложения, а ε — упругая деформация, эквивалентная отношению удлинения образца с начала деформации и сжатию после ее прекращения.
Модуль сдвига (G или μ): способность сопротивляться деформации при сохранении объема, когда направление нагрузок производится по касательной. Например, при ударе по шляпке гвоздя, если он был произведен не под прямым углом, изделие искривляется. В сопромате величину используют для вычисления сдвигов и кручения.
Модуль объемной упругости или объемного сжатия (К): изменения, вызванные действием всестороннего напряжения, например, гидростатического давления.
Коэффициент Пуансона (Ⅴ или μ): отношение поперечного сжатия к продольному удлинению, вычисляется для образцов материалов. У абсолютно хрупких веществ он равен нулю.
Константа Ламе: энергия, провоцирующая возвращение в исходную форму, вычисляется через построение скалярных комбинаций.
Модуль упругости стали соотносится с рядом других физических величин. Например, при проведении эксперимента на растяжение, важно учитывать предел прочности, превышение которого оборачивается разрушением детали.
- Соотношение жесткости и пластичности;
- Ударная вязкость;
- Предел текучести;
- Относительное сжатие и растяжение (продольное и поперечное);
- Пределы прочности при ударных, динамических и др. нагрузках.
Применение ряда подходов обусловлено требованиями к механическим свойствам материалов в разных отраслях промышленности, строительства, приборостроения.
Модуль упругости разных марок стали
Наибольшей способностью противостоять деформации обладают рессорно-пружинистые стальные сплавы. Эти материалы характеризуются высоким пределом текучести. Величина показывает напряжение, при котором деформация растет без внешних воздействий, например при сгибании и скручивании.
Характеристики упругости стали зависят от легирующих элементов и строения кристаллической решетки. Углерод придает стальному сплаву твердость, однако в высоких концентрациях снижается пластичность и пружинистость. Основные легирующие добавки, повышающие упругие свойства: кремний, марганец, никель, вольфрам.
Нередко, нужных показателей можно достичь лишь с помощью специальных режимов термообработки. Таким образом все фрагменты детали будут иметь единые показатели текучести, а слабые участки будут исключены. В противном случае изделие может надломиться, лопнуть или растрескаться. Марки 60Г и 65Г обладают такими характеристиками, как сопротивление разрыву, вязкость, стойкость к износу, они применяются для изготовления промышленных пружин и музыкальных струн.
В металлургической промышленности создано несколько сотен марок стали с разными модулями упругости. В таблице приведены характеристики популярных сплавов.
Таблица модулей прочности марок стали
| Наименование стали | Модуль упругости Юнга, 10¹²·Па | Модуль сдвигаG, 10¹²·Па | Модуль объемной упругости, 10¹²·Па | Коэффициент Пуассона, 10¹²·Па |
| Сталь низкоуглеродистая | 165…180 | 87…91 | 45…49 | 154…168 |
| Сталь 3 | 179…189 | 93…102 | 49…52 | 164…172 |
| Сталь 30 | 194…205 | 105…108 | 72…77 | 182…184 |
| Сталь 45 | 211…223 | 115…130 | 76…81 | 192…197 |
| Сталь 40Х | 240…260 | 118…125 | 84…87 | 210…218 |
| 65Г | 235…275 | 112…124 | 81…85 | 208…214 |
| Х12МФ | 310…320 | 143…150 | 94…98 | 285…290 |
| 9ХС, ХВГ | 275…302 | 135…145 | 87…92 | 264…270 |
| 4Х5МФС | 305…315 | 147…160 | 96…100 | 291…295 |
| 3Х3М3Ф | 285…310 | 135…150 | 92…97 | 268…273 |
| Р6М5 | 305…320 | 147…151 | 98…102 | 294…300 |
| Р9 | 320…330 | 155…162 | 104…110 | 301…312 |
| Р18 | 325…340 | 140…149 | 105…108 | 308…318 |
| Р12МФ5 | 297…310 | 147…152 | 98…102 | 276…280 |
| У7, У8 | 302…315 | 154…160 | 100…106 | 286…294 |
| У9, У10 | 320…330 | 160…165 | 104…112 | 305…311 |
| У11 | 325…340 | 162…170 | 98…104 | 306…314 |
| У12, У13 | 310…315 | 155…160 | 99…106 | 298…304 |
Модуль упругости для металлов и сплавов
| Наименование материала | Значение модуля упругости, 10¹²·Па |
| Алюминий | 65—72 |
| Дюралюминий | 69—76 |
| Железо, содержание углерода менее 0,08 % | 165—186 |
| Латунь | 88—99 |
| Медь (Cu, 99 %) | 107—110 |
| Никель | 200—210 |
| Олово | 32—38 |
| Свинец | 14—19 |
| Серебро | 78—84 |
| Серый чугун | 110—130 |
| Сталь | 190—210 |
| Стекло | 65—72 |
| Титан | 112—120 |
| Хром | 300—310 |
Упругость сталей
| Наименование стали | Значение модуля упругости, 10¹²·Па |
| Сталь низкоуглеродистая | 165—180 |
| Сталь 3 | 179—189 |
| Сталь 30 | 194—205 |
| Сталь 45 | 211—223 |
| Сталь 40Х | 240—260 |
| 65Г | 235—275 |
| Х12МФ | 310—320 |
| 9ХС, ХВГ | 275—302 |
| 4Х5МФС | 305—315 |
| 3Х3М3Ф | 285—310 |
| Р6М5 | 305—320 |
| Р9 | 320—330 |
| Р18 | 325—340 |
| Р12МФ5 | 297—310 |
| У7, У8 | 302—315 |
| У9, У10 | 320—330 |
| У11 | 325—340 |
| У12, У13 | 310—315 |
Предел прочности
Твердые тела способны выдерживать ограниченные нагрузки, превышение предела приводит к разрушению структуры металла, формированию заметных сколов или микротрещин. Возникновение дефектов сопряжено со снижением эксплуатационных свойств или полным разрушением. Прочность сплавов и готовых изделий проверяют на испытательных стендах. Стандартами предусмотрен ряд испытаний:
- Продолжительное применение деформирующего усилия;
- Кратковременные и длительные ударные воздействия;
- Растяжение и сжатие;
- Гидравлическое давление и др.
В сложных механизмах и системах выход из строя одного элемента автоматически становится причиной повышения нагрузок на другие. Как правило, разрушения начинаются на тех участках, где напряжения максимальны. Запас прочности служит гарантией безопасности оборудования во внештатных ситуациях и продлевает срок его службы.
Модуль упругости разных материалов, включая сталь
Перед тем, как использовать какой-либо материал в строительных работах, следует ознакомиться с его физическими характеристиками для того, чтобы знать как с ним обращаться, какое механическое воздействие будет для него приемлемым, и так далее. Одной из важных характеристик, на которые очень часто обращают внимание, является модуль упругости.
Ниже рассмотрим само понятие, а также эту величину по отношению к одному из самых популярных в строительстве и ремонтных работах материалу — стали. Также будут рассмотрены эти показатели у других материалов, ради примера.
Модуль упругости — что это?
Модулем упругости какого-либо материала называют совокупность физических величин, которые характеризуют способность какого-либо твёрдого тела упруго деформироваться в условиях приложения к нему силы. Выражается она буквой Е. Так она будет упомянута во всех таблицах, которые будут идти далее в статье.
Невозможно утверждать, что существует только один способ выявления значения упругости. Различные подходы к изучению этой величины привели к тому, что существует сразу несколько разных подходов. Ниже будут приведены три основных способа расчёта показателей этой характеристики для разных материалов:
- Модуль Юнга (Е) описывает сопротивление материала любому растяжению или сжатию при упругой деформации. Определяется вариант Юнга отношением напряжения к деформации сжатия. Обычно именно его называют просто модулем упругости.
- Модуль сдвига (G), называемый также модулем жёсткости. Этот способ выявляет способность материала оказывать сопротивление любому изменению формы, но в условиях сохранения им своей нормы. Модуль сдвига выражается отношением напряжения сдвига к деформации сдвига, которая определяется в виде изменения прямого угла между имеющимися плоскостями, подвергающимися воздействию касательных напряжений. Модуль сдвига, кстати, является одной из составляющих такого явления, как вязкость.
- Модуль объёмной упругости (К), которые также именуется модулем объёмного сжатия. Данный вариант обозначает способность объекта из какого-либо материала изменять свой объём в случае воздействия на него всестороннего нормального напряжения, являющимся одинаковым по всем своим направлениям. Выражается этот вариант отношением величины объёмного напряжения к величине относительного объёмного сжатия.
- Существуют также и другие показатели упругости, которые измеряются в других величинах и выражаются другими отношениями. Другими ещё очень известными и популярными вариантами показателей упругости являются параметры Ламе или же коэффициент Пуассона.
Таблица показателей упругости материалов
Перед тем, как перейти непосредственно к этой характеристике стали, рассмотрим для начала, в качестве примера и дополнительной информации, таблицу, содержащую данные об этой величине по отношению к другим материалам. Данные измеряются в МПа.
Модуль упругости различных материалов
Как можно заметить из представленной выше таблицы, это значение является разным для разных материалов, к тому же показателя разнятся, если учитывать тот или иной вариант вычисления этого показателя. Каждый волен выбирать именно тот вариант изучения показателей, который больше подойдёт ему. Предпочтительнее, возможно, считать модуль Юнга, так как он чаще применяется именно для характеристики того или иного материала в этом отношении.
После того как мы кратко ознакомились с данными этой характеристики других материалов, перейдём непосредственно к характеристике отдельно стали.
Для начала обратимся к сухим цифрам и выведем различные показатели этой характеристики для разных видов сталей и стальных конструкций:
- Модуль упругости (Е) для литья, горячекатанной арматуры из сталей марок, именуемых Ст.3 и Ст. 5 равняется 2,1*106 кг/см^2.
- Для таких сталей как 25Г2С и 30ХГ2С это значение равно 2*106 кг/см^2.
- Для проволоки периодического профиля и холоднотянутой круглой проволоки, существует такое значение упругости, равняющееся 1,8*106 кг/см^2. Для холодно-сплющенной арматуры показатели аналогичны.
- Для прядей и пучков высокопрочной проволоки значение равняется 2·10 6 кГ/см^2
- Для стальных спиральных канатов и канатов с металлическим сердечником значение равняется 1,5·10 4 кГ/см^2, в то время как для тросов с сердечником органическим это значение не превышает1,3·10 6 кГ/см^2 .
- Модуль сдвига (G) для прокатной стали равен 8,4·10 6 кГ/см^2 .
- И напоследок коэффициент Пуассона для стали равен значению 0,3
Это общие данные, приведённые для видов стали и стальных изделий. Каждая величина была высчитано согласно всем физическим правилам и с учётом всех имеющихся отношений, которые используются для выведения величин этой характеристики.
Ниже будет приведена вся общая информация об этой характеристике стали. Значения будут даваться как по модулю Юнга, так и по модулю сдвига, как в одних единицах измерения (МПа), так и в других (кг/см2, ньютон*м2).
Сталь и несколько разных её марок
| Материал | Показатели модуля упругости (Е, G; Н*м2, кг/см^2, МПа) |
| Сталь | 20,6*10^10 ньютон*метр^2 |
| Сталь углеродистая | Е=(2,0…2,1)*10^5 МПа; G=(8,0…8,1)*10^4 МПа |
| Сталь 45 | Е=2,0*10^5 МПа; G=0,8*10^5 МПа |
| Сталь 3 | Е=2,1*10^5 МПа; G=0,8*10^5 МПа |
| Сталь легированная | Е=(2,1…2,2)*10^5 МПа; G=(8,0…8,1)*10^4 МПа |
Значения показателей упругости стали разнятся, так как существуют сразу несколько модулей, которые исчисляются и высчитываются по-разному. Можно заметить тот факт, что в принципе сильно показатели не разнятся, что свидетельствует в пользу разных исследований упругости различных материалов. Но сильно углубляться во все вычисления, формулы и значения не стоит, так как достаточно выбрать определённое значение упругости, чтобы уже в дальнейшем ориентироваться на него.
Кстати, если не выражать все значения числовыми отношениями, а взять сразу и посчитать полностью, то эта характеристика стали будет равна: Е=200000 МПа или Е=2 039 000 кг/см^2.
Данная информация поможет разобраться с самим понятием модуля упругости, а также ознакомиться с основными значения данной характеристики для стали, стальных изделий, а также для нескольких других материалов.
Следует помнить, что показатели модуля упругости разные для различных сплавов стали и для различных стальных конструкций, которые содержат в своём составе и другие соединения. Но даже в таких условиях, можно заметить тот факт, что различаются показатели ненамного. Величина модуля упругости стали практически зависит от структуры. а также от содержания углерода. Способ горячей или холодной обработки стали также не может сильно повлиять на этот показатель.
Читайте также: