Показатель предела нагрузки на сталь — модуль упругости Юнга
Показатель предела нагрузки на сталь — модуль упругости Юнга
Прежде чем использовать какой-либо строительный материал, необходимо изучить его прочностные данные и возможные взаимодействия с другими веществами и материалами, а также их совместимость с точки зрения надлежащего поведения при одинаковых нагрузках на конструкцию. Решающим фактором в решении этой проблемы является модуль упругости, также известный как модуль Юнга.
ВКонтакте Facebook Twitter Google+ Контент Minecraft:
Высокая прочность стали позволяет использовать ее при строительстве высотных зданий, а также полых конструкций спортивных стадионов и мостов. Добавление в сталь определенных веществ, влияющих на ее качество, называется легированием. Эти добавки могут удвоить прочность стали. Модуль упругости легированной стали значительно выше, чем у обычной стали. По экономическим соображениям прочность конструкции обычно достигается выбором площади поперечного сечения профиля: высоколегированные стали стоят дороже.
Далее будет рассмотрено значение этого термина и его вариации для разных марок стали. Для сравнения будут приведены значения модуля для других материалов.
Физический смысл
Модуль упругости как физическая величина выражается как (Е). Этот показатель характеризует упругое сопротивление материала изделия приложенной к нему деформационной нагрузке:
- Продольные – растяжение и сжатие;
- Поперечный – изгиб или в виде среза;
- Массивный — витой.
Чем выше значение (Е), тем выше нагрузочная способность материала, тем прочнее изделие из этого материала и выше предел разрушения. Например, для алюминия значение составляет 70 ГПа, для чугуна — 120, для стали — 220 ГПа.
Определение
Модуль упругости — это общий термин, охватывающий другие физические показатели упругих свойств твердого материала — изменение, происходящее под действием силы, и возвращение к прежней форме после прекращения действия силы, то есть упругую деформацию. Это отношение напряжения (силового давления на единицу площади) в изделии к упругой деформации (безразмерная величина, определяемая отношением размеров изделия к его первоначальным размерам). Следовательно, его размеры такие же, как напряжение, которое представляет собой отношение силы к единице площади. Поскольку напряжение в метрике СИ обычно измеряется в паскалях, то и показатели прочности тоже.
Есть еще одно определение, не совсем корректное: модуль упругости – это давление, увеличивающее длину изделия вдвое. Но предел текучести многих материалов значительно ниже приложенного давления.
Модули упругости, их виды
Существует много способов изменения условий приложения силы и возникающей в результате деформации, а значит, существует много типов модуля упругости, но на практике выделяют три основных типа в зависимости от деформационной нагрузки:
Читайте также статью: Цвет волос к серым глазам: какой оттенок подходит
- Юнга (Е) представляет собой упругое сопротивление растягивающим и сжимающим нагрузкам – собственно, это термин, используемый, когда говорят о модуле упругости;
- Модуль сдвига (G) Характеризует сопротивление любому разрушению формы без повреждения или изменения толщины — это отношение сдвиговой нагрузки к деформации, выраженное в виде прямоугольного изменения между двумя половинками, подвергающимися нагрузке плоскости. Второе название этого термина — жесткость, которая также обозначает вязкость материала;
- Модуль объемной упругости (К) — сопротивление изменению объема при различных нормально приложенных напряжениях одинаковой величины во всех векторах. Также известный как модуль объемного сжатия, он выражается отношением объемного давления к объемной деформации сжатия.
Эти показатели не исчерпывают характеристик устойчивости; существуют и другие показатели, которые несут дополнительную информацию и имеют другие измерения и значения. Они также широко известны среди специалистов как индекс эластичности Ламе и коэффициент Пуассона.
Видео: Диаграмма растяжения, методы испытаний материалов
Как определить модуль упругости стали
Для определения параметров различных марок сталей в составе нормативных документов строительной сферы (СНиП) и Государственных стандартов (ГОСТ) существуют специальные таблицы. Поэтому модуль упругости (Е) или модуль Юнга составляет от 115 до 160 ГПа для белого и серого чугуна и 155 для ковкого чугуна. Что касается стали, углеродистая сталь C245 имеет значения модуля упругости от 200 до 160 ГПа. 210 МПа. Значения для легированной стали несколько выше – от 210 до 220 ГПа.
Те же свойства для обычных сталей марок Ст.3 и Ст.5 имеют одинаковое значение — 210 ГПа, а для сталей марок Ст.45, 25Г2С и 30ХГС — 200 ГПа. Как видим, изменчивость (Е) среди разных марок сталей незначительна, но в изделиях, например в канатах, ситуация иная:
- Подходит для скручивания и скручивания высокопрочной стальной проволоки 200 ГПа;
- Трос стальной с металлическим стержнем 150 ГПа;
- Трос с органическим сердечником 130 ГПа.
Как видите, разница существенная.
Значения модуля сдвига или жесткости (G) можно увидеть в этой же таблице, они имеют меньшие значения, для прокатной стали — 84 ГПа, углеродистой стали и легированной стали — от 80 до 81 ГПа, для стали Ст.3 и Ст. 45–80 ГПа. Причина разницы в значениях параметров упругости заключается в том, что три основных модуля действуют одновременно и рассчитываются разными методами. Однако различия между ними невелики, что свидетельствует о достаточной точности исследования упругости. Поэтому вместо того, чтобы зацикливаться на расчетах и формулах, вам следует взять конкретное значение эластичности и использовать его как константу. Если отдельные модули не рассчитывать, а объединять, значение Е составит 200 ГПа.
Важно понимать, что эти значения будут незначительно отличаться для стали, содержащей разные добавки, и для стальных изделий, содержащих детали, изготовленные из других веществ. Основное влияние на показатель упругости оказывает содержание углерода, однако способ обработки стали — горячая прокатка или холодная штамповка — существенного влияния не оказывает.
При выборе стали также использовали показатель, указанный так же, как модуль упругости в таблицах публикаций ГОСТ и СНиП, – это расчетная способность сопротивляться растягивающим, сжимающим и изгибающим нагрузкам. Этот показатель имеет те же размеры, что и модуль упругости, но его значение на три порядка меньше. Этот показатель имеет два назначения: нормативное сопротивление и расчетное сопротивление, причем название говорит само за себя – расчетное сопротивление используется при выполнении расчетов прочности конструкции. Поэтому расчетное сопротивление стали С255 при толщине проката от 10 до 20 мм составляет 240 МПа, а нормативное значение — 245 МПа. Расчетное сопротивление для проката диаметром от 20 до 30 мм несколько ниже и составляет 230 МПа.
Читайте также статью: Закон Кирхгофа
