Модуль упругости стали: общие понятия, характеристики механических свойств

Модуль деформации стали и её упругости

Основной главной задачей инженерного проектирования служит выбор оптимального сечения профиля и материала конструкции. Нужно найти именно тот размер, который обеспечит сохранение формы системы при минимальной возможной массе под влиянием нагрузки. К примеру, какую именно сталь следует применять в качестве пролётной балки сооружения? Материал может использоваться нерационально, усложнится монтаж и утяжелится конструкция, увеличатся финансовые затраты. На этот вопрос ответит такое понятие как модуль упругости стали. Он же позволит на самой ранней стадии избежать появления этих проблем.

Общие понятия

Модуль упругости (модуль Юнга) — это показатель механического свойства материала, характеризующий его сопротивляемость деформации растяжения. Иными словами, это значение пластичности материала. Чем выше значения модуля упругости, тем меньше будет какой-либо стержень растягиваться при иных равных нагрузках (площадь сечения, величина нагрузки и другие).

Модуль Юнга в теории упругости обозначается буквой Е. Он является составляющей закона Гука (о деформации упругих тел). Эта величина связывает возникающее в образце напряжение и его деформацию.

Измеряется эта величина согласно стандартной международной системе единиц в МПа (Мегапаскалях). Но инженеры на практике больше склоняются к применению размерности кгс/см2.

Опытным путём осуществляется определение этого показателя в научных лабораториях. Сутью этого метода является разрыв гантелеобразных образцов материала на специальном оборудовании. Узнав удлинение и натяжение, при которых образец разрушился, делят переменные данные друг на друга. Полученная величина и является модулем (Юнга) упругости.

Таким образом определяется только модуль Юнга материалов упругих: медь, сталь и прочее. А материалы хрупкие сжимают до того момента, пока не появятся трещины: бетон, чугун и им подобные.

Механические свойства

Только при работе на растяжение или сжатие модуль (Юнга) упругости помогает угадать поведение того или иного материала. А вот при изгибе, срезе, смятии и прочих нагрузках потребуется ввести дополнительные параметры:

1. Жёсткостью называют произведение поперечного сечения профиля на модуль упругости. По этой величине можно судить о пластичности узла конструкции в целом, а не о материале отдельно. Единицей измерения являются килограммы силы.
2. Продольное относительное удлинение — это отношение абсолютного удлинения материала-образца к его общей длине. К примеру, на стержень, длина которого равна 200 миллиметров, приложили некоторую силу. В результате он стал короче на 5 миллиметров. В результате относительное удлинение будет равняться 0,05. Эта величина безразмерная. Для более удобного восприятия иногда её переводят в проценты.
3. Поперечное относительное удлинение рассчитывается точно так же, как и продольное относительное удлинение, но вместо длины берут диаметр стержня. Опытным путём было установлено, что для большего количества материала поперечное меньше продольного удлинения приблизительно в 4 раза.
4. Коэффициент Пуассона. Это отношения относительной продольной к относительной поперечной деформации. При помощи этой величины можно полностью описать под воздействием нагрузки изменения формы.
5. Модуль сдвига описывает упругие свойства под воздействием касательных свойств на образец. Иными словами, когда вектор силы направляется к поверхности тела под 90 градусов. Примером подобных нагрузок служит работа гвоздей на смятие, заклёпок на срез и пр. Этот параметр связан с вязкостью материала.
6. Модуль упругости объёмной характеризует изменение объёма образца для разностороннего равномерного приложения нагрузки. Эта величина является отношением давления объёмного к деформации сжатия объёмной. Как пример можно рассматривать опущенный в воду материал, на который воздействует давление жидкости по всей его площади.

Кроме всего вышесказанного стоит упомянуть, что у некоторых материалов в зависимости от направления нагрузки разные механические свойства. Подобные материалы называются анизотропными. Примерами подобного является ткани, некоторые виды камня, слоистые пластмассы, древесина и прочее.

У материалов изотропных механические свойства и деформация упругая в любом направлении одинаковы. К таким материалам относятся металлы: алюминий, медь, чугун, сталь и прочее, а также каучук, бетон, естественные камни, пластмассы неслоистые.

Модуль упругости

Стоит отметить, что эта величина непостоянная. Даже для одного материала она может иметь разное значение в зависимости от того, в какие точки была приложена сила. Кое-какие пластично-упругие материалы имеют практически постоянное значение модуля упругости при работе как на растяжение, так и на сжатие: сталь, алюминий, медь. А есть и такие ситуации, когда эта величина измеряется формой профиля.

Некоторые значения (величина представлена в миллионах кгс/см2):

1. Алюминий — 0,7.
2. Древесина поперёк волокон — 0,005.
3. Древесина вдоль волокон — 0,1.
4. Бетон — 0,02.
5. Каменная гранитная кладка — 0,09.
6. Каменная кирпичная кладка — 0,03.
7. Бронза — 1,00.
8. Латунь — 1,01.
9. Чугун серый — 1,16.
10. Чугун белый — 1,15.

Разница в показателях модулей упругости для сталей в зависимости от их марок:

1. Подшипниковые стали (ШХ-15) — 2,1.
2. Пружинные (60С2) и штамповые (9ХМФ) — 2,03.
3. Нержавеющие (12Х18Н10Т) — 2,1.
4. Низколегированные (40Х, 30ХГСА) — 2,05.
5. Обычного качества (Ст. 6, ст.3) — 2,00.
6. Конструкционные высокого качества (45,20) — 2,01.

Ещё это значение изменяется в зависимости от вида проката:

1. Трос с сердечником металлическим — 1,95.
2. Канат плетёный — 1,9.
3. Проволока высокой прочности — 2,1.

Как видно, отклонения в значениях модулей упругой деформации стали незначительны. Именно по этой причине большинство инженеров, проводя свои расчёты, пренебрегают погрешностями и берут значение, равное 2,00.

Механические свойства;

Механические свойства проявляются как способность материала сопротивляться всем видам внешних механических воздействий.

Механические воздействия характеризуют по направлению, длительности и области действия. По направлению механические воздействия можно рассматривать как линейные (растяжение и сжатие) и угловые (изгиб и кручение). По длительности их разделяют на статические и динамические, по области действия — на объемные и поверхностные.

Механические свойства определяют изменение формы, размеров и сплошности веществ и материалов при механических воздействиях, а следовательно, и результат практически любого механического воздействия на вещества и материалы, возникающего при их производстве и эксплуатации (использовании).

К основным механическим свойствам веществ и материалов относятся упругость, жесткость, эластичность, пластичность, прочность, хрупкость, вязкость и твердость.

Упругость — свойство материалов самопроизвольно восстанавливать свои форму и объем (твердые вещества) или только объем (жидкости и газы) при прекращении внешних воздействий. Упругость- обусловлена взаимодействием между атомами (молекулами) вещества и их тепловым движением.

В качестве меры способности материалов или изделий изменять размеры и форму при заданном типе нагрузки используются понятия «эластичность» и «жесткость».

Эластичность — способность материала или изделия претерпевать значительные изменения размеров и формы без разрушения при сравнительно небольшой действующей силе.

Жесткость — способность материала или изделия к меньшему изменению размерив и формы при заданном типе нагрузки. Чем больше жесткость, тем меньше изменения.

Эластичность — способность твердых материалов сохранять измененными форму и объем без микроскопических нарушений сплошности после снятия механических нагрузок, которые вызвали эти изменения.

Пластическая деформация связана с разрывом некоторых межатомных связей и образованием новых. Учет пластичности позволяет определять запасы прочности, деформируемости и устойчивости, расширяет возможности создания конструкций минимального веса.

Механическая прочность твердых веществ — свойство сопротивляться разрушению, разделению на части), а также необратимому изменению формы при механических воздействиях. Прочность твердых веществ обусловлена в конечном счете силами взаимодействия между составляющими их структурными единицами (атомами, ионами и др.).

Хрупкость — свойство твердых веществ разрушаться при механических воздействий без существенных предварительных изменений формы и объема.

Вязкость (внутреннее трение) — способность материалов сопротивляться действию внешних сил, вызывающему:

• в твердых веществах — распространение уже имеющейся острой трещины (разрушение);

• в жидкостях и газах — течение.

Твердость — свойство материалов оказывать сопротивление в поверхностном слое контактному воздействию (вдавливанию или царапанью). Особенность этого свойства заключается в том, что оно реализуется только в небольшом объеме вещества. Твердость — сложное свойство материала, отражающее одновременно его прочность и пластичность.

При отсутствии механических воздействий атомы в кристалле находятся в равновесных положениях. При механических воздействиях происходит деформация материального объекта.

Деформация — изменение взаимного расположения множества частиц вещества, которое приводит к изменению формы и размеров тела или его частей и вызывает изменение сил взаимодействия между ними. Деформируемыми являются все вещества.

Если приложить сжимающую нагрузку, то частицы строения вещества (например, атомы) будут сближаться до такого расстояния, при котором внутренние отталкивающие силы уравновесят внешние сжимающие силы. При растяжении расстояние между структурными частицами увеличивается до тех пор, пока силы притяжения не уравновесят внешнюю нагрузку.

В твердых веществах по механизму протекания различают упругую и пластическую деформации. Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства материала устраняется после прекращения действия внешних сил, а пластической — такую часть деформации, которая остается после снятия нагрузки, необратимо изменяя структуру материала и его свойства.

Все реальные твердые вещества даже при малых деформациях обладают пластическими свойствами, что предопределяет смешанные механизмы протекания деформации — упругопластическую деформацию. Так, в различных деталях и конструкциях пластические деформации охватывают, как правило, небольшой объем материала, остальной — испытывает только упругие деформации. Если величина деформации явно зависит от времени, например возрастает при неизменной нагрузке, но обратима, она называется вязкоупругой.

Пластическая деформация в твердых веществах может осуществляться, например, скольжением, которое протекает в кристаллической решетке вещества по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах, например, могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

Представление процесса скольжения как одновременного передвижения одной части кристалла относительно другой является чисто схематическим (рис), так как такое передвижение потребовало бы величин внешней нагрузки, в сотни и тысячи раз превышающих те, при которых процесс протекает в действительности.

В реальных материалах скольжение осуществляется как в результате перемещения дислокаций в одной плоскости скольжения, так и путем перехода на другие. Дислокации, движущиеся в деформированном кристаллическом веществе, порождают большое число дислоцированных атомов и вакансий.

Большая часть работы (до 95%), затрачиваемой на деформацию, превращается в теплоту (происходит нагрев), остальная часть энергии аккумулируется в виде повышенной плотности дефектов решетки (вакансий и главным образом дислокаций). О накоплении энергии свиде­тельствует также рост остаточных напряжений в результате деформации. В связи с этим состояние пластически деформированного материала неустойчиво и может изменяться, например при термической обработке.

Простейшими элементами деформаций являются:

• относительное удлинение δ — отношение приращения длины (/,—/) образца под действием нагрузки к ее первоначальной величине /:

• относительное сужение ψ — отношение уменьшения площади поперечного сечения образца под действием нагрузки (S—S₁) к ее первоначальной величине S:

Сопротивление деформированию определяется сопротивлением сдвигу одного атомного слоя относительно другого, соседнего. Для оценки величины этого сопротивления введено понятие «напряжение».

Напряжение — мера внутренних сил, возникающих при деформации материала, характеризующая изменение сил взаимодействия между частицами вещества при его деформации. Напряжение не измеряется непосредственно, а лишь вычисляется через величины действующих на тело сил или определяется косвенно — по эффектам его действия, например по пьезоэлектрическому эффекту.

Напряжение является векторной величиной; величины проекции этого вектора на нормаль и касательную плоскость называются нормальным и касательным напряжениями..

Система скольжения при пластической деформации в конкретном кристаллическом веществе характеризуется величиной минимального касательного напряжения, которое необходимо для начала скольжения. Это критическое напряжение сдвига т, которое не зависит от ориентации плоскости скольжения по отношению к приложенной нагрузке и является одной из фундаментальных характеристик кристаллического материала.

Если скольжение в данной системе начинается при достижении напряжения сдвига критической величины т, то продолжение деформации требует непрерывного повышения величины напряжения сдвига, т.е. деформация сопровождается непрерывным упрочнением (деформационное упрочнение, или наклеп).

Наклеп — изменение структуры и свойств с увеличением плотности дефектов кристаллической решетки в веществах в результате пластической деформации. При наклепе уменьшаются пластичность и ударная вязкость, но повышаются твердость и прочность. Наклеп используется для поверхностного упрочнения изделий, но следует иметь в виду, что наклепанные металлы больше подвержены коррозии и склонны к коррозионному растрескиванию.

Напряжения характеризуют по источнику возникновения и по отношению ко времени воздействия.

По источнику возникновения напряжения делят на механические — при механических воздействиях, термические — вследствие температурного градиента, например в процессе быстрого нагрева или охлаждения между поверхностными и внутренними слоями, и структурные (фазовые) — при различных физико-химических процессах, происходящих в веществе, например изменении объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях.

Величина механических напряжений в образце материала σ прямо пропорциональна величине внешней силы F, Па:

где S — площадь образца,м 2 .

Основные механические характеристики сопротивления материала деформации и разрушению: модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, предел пропорциональности, предел упругости, а также пределы текучести и прочности.

Модуль упругости стали

Одной из главных задач инженерного проектирования является выбор материала конструкции и оптимального сечения профиля. Необходимо найти тот размер, который при минимально возможной массе будет обеспечивать сохранение формы системы под воздействием нагрузки.

Например, какой номер стального двутавра использовать в качестве пролетной балки сооружения? Если взять профиль размерами ниже требуемого, то гарантировано получим разрушение строения. Если больше, то это ведет к нерациональному использованию металла, а, следовательно, утяжелению конструкции, усложнению монтажа, увеличению финансовых затрат. Знание такого понятия как модуль упругости стали даст ответ на вышепоставленный вопрос, и позволит избежать появления данных проблем на самом раннем этапе производства.

Общее понятие

Модуль упругости (также известный как модуль Юнга) – один из показателей механических свойств материала, который характеризует его сопротивляемость деформации растяжения. Другими словами, его значение показывает пластичность материала. Чем больше модуль упругости, тем менее будет растягиваться какой-либо стержень при прочих равных условиях (величина нагрузки, площадь сечения и прочее).

В теории упругости модуль Юнга обозначается буквой Е. Является составной частью закона Гука (закона о деформации упругих тел). Связывает напряжение, возникающее в материале, и его деформацию.

Согласно международной стандартной системе единиц измеряется в МПа. Но на практике инженеры предпочитают использовать размерность кгс/см2.

Определение модуля упругости осуществляется опытным путем в научных лабораториях. Суть данного способа заключается в разрыве на специальном оборудовании гантелеобразных образцов материала. Узнав напряжение и удлинение, при котором произошло разрушение образца, делят данные переменные друг на друга, тем самым получая модуль Юнга.

Отметим сразу, что таким методом определяются модули упругости пластичных материалов: сталь, медь и прочее. Хрупкие материалы – чугун, бетон – сжимают до появления трещин.

Дополнительные характеристики механических свойств

Модуль упругости дает возможность предугадать поведение материла только при работе на сжатие или растяжение. При наличии таких видов нагрузок как смятие, срез, изгиб и прочее потребуется введение дополнительных параметров:

• Жесткость есть произведение модуля упругости на площадь поперечного сечения профиля. По величине жесткости можно судить о пластичности уже не материала, а узла конструкции в целом. Измеряется в килограммах силы.
• Относительное продольное удлинение показывает отношение абсолютного удлинения образца к общей длине образца. Например, к стержню длиной 100 мм приложили определенную силу. Как результат, он уменьшился в размере на 5 мм. Деля его удлинение (5 мм) на первоначальную длину (100 мм) получаем относительное удлинение 0,05. Переменная является безразмерной величиной. В некоторых случаях для удобства восприятия переводится в проценты.
• Относительное поперечное удлинение рассчитывается аналогично вышепредставленному пункту, но вместо длины здесь рассматривается диаметр стержня. Опыты показывают, что для большинства материалов поперечное удлинение в 3-4 раза меньше, чем продольное.
• Коэффициент Пуансона есть отношение относительной продольной деформации к относительной поперечной деформации. Данный параметр позволяет полностью описать изменение формы под воздействием нагрузки.
• Модуль сдвига характеризует упругие свойства при воздействии на образец касательных напряжений, т. е. в случае, когда вектор силы направлен под 90 градусов к поверхности тела. Примерами таких нагрузок является работа заклепок на срез, гвоздей на смятие и прочее. По большому счету, модуль сдвига связан с таким понятием как вязкость материла.
• Модуль объемной упругости характеризуется изменением объема материала для равномерного разностороннего приложения нагрузки. Является отношением объемного давления к объемной деформации сжатия. Примером такой работы служит опущенный в воду образец, на который по всей его площади воздействует давление жидкости.

Помимо вышесказанного необходимо упомянуть, что некоторые типы материалов имеют различные механические свойства в зависимости от направления нагрузки. Такие материалы характеризуются как анизотропные. Яркими примерами служит древесина, слоистые пластмассы, некоторые виды камня, ткани и прочее.

У изотропных материалов механические свойства и упругая деформация одинаковы в любом направлении. К ним относят металлы (сталь, чугун, медь, алюминий и прочее), неслоистые пластмассы, естественные камни, бетон, каучук.

Значение модуля упругости

Необходимо заметить, что модуль Юнга не является постоянной величиной. Даже для одного и того же материала он может колебаться в зависимости от точек приложения силы.

Некоторые упруго — пластичные материалы обладают более или менее постоянным модулем упругости при работе как на сжатие, так и на растяжение: медь, алюминий, сталь. В других случаях упругость может изменяться исходя из формы профиля.

Вот примеры значений модуля Юнга (в миллионах кгссм2) некоторых материалов:

• Чугун белый – 1,15.
• Чугун серый -1,16.
• Латунь – 1,01.
• Бронза — 1,00.
• Кирпичная каменная кладка – 0,03.
• Гранитная каменная кладка – 0,09.
• Бетон – 0,02.
• Древесина вдоль волокон – 0,1.
• Древесина поперек волокон – 0,005.
• Алюминий – 0,7.

Рассмотрим разницу в показаниях между модулями упругости для сталей в зависимости от марки:

• Стали конструкционные высокого качества (20, 45) – 2,01.
• Стали обычного качества (Ст.3, Ст.6) — 2,00.
• Стали низколегированные (30ХГСА, 40Х) – 2,05.
• Стали нержавеющие (12Х18Н10Т) – 2,1.
• Стали штамповые (9ХМФ) – 2,03.
• Стали пружинные (60С2) – 2,03.
• Стали подшипниковые (ШХ15) – 2,1.

Также значение модуля упругости для сталей изменяется исходя из вида проката:

• Проволока высокой прочности – 2,1.
• Плетенный канат – 1,9.
• Трос с металлическим сердечником – 1,95.

Как видим, отклонения между сталями в значениях модулей упругой деформации имеют небольшую величину. Поэтому в большинстве инженерных расчетов можно пренебречь погрешностями и брать значение Е=2,0.

Модуль Юнга (упругости)

Все твердые тела, как кристаллические, так и аморфные, имеют свойство изменять свою форму под воздействие приложенной к ним силы. Другими словами, они подвергаются деформации. Если тело возвращается к исходным размерам и форме после того, как внешнее усилие прекращает свое воздействие, то его называют упругим, а его деформацию считают упругой. Для любого тела существует предел приложенного усилия, после которого деформация перестает быть упругой, тело не возвращается в исходную форму и к исходным размерам, а остается в деформированном состоянии или разрушается. Теория упругих деформаций тел была создана в конце 17 века британским ученым Р. Гуком и развита в трудах его соотечественника Томаса Юнга. В их честь Гука и Юнга были названы соответственно закон и коэффициент, определяющий степень упругости тел. Он активно применяется в инженерном деле в ходе расчетов прочности конструкций и изделий.

Основные сведения

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/м 2 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 (10 12 Па)

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.

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.

Значения модуля юнга для некоторых материалов

В таблице показаны значения E ряда распространенных веществ.

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.

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.