Все о модуле Юнга для стали

Модуль упругости или модуль Юнга – понятие, относящееся к механическим свойствам материалов. Эта величина показывает, насколько твёрдые тела и материалы, из которых они изготовлены, сопротивляются определённой силе, не меняя своей формы.

Модуль Юнга для твёрдых материалов связан с их пластичностью. Чем больше значение модуля Юнга, тем меньше будет шар из конкретного материала сминаться, а стержень – растягиваться. Изменение формы и состояния тела происходит не только в соответствии с величиной воздействующей на него силы, но и в соответствии с площадью поверхностью и коэффициентами, характеризующими удлинение/укорочение этого же тела.

В простейшем случае в роли испытуемого тела выступают шар или стержень. Модуль упругости – величина, определяющаяся не без влияния закономерности, открытой Гуком. Единица измерения – паскаль. Используются в основном кратные значения (мегапаскали) или килограммы усилия на квадратный сантиметр поверхности. Один кг/см2 – давление в одну земную атмосферу.

На практике модуль Юнга высчитывается для меди, железа, алюминия и всевозможных сплавов на их основе. Растяжение и разрыв – свойства, присущие относительно пластичным материалам. А хрупкие (бетон, чугун и т. д.) материалы исследуются на сжатие до появления видимого растрескивания, сколов, отлома фрагментов испытуемого блока.

Однако упрощённый алгоритм по определению модуля Юнга действует лишь при растягивании и сжатии материала. Что касается смятия, среза и иных нетипичных нагрузок, то здесь понадобится учесть дополнительные характеристики. По определению, жёсткостью является произведение величин: поперечного сечения испытуемого стержня на значение модуля Юнга. Здесь характеризуется не сам материал в отдельности, а пластичность функционального узла в целом.

При определении модуля Юнга используют максимальное удлинение. Например, чтобы вытянуть заготовку диаметром 2 см, потребуется приложить некую силу, в результате чего она станет длиннее на 1 см. Величина удлинения или укорочения безразмерна, в лучшем случае может равняться процентному значению. Определение этой величины зависит от диаметра. При этом поперечное удлинение меньше продольного примерно вчетверо. А вот для определения коэффициента укорочения применяют именно значение длины, а не диаметр. Характерный пример – работа гвоздей на укорочение, заклёпок – на смятие их шляпок и т. д.

Модуль Юнга для определения объёмной упругости учитывает приложение силы, одинаковой со всех сторон. Объёмное давление распределяется по всей поверхности испытуемого тела. Простейший пример – погружение батискафа на дно океана. Все его стенки испытывают относительно равномерное давление со всех сторон. Упругая деформация в полной мере относится к металлам и их сплавам. Следом идут искусственный и естественный камень, нерасслаивающийся пластик и т. д.

Модуль Юнга – изменяющаяся величина. Она зависит от направления и величины силы, которая воздействует на тело. К примеру, можно сжимать шар не с разных сторон, а приложить к нему точечный момент силы, равный по величине сумме значений этих сил. В результате шар не сожмётся более или менее равномерно, а перестанет быть шаром, превратившись, к примеру, в более плоский слиток. Используя модуль Юнга, нетрудно вычислить, например, скорость распространения волны в арматурных стержнях. Она равна квадратному корню из отношения модуля Юнга к плотности стали, из которой получена эта же арматура.

С модулем упругости Юнга для сталей связано значение прочностного сопротивления деформации. Оно может иметь два значения: для кратковременного (момент силы) и долговременного (постепенное сжатие). На практике эти значения выстроены так, что первое больше второго в 2-3 раза. Как и модуль Юнга, оно измеряется в мегапаскалях (МПа) или килограммах силы на квадратный сантиметр (кгс/см2). Это значение определяет, кстати, твёрдость стали и других металлов по шкале Бринелля.

Пружинные высокоуглеродистые стали (60С2) и штамповочные сорта (9ХМФ) обладают значением модуля Юнга в 2,03. Нержавейки, например, 12Х18Н10Т, 15Х11МФ, — 2,1. Низколегированные среднеуглеродистые сплавы марки 40Х, 30ХГСА — 2,05. Стали конструкционные невысокого качества – Ст6, Ст3, марки 10 и 20 склоняются к значению, равному 2. Конструкционные модели более высокой пробы (45, 40,30, 25, 20) — 2,01. Подшипниковые стали типа ШХ15 – 2,1. Все величины умножаются на миллион килограммов усилия, поделенных на квадратный сантиметр поверхности.

Значение модуля Юнга для стали меняется и в соответствии с формой, технологией изготовления. Например, металлический сердечник для тросов – 1,95 с учётом внешнего плетения. Цельносплетённый канат – 1,9, калёная проволока – 2,1. Приближённый расчёт для большинства конструкций – 2-2,1 без учёта возможных отклонений.

Наиболее точными значениями, мало зависящими от типа и вида исполнения деталей, комплектующих и блоков, обладают цветные металлы, например, медь, алюминий, а также все сорта стали. Табличными значениями пользоваться рекомендуется лишь в общих чертах или теоретически, а на практике производится соответствующий перерасчёт. Существуют так называемые онлайн-калькуляторы или скрипты, позволяющие просчитать значение Юнга для любой детали механизма.

Автоматический скрипт обладает функцией ввода температурного диапазона, в котором планируется эксплуатировать рассчитываемый механизм. Расчёт конструкции не обходится без сверки с ГОСТами. Широкомасштабные конструкции и сооружения потребуют сверки модуля Юнга несколько раз.

По формуле расчёта модуль Юнга определяется следующим образом: это отношение произведений прилагаемой силы на длину к площади поверхности на удлинение заготовки. Если вы являетесь владельцем строительной компании и у вас есть своя лаборатория, то, к примеру, для стержня ребристой арматуры А3 (А400) диаметром в 14 мм вы вправе перерассчитать этот модуль, опираясь на длину прутов в 11,75 м и сорт стали типа Ст20, из которой они сфабрикованы.

В реальности же уже готовые сваренные конструкции растягивать на разрыв и гнуть на слом никто не будет: в параметры дома или постройки уже вложены значения модуля Юнга с учётом прочностных характеристик уже установленных отсеков или секций возводимого строения. Не утруждая себя долгими перерасчётами, опытные самостройщики берут, например, для фундамента толщину арматуры и число прутьев с запасом, чтобы в первую же зиму основание под стенами не разорвало при морозном пучении грунта.