• Главная
• Блог
• Полезное
• Модуль упругости стали

Модуль упругости стали

Рейтинг: 4.6

Время прочтения: 14 мин

• Полезное

У стального сплава высокий модуль упругости (около 200 ГПа) по Юнгу. Это говорит нам о том, что материал хорошо сопротивляется деформации под внешним давлением. У стали также есть четко выраженный предел упругости. До этого деформация обратима, после материал становится пластической.

В пределах упругости сталь показывает линейную зависимость между напряжением и деформацией (закон Гука). При циклических нагрузках металл проявляет небольшой гистерезис, что приводит к потерям энергии. Легирующие компоненты и термообработка сильно влияют на упругие свойства стали.

Для определения параметра упругости можно использовать испытания на растяжение. Образец постепенно поддают увеличивающейся нагрузке. Оператор внимательно следит за деформацией заготовки. По полученным данным строится диаграмма, и вычисляется модуль упругости, как наклон линейного участка.

Есть метод ультразвукового исследования, который заключается в измерении скорости распространения волн в стали. Динамическое исследование основано на испытании стали вибрациями. По частоте собственных колебаний вычисляется и модуль упругости.

При методе индентирования в сплав вдавливается твердый наконечник. Оператор анализирует кривую нагрузки-разгрузки. 

Эти и другие методы позволяют точно определить упругость стального сплава, что критически важно для инженерных расчетов, оценки качества материала.

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.

[include_post id="5184"]

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.

Другие показатели для оценки свойств стали

Знание модуля упругости стали необходимо для решения ряда практических задач:

1. Расчеты на прочность и жесткость стальных конструкций и деталей машин. 
2. Выбор стали нужной марки под требуемые условия эксплуатации. 
3. Расчет упругих перемещений и прогибов стержневых элементов под нагрузкой.
4. Контроль качества и однородности стали.
5. Моделирование напряженно-деформированного состояния стальных изделий методом конечных элементов.
6. Расчет частот собственных колебаний стальных деталей и конструкций.

Знание модуля упругости крайне важно для обеспечения надежности и долговечности изделий из стали.

Но есть и другие показатели для оценки свойств стали, которые собрали ниже:

Вот краткая информация о перечисленных показателях для оценки свойств стали:

1. Коэффициент жесткости - характеризует сопротивление стали упругой деформации при растяжении или сжатии. 
2. Относительное продольное удлинение - показывает, на сколько процентов удлиняется образец стали при растяжении до разрыва.
3. Относительное поперечное удлинение - показывает, на сколько сужается поперечное сечение образца при растяжении.
4. Коэффициент Пуассона - отношение поперечной деформации к продольной при растяжении.
5. Модуль сдвига - характеризует сопротивление сдвиговым деформациям. 
6. Модуль объемной упругости - характеризует сопротивление изменению объема при гидростатическом сжатии.

Эти показатели помогут оценить прочностные и упругие свойства стали, необходимые для расчетов на прочность и выбора марки стали под конкретное применение. Их определяют экспериментально при испытаниях на растяжение, сжатие и кручение.

Другие коэффициенты для оценки свойств стали

Помимо модуля упругости, для оценки механических и эксплуатационных свойств стали задействуют другие важные характеристики:

1. Предел текучести – напряжение, при котором начинается пластическая деформация. Важен для определения несущей способности конструкций.
2. Предел прочности – это предельное напряжение, которое материал может выдержать до разрушения. Характеризует прочность стали.
3. Коэффициент Пуассона – отношение поперечной деформации к продольной при растяжении. Он показывает, как сплав сжимается в поперечном направлении при растяжении.
4. Ударная вязкость – способность стали поглощать энергию при ударе.
5. Твердость – сопротивление сплава вдавливанию. Измеряется методами Бринелля, Роквелла, Виккерса.
6. Коэффициент теплового расширения характеризует изменение размеров стали при нагреве.

Также есть коэффициент теплопроводности, который показывает способность сплава проводить тепло. Удельное электрическое сопротивление показывает, как материал проводит электричество. Существует предел выносливости, представляющий собой максимальное напряжение, которое сплав может выдержать при циклических нагрузках без разрушения.

Таблица модулей прочности марок стали

Модуль упругости для металлов и сплавов

Упругость сталей

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.

Попробуйте ИИ поиск

Еще больше металлобаз.
Автоматический поиск.

Попробовать бесплатно

Редакция E-metall Автор материала

Перейти на страницу автора

Вам может быть интересно

Пищевая сталь – это: полный гид по выбору, маркам и применению

, 06.11.2025

Старт «Металл-Экспо’2025» — ровно через две недели!

Новости металлопроката, 28.10.2025

Сталь 09Г2С: характеристики, свойства и применение низколегированного конструкционного сплава

Полезное, 16.10.2025

Показать больше материалов