Приложение 4. Расчетные значения модуля продольной упругости

Физический смысл

Обозначение модуля упругости как физической величины – (Е), этот показатель характеризует упругую сопротивляемость материала изделия прилагаемым к нему деформирующим нагрузкам:

  • продольным – растягивающим и сжимающим;
  • поперечным – изгибающим или исполненным в виде сдвига;
  • объёмным – скручивающим.

Чем выше значение (Е), тем выше сопротивляемость материала нагрузкам, тем прочнее будет изделие из этого материала и тем выше будет предел разрушения. Например, для алюминия эта величина составляет 70 ГПа, для чугуна – 120, железа – 190, а для стали до 220 ГПа.

Определение

Модуль упругости – сводный термин, вобравший в себя другие физические показатели свойства упругости твёрдых материалов – под воздействием силы изменяться и обретать прежнюю форму после её прекращения, то есть, упруго деформироваться. Это отношение напряжения в изделии – давление силы на единицу площади, к упругой деформации (безразмерная величина, определяемая отношением размера изделия к его изначальному размеру). Отсюда и его размерность, как и у напряжения – отношение силы к единице площади. Поскольку напряжение в метрической СИ принято измерять в Паскалях, то и показатель прочности – тоже.

Существует и другое, не очень корректное определение: модуль упругости – это давление, способное удлинить изделие вдвое. Но предел текучести большого количества материалов значительно ниже прилагаемого давления.

Модули упругости, их виды

Способов изменения условий приложения силы и вызываемых при этом деформаций много, и это предполагает и большое количество видов модулей упругости, но на практике сообразно деформирующим нагрузкам выделяют три основных:

  • izmerenie-uprugosti.jpgЮнга (Е) представляет упругую сопротивляемость растягивающим и сжимающим нагрузкам – собственно, именно этим термином пользуются, когда говорят о модуле упругости;
  • модуль сдвига (G) характеризует сопротивляемость любому нарушению формы без её разрушения или изменения нормы – это отношение сдвигающей нагрузки к деформации, проявляющейся в виде изменчивости прямого угла между двумя половинами плоскости, подвергшейся нагрузке. Второе название этого термина – жёсткости, он же представляет и вязкость материала;
  • модуль объёмной упругости (К) – сопротивляемость изменению объёма при разносторонних нормально приложенных напряжениях, имеющих равную величину по всем векторам. Его называют ещё модулем объёмного сжатия, выражается отношением объёмного давления к объёмной деформации сжатия.

Читайте также:  Давление газа для газовой плиты из баллона

Этими показателями характеристики упругости не исчерпываются, есть и другие, которые несут другую информацию, имеют иную размерность и смысл. Это также широко известные среди специалистов показатели упругости Ламе и коэффициент Пуассона.

Модуль упругости — что это?

Модулем упругости какого-либо материала называют совокупность физических величин, которые характеризуют способность какого-либо твёрдого тела упруго деформироваться в условиях приложения к нему силы. Выражается она буквой Е. Так она будет упомянута во всех таблицах, которые будут идти далее в статье.

Невозможно утверждать, что существует только один способ выявления значения упругости. Различные подходы к изучению этой величины привели к тому, что существует сразу несколько разных подходов. Ниже будут приведены три основных способа расчёта показателей этой характеристики для разных материалов:

  • Модуль Юнга (Е) описывает сопротивление материала любому растяжению или сжатию при упругой деформации. Определяется вариант Юнга отношением напряжения к деформации сжатия. Обычно именно его называют просто модулем упругости.
  • Модуль сдвига (G), называемый также модулем жёсткости. Этот способ выявляет способность материала оказывать сопротивление любому изменению формы, но в условиях сохранения им своей нормы. Модуль сдвига выражается отношением напряжения сдвига к деформации сдвига, которая определяется в виде изменения прямого угла между имеющимися плоскостями, подвергающимися воздействию касательных напряжений. Модуль сдвига, кстати, является одной из составляющих такого явления, как вязкость.
  • Модуль объёмной упругости (К), которые также именуется модулем объёмного сжатия. Данный вариант обозначает способность объекта из какого-либо материала изменять свой объём в случае воздействия на него всестороннего нормального напряжения, являющимся одинаковым по всем своим направлениям. Выражается этот вариант отношением величины объёмного напряжения к величине относительного объёмного сжатия.
  • Существуют также и другие показатели упругости, которые измеряются в других величинах и выражаются другими отношениями. Другими ещё очень известными и популярными вариантами показателей упругости являются параметры Ламе или же коэффициент Пуассона.

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. sila_uprugosti.jpgЖёсткостью 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. diagramma_rastyazheniya.jpgКоэффициент 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 Юнга и сдвига, коэффициент Пуассона значения (Таблица)

Упругие свойства тел

Ниже приводятся справочные таблицы общеупотребительных констант; если известны две их них, то этого вполне достаточно для определения упругих свойств однородного изотропного твердого тела.

Модуль Юнга или модуль продольной упругости в дин/см2.

Модуль сдвига или модуль кручения G в дин/см2.

Модуль всестороннего сжатия или модуль объемной упругости К в дин/см2.

Объем сжимаемости k=1/K/.

Коэффициент Пуассона µ равен отношению поперечного относительного сжатия к продольному относительному растяжению.

Для однородного изотропного твердого материала имеют место следующие соотношения между этими константами:

G = E / 2(1 + μ) — (α)

Читайте также:  Классификация стали по содержанию примесей

μ = (E / 2G) — 1 — (b)

K = E / 3(1 — 2μ) — (c)

Коэффициент Пуассона имеет положительный знак, и его значение обычно заключено в пределах от 0,25 до 0,5, но в некоторых случаях он может выходить за указанные пределы. Степень совпадения наблюдаемых значений µ и вычисленных по формуле (b) является показателем изотропности материала.

Таблицы значений Модуля упругости Юнга, Модуля сдвига и коэффициента Пуассона

Курсивом даны значения, вычисленные из соотношений (a), (b), (c).

Материал при 18°С Модуль Юнга E, 1011 дин/см2. Модуль сдвига G, 1011 дин/см2. Коэффициент Пуассона µ Модуль объемной упругости К, 1011 дин/см2.
Алюминий 7,05 2,62 0,345 7,58
Висмут 3,19 1,20 0,330 3,13
Железо 21,2 8,2 0,29 16,9
Золото 7,8 2,7 0,44 21,7
Кадмий 4,99 1,92 0,300 4,16
Медь 12,98 4,833 0,343 13,76
Никель 20,4 7,9 0,280 16,1
Платина 16,8 6,1 0,377 22,8
Свинец 1,62 0,562 0,441 4,6
Серебро 8,27 3,03 0,367 10,4
Титан 11,6 4,38 0,32 10,7
Цинк 9,0 3,6 0,25 6,0
Сталь (1% С) 1) 21,0 8,10 0,293 16,88
(мягкая) 21,0 8,12 0,291 16,78
Константан 2) 16,3 6,11 0,327 15,7
Манганин 12,4 4,65 0,334 12,4
1) Для стали, содержащий около 1% С, упругие константы, как известно , меняются при термообработке.

2) 60% Cu, 40% Ni.

Экспериментальные результаты, приводимые ниже, относятся к обычным лабораторным материалам, главным образом проволокам.

Вещество Модуль Юнга E, 1011 дин/см2. Модуль сдвига G, 1011 дин/см2. Коэффициент Пуассона µ Модуль объемной упругости К, 1011 дин/см2.
Бронза (66% Cu) -9,7-10,2 3,3-3,7 0,34-0,40 11,2
Медь 10,5-13,0 3,5-4,9 0,34 13,8
Нейзильбер1) 11,6 4,3-4,7 0,37
Стекло 5,1-7,1 3,1 0,17-0,32 3,75
Стекло иенское крон 6,5-7,8 2,6-3,2 0,20-0,27 4,0-5,9
Стекло иенское флинт 5,0-6,0 2,0-2,5 0,22-0,26 3,6-3,8
Железо сварочное 19-20 7,7-8,3 0,29 16,9
Чугун 10-13 3,5-5,3 0,23-0,31 9,6
Магний 4,25 1,63 0,30
Бронза фосфористая2) 12,0 4,36 0,38
Платиноид3) 13,6 3,6 0,37
Кварцевые нити (плав.) 7,3 3,1 0,17 3,7
Резина мягкая вулканизированная 0,00015-0,0005 0,00005-0,00015 0,46-0,49
Сталь 20-21 7,9-8,9 0,25-0,33 16,8
Цинк 8,7 3,8 0,21
1) 60% Cu, 15% Ni, 25% Zn

2) 92,5% Cu, 7% Sn, 0,5% P

3) Нейзильбер с небольшим количеством вольфрама.

Вещество Модуль Юнга E, 1011 дин/см2. Вещество Модуль Юнга E, 1011 дин/см2.
Цинк (чистый) 9,0 Дуб 1,3
Иридий 52,0 Сосна 0,9
Родий 29,0 Красное дерево 0,88
Тантал 18,6 Цирконий 7,4
Инвар 17,6 Титан 10,5-11,0
Сплав 90% Pt, 10% Ir 21,0 Кальций 2,0-2,5
Дюралюминий 7,1 Свинец 0,7-1,6
Шелковые нити1 0,65 Тиковое дерево 1,66
Паутина2 0,3 Серебро 7,1-8,3
Кетгут 0,32 Пластмассы:
Лед (-20С) 0,28 Термопластичные 0,14-0,28
Кварц 7,3 Термореактивные 0,35-1,1
Мрамор 3,0-4,0 Вольфрам 41,1
1) Быстро уменьшается с увеличением нагрузки

2) Обнаруживает заметную упругую усталость

Температурный коэффициент (при 150С)

Et=E11 (1-ɑ (t-15)), Gt=G11 (1-ɑ (t-15))

Сжимаемость k, бар-1 (при 7-110С)
ɑ, для Е ɑ, для G
Алюминий 4,8*10-4 5,2*10-4 Алюминий 1,36*10-6
Латунь 3,7*10-4 4,6*10-4 Медь 0,73*10-6
Золото 4,8*10-4 3,3*10-4 Золото 0,61*10-6
Железо 2,3*10-4 2,8*10-4 Свинец 2,1*10-6
Сталь 2,4*10-4 2,6*10-4 Магний 2,8*10-6
Платина 0,98*10-4 1,0*10-4 Платина 0,36*10-6
Серебро 7,5*10-4 4,5*10-4 Стекло флинт 3,0*10-6
Олово 5,9*10-4 Стекло немецкое 2,57*10-6
Медь 3,0*10-4 3,1*10-4 Сталь 0,59*10-6
Нейзильбер 6,5*10-4
Фосфористая бронза 3,0*10-4
Кварцевые нити -1,5*10-4 -1,1*10-4

Общие понятия

tverdye_tela_priznaki.jpgМодуль 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.

modul_uprugosti.jpgИзмеряется 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.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий