Сталь 10 модуль упругости
Обновлено: 02.05.2024
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.
Модуль упругости стали
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.
Сталь 10 – расшифровка марки, сфера применения, особенности материала
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 10ХСНД – расшифровка и химический состав, свариваемость, особенности обработки, плюсы и минусы
Сталь 10ХСНД – низколегированная конструкционная сталь широкого применения. Защищена от коррозии хромом и никелем, устойчива к кислотным средам благодаря кремнию. Применяется в производстве тяжелой техники, при строительстве зданий и мостов. Обладает высокими технологическими свойствами, отличается температурным диапазоном применения, хорошей обрабатываемостью и невысокой стоимостью производства.
Расшифровка
Марка стали 10ХСНД указывает на ее химический состав. В ней отражены 5 главных элементов, оказывающих наибольшее влияние на свойства стали. Другие химические элементы также могут присутствовать в составе сплава, но в строго ограниченных количествах, при превышении которых они отображаются в маркировке.
- 10 – указывает на содержание углерода в сотых долях (0,10%). В зависимости от процентного содержания углерода в составе стали, ее механические свойства могут существенно варьироваться. Высокоуглеродистые стали отличаются повышенной прочностью и твердостью, в противовес этому снижается пластичность и сопротивляемость ударным нагрузкам. Стали с невысоким содержанием углерода считаются «мягкими», они пластичны, обладают отличной вязкостью, но не отличаются твердостью.
- Х – хром (до 0.9%). Хромистые стали устойчивы к коррозии, высокий процент хрома в составе делает сплав нержавеющим. Хром – один из самых доступных и распространенных легирующих элементов. Он также влияет на механические свойства стали, придает ей твердость и прочность, снижая пластичность в незначительной степени.
- С – кремний (до 1.1%). Кремний придает металлу устойчивость к кислотным средам, окалиностойкость и повышает показатель упругости.
- Н – никель (до 0.8%). Легирующая добавка, по влиянию на качества металла близок к хрому. Придает стали антикоррозионные свойства, повышает прочность и пластичность.
- Д – медь (до 0,6%). Повышает устойчивость к коррозии.
Кроме указанных в марке элементов, в составе стали можно встретить: серу, фосфор, алюминий, марганец, вольфрам, ванадий, кобальт, молибден, титан, азот, мышьяк и другие незначительные примеси.
Химический состав
Химический состав, % (ГОСТ 19281-89)
Химический состав, % (ГОСТ 19281-2014)
Характеристики и особенности
Сталь отличается высокими эксплуатационными характеристиками: подходит для любых видов сварки, имеет преимущество перед обыкновенными углеродистыми сталями, т.к. содержит легирующие добавки, защищающие ее от неблагоприятного влияния внешней среды. Сталь 10ХСНД не теряет прочность после отпуска, сохраняет свойства при перепадах температуры. Пластичность материала делает его удобным для обработки любыми способами.
Плюсы и минусы
Из плюсов стали 10ХСНД можно выделить:
- Устойчивость к коррозии и окислению, что позволяет применять сталь в условиях повышенной влажности и кислых средах.
- Возможность эксплуатации в широком диапазоне температур от -70 до +450 градусов.
- Свариваемость всеми способами.
- Невысокая стоимость, обусловленная простотой производственного процесса и отсутствием дорогих легирующих компонентов.
Недостатком стали является содержание в составе вредных примесей – фосфора и мышьяка.
Способы обработки
Сталь 10ХСНД хорошо сваривается, но наличие легирующих добавок в составе оказывает на свариваемость определенное влияние. Так в зоне сварки может возникать закалочное напряжение, повышающее риски образования холодных трещин в некоторых случаях. Уязвимость швов к горячим трещинам также может возрасти в зависимости от ряда других факторов. Если сварке подвергается термически обработанный металл, происходит потеря прочности на свариваемом участке. Добиться сохранения показателя ударной вязкости металла шва и участка вокруг шва достаточно трудно. При перегреве наблюдается укрупнение аустенитного зерна, образуется видманштеттовая структура, повышается хрупкость ферритной основы, развивается химическая неоднородность, шов становится склонен к хрупкости. Избежать негативных последствий или уменьшить их влияние можно с помощью последующей термообработки или технологических приемов сварки.
Также сталь 10ХСНД подходит для обработки основными способами: ковка, резание, механическая инструментальная обработка и т.д. Особого инструмента для резания стали не требуется, механические свойства позволяют обрабатывать металл без дополнительных условий. Ковка производится при температурах в диапазоне от 1200С до 850С. Металл после ковки не чувствителен к флокенам и не склонен к отпускной хрупкости.
Область применения
Сталь 10ХСНД относится к конструкционным, предназначенным для изготовления металлоконструкций и механизмов. Основные отрасли ее применения следующие:
- Строительство. Сварные и несварные конструкции, крупногабаритные конструкции, несущие элементы зданий, мостостроение (арки и пролеты мостов).
- Машиностроение. В основном применяется для производства механизмов тяжелой строительной и дорожной техники, а также лесозаготовительных машин.
- Производство горнодобывающей техники. Из стали 10ХСНД изготавливаются ковши и детали ковшей.
- Производство отходоперерабатывающей техники. Шредерные ножи, футеровки, гидравлика.
Вид поставки
Виды поставки материала 10ХСНД
В22 - Сортовой и фасонный прокат
Марка стали 10г2: важные параметры и использование материала
При некоторых обстоятельствах необходимо использование сплавов и изделий из них со специальными свойствами. Если добавки улучшают свойства материала, то сталь называется легированной. А добавленные компоненты — легирующими.
Из-за подобного производственного процесса появляется возможность создания сверхпрочных сплавов. Они будут устойчивы к химическому воздействию. Пластичность материала повысится, а вместе с этим вязкость и износостойкость станут выше. Всеми этими качествами обладает 10Г2.
Помимо этого, материал отлично воспринимает пластичные деформации, быстро обрабатывается режущими инструментами, сваривается без ограничения и не склонен к отпускной хрупкости.
Характеристики (свойства)
Твердость
Характеристики:
- По Роквеллу. Твердость равна 58,4 МПа.
- По Бринеллю. При относительном удлинении не менее 22 %, пределе текучести не менее 245 Н/мм 2 и временному сопротивлению не менее 422 Н/мм 2 , составляет не более 197 НВ.
- В состоянии плавки. Колеблется в пределах 40–44 МПа.
Плотность
Эта величина не может быть использована с целью проектирования, так как она не предусмотрена стандартами, а значение свойств типичны для низкоуглеродистой и низколегированной стали.
Марка
Химический состав
- Практически всю массу составляет железо (Fe) примерно 97 %.
- Меди (Cu) в составе до 0,3%.
- Хрома (Cr) — до 0,3%.
- Фосфора (P) — до 0,035%.
- Серы (S) — до 0,035%.
- Никеля (Ni) — до 0,3%.
- Марганца (Mn) — 1,2–1,6%.
- Кремния (Si) — 0,17–0,37%.
- Углерода (C) 0,07–0,15 процента.
Предел прочности
430 МПа. Но значение может измениться в зависимости от типа термообработки и температуры.
Предел текучести
Ударная вязкость
Температура эксплуатации
В состав материала входят специально добавленные элементы, которые придают ему эксплуатационные средства. Приемы и режимы сварки, используемые при работе, обеспечивают стойкость соединений против разрушений.
Оптимальной температурой для ковки этой стали считается температура равная 1250 °С в начале процесса, а в конце — 800 °С.
Механические свойства
Свойства, согласно стандарту ГОСТ 1050–2013:
- Временное сопротивление разрыву в МПа — 420.
- Относительное удлинение при разрыве в процентах — 22.
- Относительное сужение в % — 50.
Механические свойства при температуре 20° С: Пределы кратковременной прочности и пропорциональности не зависят от размера и будут одинаковы для стали от 100 и до 500 мм: 430 МПа и 215 МПа.
Относительное удлинение при разрыве с увеличением размера будет уменьшаться: до 100 мм — 24 %, 100–300 мм — 20 %, 300–500 мм — 18 %.
Относительное сужение также уменьшается: 53, 48, 40 %.
Отпускная хрупкость
Материал к ней не склонен.
Свариваемость
В составе 10Г2 присутствуют дополнительно внесенные специальные элементы, которые придают ему эксплуатационные свойства.
Приемы и режимы сварки, используемые при работе, обеспечивают повышенную стойкость получаемых соединений к разрушениям.
Оптимальная температура для ковки — 1250 градусов в начале процесса и 800 градусов к концу. В результате можно получить качественный и стойкий к температурным перепадам материал.
Группа
Группа основных материалов НГДО, ГО, КО, ПТО, МО — М01.
Производитель стали гарантирует полное соответствие нормативно-регламентирующим документам (в частности, Гост 4543 71).
Цена в 2021 году
Стоимость стали за килограмм составляет 49 рублей.
Первая цифра говорит о средней массовой доли С в стали в сотых долях процента. Буква указывает на наличие в составе Mn, а вторая — о его количестве.
В промышленности сталь используется для приготовления крепежных и других деталей, которые работают при температуре -70 °С под давлением. Применение она находит и в машиностроении.
Также она находит свое применение в трубопрокатной отрасли. Ее используют для изготовления труб различного диаметра. Из сплава стали также делают крепежные элементы и монтажные скобы.
Материал используется при создании трубопроводной арматуры после отпуска и закалки, металлоконструкций и сварных переходов трубопроводов АС.
Свойства
Технологические
- Температура начала ковки стали равна 1250, а конца — 800–780 °С. Заготовки сечением до 100 мм охлаждаются на воздухе.
- Материал сваривается без ограничений.
- К отпускной хрупкости не склонна.
- Флокеночувствительность отсутствует.
Физические
- При 20 °С модуль упругости первого рода равен 2,04 МПа, а плотность 7790 кг/м 3 .
- При 100 °С коэффициент температурного расширения с диапазоном в 20 °С — 11,3 1/Град.
- При 200 °С теплоемкость — 38 Вт/(м*град).
- При 300 °С коэффициент теплопроводности равен 37 Вт/(м*град). С увеличением температуры на 100 единиц его значение уменьшается на 1.
Аналоги (заменители)
09Г2. Эту сталь относят к кремнемарганцовистым. Детали, изготовленные из нее, могут быть сварены любым видом сварки без проведения дополнительных подготовительных операций. Достоинством является то, что она не становится хрупкой после отпуска.
Эту сталь применяют при создании сварных конструкций. Характеристики, которыми обладает материал, позволяют изготавливать из него детали и узлы, работающие в диапазоне температур от-70 до +450 градусов Цельсия.
Зарубежные
1513 (США). Электротехническая сернистая сталь. При температуре 20 градусов Цельсия имеет плотность 7550 кг/м 3 . Материал используют для изготовления тонколистового проката.
201 (Англия). Нержавеющая сталь, где никель частично заменен марганцем и азотом. Материал выдерживает перепады температур, поэтому широко используется.
Важно! Хром, никель, марганец, азот, медь обеспечивают прочность, пластичность и высокую устойчивость к коррозии.
Ее применяют в пищевой, медицинской, фармацевтической областях. В декоре интерьера и изготовлении многих предметов для бытовых нужд. Эта сталь пригодилась и в химической, и нефтегазовой промышленностях. Добавление меди в состав материала повышает пластичность при деформировании и волочении.
Читайте также: