Сталь 45 коэффициент пуассона

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.

Определение прочности и модуля упругости при статическом изгибе полимерных материалов

Модуль Юнга, (называемый также модулем продольной упругости и модулем упругости первого рода) это важная механическая характеристика вещества. Он является мерой сопротивляемости продольным деформациям и определяет степень жесткости. Он обозначается как E; измеряется н/м2 или в Па.

Это важный коэффициент применяют при расчетах жесткости заготовок, узлов и конструкций, в определении их устойчивости к продольным деформациям. Вещества, применяемые для изготовления промышленных и строительных конструкций, имеют, как правило, весьма большие значения E. И поэтому на практике значения Е для них приводят в гигаПаскалях (1012Па)

Величину E для стержней поддается расчету, у более сложных конструкций она измеряется в ходе опытов.

Приближенные величины E возможно узнать из графика, построенного в ходе тестов на растяжение.

График теста на растяжение

E- это частное от деления нормальных напряжений σ на относительное удлинение ε.

Закон Гука также можно сформулировать и с использованием модуля Юнга.

Пластичность и хрупкость

Тело из любого материала при малых деформациях ведет себя как упругое. В то же время почти все тела в той или иной мере могут испытывать пластические деформации. Существуют хрупкие тела.

Механические свойства материалов разнообразны. Такие материалы, как резина или сталь, обнаруживают упругие свойства до сравнительно больших напряжений и деформаций. Для стали, например, закон Гука выполняется вплоть до ε

= 1%, а для резины – до значительно больших
ε
, порядка десятков процентов. Поэтому такие материалы называют
упругими
.

У мокрой глины, пластилина или свинца область упругих деформаций мала. Материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформации, называют пластичными

Деление материалов на упругие и пластичные в значительной мере условно. В зависимости от возникающих напряжений один и тот же материал будет вести себя или как упругий, или как пластичный. Так, при очень больших напряжениях сталь обнаруживает пластичные свойства. Это широко используют при штамповке стальных изделий с помощью прессов, создающих огромную нагрузку.

Холодная сталь или железо с трудом поддаются ковке молотом. Но после сильного нагрева им легко придать посредством ковки любую форму. Пластичный при комнатной температуре свинец приобретает ярко выраженные упругие свойства, если его охладить до температуры ниже –100 °С.

Большое значение на практике имеет свойство твердых тел, называемое хрупкостью

.
Тело называют хрупким
, если оно разрушается при небольших деформациях
. Изделия из стекла и фарфора хрупкие: они разбиваются на куски при падении на пол даже с небольшой высоты. Чугун, мрамор, янтарь также обладают повышенной хрупкостью. Наоборот, сталь, медь, свинец не являются хрупкими.
Отличительные особенности хрупких тел легче всего уяснить с помощью зависимости σ

от
ε
при растяжении. На рисунке 11, а, б изображены диаграммы растяжений чугуна и стали. На них видно, что при растяжении чугуна всего лишь на 0,1% в нем возникает напряжение около 80 МПа, тогда как в стали оно при такой же деформации равно лишь 20 МПа.

Рис. 11
Чугун разрушается сразу при удлинении на 0,45%, почти не испытывая предварительно пластических деформаций. Предел прочности его равен 1,2∙108 Па. У стали же при ε

= 0,45% деформация все еще остается упругой и разрушение происходит при
ε
≈ 15%. Предел прочности стали равен 700 МПа.

У всех хрупких материалов напряжение очень быстро растет с удлинением, и они разрушаются при весьма малых деформациях. Пластичные свойства у хрупких материй лов практически не проявляются.

Физический смысл модуля Юнга

Во время принудительного изменения формы предметов внутри них порождаются силы, сопротивляющиеся такому изменению, и стремящиеся к восстановлению исходной формы и размеров упругих тел.

Если же тело не оказывает сопротивления изменению формы и по окончании воздействия остается в деформированном виде, то такое тело называют абсолютно неупругим, или пластичным. Характерным примером пластичного тела является брусок пластилина.

Р. Гук исследовал удлинение стрежней из различных веществ, под воздействием подвешенных к свободному концу гирь. Количественным выражением степени изменения формы считают относительное удлинение, равное отношению абсолютного удлинения и исходной длины.

В результате серии опытов было установлено, что абсолютное удлинение пропорционально с коэффициентом упругости исходной длине стрежня и деформирующей силе F и обратно пропорционально площади сечения этого стержня S:

Величину, обратную α, и называют модулем Юнга:

ε = (Δl) / l = α * (F/S)

Отношение растягивающей силы F к S называют упругим напряжением σ:

Закон Гука, записанный с использованием модуля Юнга, выглядит так:

Теперь можно сформулировать физический смысл модуля Юнга: он соответствует напряжению, вызываемому растягиванием стержнеобразного образца вдвое, при условии сохранения целостности.

В реальности подавляющее большинство образцов разрушаются до того, как растянутся вдвое от первоначальной длины. Значение E вычисляют с помощью косвенного метода на малых деформациях.

Коэффициент жёсткости при упругой деформации стержня вдоль его оси k = (ES) / l

Модуль Юнга определяет величину потенциальной энергии тел или сред, подвергшихся упругой деформации.

Силы упругости.

При деформациях твердого тела его частицы (атомы, молекулы, ионы), находящиеся в узлах кристаллической решетки, смещаются из своих положений равновесия. Этому смещению противодействуют силы взаимодействия между частицами твердого тела, удерживающие эти частицы на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому при любом виде упругой деформации в теле возникают внутренние силы, препятствующие его деформации.

Силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные против направления смещения частиц тела, вызываемого деформацией, называют силами упругости

Силы упругости препятствуют изменению размеров и формы тела. Силы упругости действуют в любом сечении деформированного тела, а также в месте его контакта с телом, вызывающим деформации. Например, со стороны упруго деформированной доски D

на брусок
С
, лежащий на ней, действует сила упругости
F
упр (рис. 7).

Важная особенность силы упругости состоит в том, что она направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, а если идет речь о таких телах, как деформированные пружины, сжатые или растянутые стержни, шнуры, нити, то сила упругости направлена вдоль их осей. В случае одностороннего растяжения или сжатия сила упругости направлена вдоль прямой, по которой действует внешняя сила, вызывающая деформацию тела, противоположно направлению этой силы и перпендикулярно поверхности тела.

Силу, действующую на тело со стороны опоры или подвеса, называют силой реакции опоры или силой натяжения подвеса

. На рисунке 8 приведены примеры приложения к телам сил реакции опоры (силы
N
1,
N
2,
N
3,
N
4 и
N
5) и сил натяжения подвесов (силы
T
1,
T
2,
T
3 и
T
4).

Значения модуля юнга для некоторых материалов

В таблице показаны значения E ряда распространенных веществ.

Материал	модуль Юнга E, ГПа
Алюминий	70
Бронза	75-125
Вольфрам	350
Графен	1000
Латунь	95
Лёд	3
Медь	110
Свинец	18
Серебро	80
Серый чугун	110
Сталь	200/210
Стекло	70

Модуль продольной упругости стали вдвое больше модуля Юнга меди или чугуна. Модуль Юнга широко применяется в формулах прочностных расчетов элементов конструкций и изделий в целом.

Модуль упругости для разных марок стали

Металлурги разработали несколько сотен марок сталей. Им свойственны разные значения прочности. В таблице 2 показаны характеристики для наиболее распространенных сталей.

Таблица 2: 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

Видео: закон Гука, модуль упругости.

Предел прочности материала

Это предел возникающего напряжения, после которого образец начинает разрушаться.

Статический предел прочности измеряется при продолжительном приложении деформирующего усилия, динамический — при кратковременном, ударном характере такого усилия. Для большинства веществ динамический предел больше, чем статический.

Инструмент для определения предела прочности

Кроме того, существуют пределы прочности на сжатие материала и на растяжение. Они определяются на испытательных стенда опытным путем, при растягивании или сжатии образцов мощными гидравлическим машинами, снабженными точными динамометрами и измерителями давления. В случае невозможности достижения требуемого давления гидравлическим способом иногда применяют направленный взрыв в герметичной капсуле.

Допускаемое механическое напряжение в некоторых материалах при растяжении

Из жизненного опыта известно, что разные материалы по-разному сопротивляются изменению формы. Прочностные характеристики кристаллических и других твердых тел определяются силами межатомного взаимодействия. По мере роста межатомных расстояний возрастают и силы, притягивающие атомы друг к другу. Эти силы достигают максимума при определенной величине напряжения, равной приблизительно одной десятой от модуля Юнга.

Испытание на растяжение

Эту величину называют теоретической прочностью, при ее превышении начинается разрушение материала. В реальности разрушение начинается при меньших значениях, поскольку строение реальных образцов неоднородно. Это вызывает неравномерное распределение напряжений, и разрушение начинается с тех участков, где напряжения максимальны.

Значения σраст в МПа:

Материалы	σраст
Бор	5700	0,083
Графит	2390	0,023
Сапфир	1495	0,030
Стальная проволока	415	0,01
Стекловолокно	350	0,034
Конструкционная сталь	60	0,003
Нейлон	48	0,0025

Эти цифры учитываются конструкторами при выборе материала деталей будущего изделия. С их использованием также проводятся прочностные расчеты. Так, например, тросы, используемые для подъемно- транспортных работ, должны иметь десятикратный запас по прочности. Периодически их проверяют, подвешивая груз в десять раз больше, чем паспортная грузоподъемность троса.

Запасы прочности, закладываемые в ответственные конструкции, также многократны.

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).

Коэффициент запаса прочности

Для количественного выражения запаса прочности при конструировании применяют коэффициент запаса прочности. Он характеризует способность изделия к перегрузкам выше номинальных. Для бытовых изделий он невелик, но для ответственных узлов и деталей, могущих при разрушении представлять опасность для жизни и здоровья человека, его делают многократным.

Точный расчет прочностных характеристик позволяет создать достаточный для безопасности запас прочности и одновременно не перетяжелить конструкцию, ухудшая ее эксплуатационные характеристики. Для таких расчетов используются сложные математические методы и совершенное программное обеспечение. Наиболее важные конструкции обсчитывают на суперкомпьютерах.

Сталь 45

Сталь 45 — это сплав углеродистого типа, из категории качественных конструкционных металлов. Имеет твердую поверхность и высокую прочность структуры. Обладает устойчивостью к истиранию, трению, ударам. Подходит для изготовления деталей, эксплуатируются в условиях интенсивных нагрузок.

Металлоизделия из этой стали могут эксплуатироваться в неблагоприятных климатических условиях. Материал устойчив к перепадам атмосферной температуры. Но сплав имеет относительно низкую стойкость к коррозии, использовать на открытых участках следует металлопрокат, прошедший дополнительную обработку цинком или серебрянкой.

ГОСТы, характеристики, расшифровка маркировки

Сталь с номенклатурным номером 45 выпускается под контролем ГОСТа 1050-2013. Этот документ определяет возможные методы получения металлопродукции, виды допустимых отделок поверхности, химический состав, свойства стали и форму выпуска. Данный регламент заменил госстандарт 1050-88 (до этого свою силу имел ГОСТ 1050-74).

По действующему документу сталь 45 по виду выпуска может быть калиброванной, горячекатаной, кованой, а также с поверхностной отделкой. Выпускается как с термической обработкой, так и без нее. Классифицируется сплав и по степени раскисления. Индекс этого параметра указывается в маркировке:

«кп» — означает, что это кипящая сталь. В нее добавляется марганец;
«сп» — это спокойный металл. Для его получения в состав вводят марганец или кремний для удаления кислорода;
«пс» — говорит о том, что сплав полуспокойный (это среднее между первым и вторым вариантом);
без индекса — также указывает на то, что сталь спокойная.

Чем спокойнее сплав, тем более однородной будет его структура.

ГОСТ 1050-2013 также определяет и факт внепечной обработки. На металлопродукцию, выпускаемую из Ст45 распространяются и другие стандарты, ведь по форме поставки она бывает:

полосовой (контролируется регламентами 103, 4405);
в прутках или мотках с гладким круглым, квадратным или шестигранным сечением (нормативы 2879, 8560, 8559, 1133, 7417);
в виде профилей для производства шайб косого вида (распространяется документ 5157).

Но перечень ГОСТов (как и сортамент металлоизделий из стали 45) намного шире:

фасонный и сортовой металлопрокат изготавливается по регламентам 10702, 2590 и 2591. Свою силу имеют также нормативы 8240, 8510 и 2879;
толстый прокат листового типа выпускается по ГОСТам 19903 и 1577;
тонколистовой металлопрокат — по стандарту 16523;
металлоизделия ленточного вида производятся по нормам документа 2284;
трубопрокат изготавливается в соответствии с условиями госстандартов 8731, 8732 и 8734. Действует и регламент 8733.

Размеры и вес металлопродукции определяются документами, которые распространяются на каждый вид металлоизделий.

Востребованность этой стали обуславливается особым химическим составом, который влияет на ее физико-механические и технологические свойства.

Расшифровка марки стали будет следующей:

значение «Ст» указывает на то, что рассматриваемый сплав является нелегированным углеродистым обыкновенным;
цифровой индекс «45» указывает на то, сколько углерода содержится в стали 45. Расшифровка этого параметра измеряется в сотых долях процента. Это означает, что в представленном сплаве общий объем данного химического элемента находится в пределах 0,45%.

В маркировке могут быть и другие буквы (например, Х, ХН или Л). Расшифровка стали с дополнительным индексом такая:

Ст45Х — это сплав, в составе которого имеется хром в концентрации около 1%;
Ст45ХН — это марка стали с повышенным содержанием хрома и никеля;
Ст45Л — наличие этой буквы в конце маркировки указывает на то, что сплав конструкционный литейный, относящийся к классу качественных легированных металлов.

В состав стали 45 входит в минимальных пропорциях еще 8 компонентов.

Химический состав (по ГОСТ 1050-2013)

Основа этого сплава состоит из железа (феррума, Fe). Этот компонент представлен в количестве около 97%. В качестве дополнительных добавок использованы:

кремний. Данное вещество допустимо в пропорциях от 0,17 до 0,37%. Он сохраняет вязкость сплава, увеличивает его прочность, упругость;
марганец. Концентрация этого элемента может быть в пределах от 0,50 до 0,80%. Его наличие хорошо влияет на свойства металла. Благодаря марганцу сталь приобретает способность выдерживать воздействия высоких температур. Материал приобретает пластичность и упругость;
фосфор. Это вредная добавка, отрицательно влияющая на характеристики и механические свойства стали. Поэтому ее концентрация не должна превышать параметра в 0,030%. Этот химический элемент, находясь в феррите, разрушает его кристаллическую решетку и значительно повышает температурные показатели в хрупкое состояние, что приводит к хладноломкости. Поэтому его объем в составе снижается или вовсе нейтрализуется иными добавками;
сера. Также является вредной примесью, поэтому в составе ее может быть не больше 0,25%. Она увеличивает параметр истираемости металла;
никель. Этот компонент делает сплав корозионно-стойким. Но учитывая то, что в представленной марке стали он добавляется в минимальном количестве (до 0,30%), существенного влияния на этот параметр не оказывает;
медь. Аналогично предыдущему пункту.

Концентрация всех химических элементов (массовая доля) по ГОСТу 1050-2013 представлена в таблице:

Общий показатель содержания всех компонентов в сплаве можно увидеть на рисунке:

Механические и физические свойства

Характеристики этого сплава были получены в результате промышленно-лабораторных исследований. Процедуры проводились в особых температурных условиях (от +20 градусов по Цельсию и выше).

Основные физические свойства марки стали 45:

благодаря концентрации углерода в составе в 0,45% значительно увеличилась твердость материала. Средний параметр для этого сплава равен 170 МПа;
плотность находится в диапазоне 7826 кг/куб.м;
коэффициент параметра теплопроводности для этой стали равен от 26 до 48 единиц (измеряется в Вт/м*Град);
расширение линейного типа в условиях температуры внешней среды в +20 и более градусов составляет от 11,9 до 15,2 единиц (измеряется в 1/Град);
теплоемкость сплава находится в пределах от 473 до 708 единиц (измеряется в Дж/кг*Град);
модуль упругости составляет от 1,72 до 2,01 МПа.

Точные параметры твердости, прочности, теплопроводности зависят от температуры, в условиях которых слав подвергался анализу. Они представлены в таблице:

А вот главные механические свойства сплава в следующем:

минимальный и максимальный предел прочности в зависимости от формы поставки стали находится в пределах 440-1030 единиц;
минимальный и максимальный параметр пропорциональности на остаточную деформацию (то есть предел текучести) равен 323-355 единицам (измеряется тем же значением, что и в предыдущем случае);
параметры удлинения при проверке на разрыв составляют от 6 до 16% в зависимости от формы поставки стали;
сужение — от 30 до 40%;
твердость материала находится в пределах 197-241 единиц (измеряется в МПа).

Заметим, что определяется твердость по Роквеллу и Бринеллю. В данном случае приведены значения по второму параметру (HB). По Роквеллу после низкого отпуска она равна 55-60 единицам, то есть МПа (по HRC).

Форма поставки важна для определения всех механических свойств сплава. В таблице ниже приведены все стандартизированные значения:

Влияет и сечение металлоизделий:

Также эти свойства могут меняться в зависимости от температурного отпуска:

Об изменениях в структуре стали и ее свойствах в результате термообработки расскажем ниже.

Технологические свойства

Из основных особенностей выделим:

минимальную чувствительность к флокенам;
отсутствие склонности к отпускной хрупкости;
ограничения в свариваемости.

Термообработка

К возможным способам термической обработки Ст45 отнесем закалку, отжиг, нормализацию и отпуск. Все эти манипуляции влияют на структурные изменения металла. Объясним более подробно:

исходное состояние сплава представляют собой два смешанных между собой компонента (феррита и цементита);
когда осуществляется закалка, феррит растворяется в аустените;
структура приобретает однородный состав.

Любая термическая обработка при повышенных температурах меняет ферритно-атомную решетку железа, в результате чего растворяются углеродные частицы и приобретают иное состояние. То же самое происходит и с активными добавками. Все это приводит к улучшению качественных характеристик сплава. Структура стали 45 после закалки становится более плотной, пластичной и твердой.

Но все эти изменения происходят лишь тогда, когда температура поднимается до определенных параметров. У каждой марки стали критические точки свои. Относительно Ст45, они приведены в таблице ниже:

Отжиг стали может быть:

первого рода (структура сплава не меняется, применяется для выравнивания химического состава сырья);
второго рода (заметны значительные структурные трансформации в металле).

Отжиг второго рода (ΙΙ-го рода) представляет собой нагрев стали выше температуры изменения структурной решетки железа с медленным охлаждением.

Полный отжиг проводится в условиях нагрева сплава на 30 или 50 градусов выше критической точки А3. Скорость охлаждения составляет 30–100 градусов по Цельсию в час.

Закалка представляет собой более сложный процесс. Температура нагрева повышается на 20 или 40 градусов выше предельной точки растворения феррита. Обычно этот параметр для Ст45 находится в пределах 840-860 градусов по Цельсию. Затем осуществляется относительно быстрое охлаждение заготовки в масле или воде. Температура отпуска стали 45 составляет 550-650 градусов.

Закалка ТВЧ (токами высокой частоты) относится к поверхностной термообработке. Ее основная задача заключается в получении прочности наружного слоя. Причем важно, чтобы показатели вязкости сердцевины остались неизменными. Процедура проводится в индукционных печах путем подачи высокочастотного тока. Учитывая то, что тепло распространяется на поверхности металлопроката, именно здесь и происходит упрочнение сплава.

Ударная вязкость Ст45 представлена в таблице:

Предел выносливости составляет:

Параметры прокаливаемости стали представлены в таблице:

Из возможных вариантов термического воздействия допустима также ковка. Она осуществляется при следующих условиях:

Температура плавления этого сплава до жидкого кристаллического состояния превышает показатель в 1280 градусов по Цельсию.

Проверка металла на качество в домашних условиях

Чтобы узнать, закалена ли сталь, достаточно использовать обычный паяльник. Для этого его необходимо нагреть и провести по поверхности металлоизделия. Если конец паяльника прилипает, это будет указывать на то, что металл не закален. В таком случае необходимо провести самостоятельную процедуру термообработки.

Заранее следует подготовить:

кузнечные клещи или инструмент, который будет походить на них;
емкость с водой;
емкость с машинным маслом.

развести огонь на открытом воздухе;
когда он разгорится, положить прокаливаемую заготовку прямо на угли (желательно, чтобы они были белого цвета, ведь это указывает на их максимальную температуру нагрева);
как только материал разогреется, достать его и опустить в емкость с маслом. Обмакните следует его несколько раз с интервалом в 3-5 секунд;
опустить металлоизделие в воду.

Полезные приемы при сверлении, выбор сверла

Учитывая то, что Ст45 относительно твердая, она плохо поддается сверлению. Но в данном случае есть несколько рекомендаций:

заранее обработайте поверхность серной, хлорной или любой другой кислотой;
нанесите на место сверления масло или доступный смазочный материал, чтобы уменьшить трение;
возьмите специальное сверло, которое подходит для каленой стали.

При выборе инструментов для сверления учитывайте производителя (следует отдавать предпочтение известным маркам, так как это говорит о качестве), назначение (выбирайте для работы с закаленными сталями), угол заточки. Оптимальным решением в соотношении цены и качества может сталь победитовое сверло.

Аналоги

Из отечественных заменителей выделим: 40Х, Ст50, Ст50Г2. Основные отличия заключаются в химическом составе, что сказывается и на свойствах металла. В первом случае содержание углерода находится в пределах 0,40%, в сплаве есть хром. Повышена концентрация углерода и в марках Ст50, Ст50Г2. Во втором случае отмечается большое количество марганца в составе.

Зарубежные аналоги стали 45 представлены в таблице:

Применение

Используется этот сплав в различных сферах промышленности: станко-, вагоно-, машино-, автомобилестроении. Благодаря своим характеристикам нашел он и применение в строительстве. В данном случае используются металлоизделия (листы, трубы и прочая металлопродукция), изготовленные из Ст45.

Из этой марки выпускают:

рабочие инструменты (например, плоскогубцы или ручные тиски);
шестеренки;
валы;
трубопрокат бесшовного типа;
шпиндели.

Изготавливается также шестигранник из стали 45, а еще цилиндры и кулачки для установки в патроны промышленных станков.

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.

После того как мы кратко ознакомились с данными этой характеристики других материалов, перейдём непосредственно к характеристике отдельно стали.

Сталь и несколько разных её марок

Материал	Показатели модуля упругости (Е, G; Н*м2, кг/см^2, МПа)
Сталь	20,610^10 ньютонметр^2
Сталь углеродистая	Е=(2,0…2,1)10^5 МПа; G=(8,0…8,1)10^4 МПа
Сталь 45	Е=2,010^5 МПа; G=0,810^5 МПа
Сталь 3	Е=2,110^5 МПа; G=0,810^5 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: