Модуль упругости нержавеющей стали

До того, как взять в работу какой-то строительный материал, необходимо изучить его прочностные данные и возможное взаимодействие с другими веществами и материалами, их сочетаемость в плане адекватного поведения при одинаковых нагрузках на конструкцию. Определяющая роль для решения этой задачи отводится модулю упругости – его называют ещё модулем Юнга.

Высокая прочность стали позволяет использовать её при строительстве высотных зданий и ажурных конструкций стадионов и мостов. Добавки в сталь некоторых веществ, влияющих на её качество, называют легированием, и эти добавки могут увеличить прочность стали в два раза. Модуль упругости стали легированной гораздо выше, чем обычной. Прочность в строительстве, как правило, достигается подбором площади сечения профиля в силу экономических причин: высоколегированные стали имеют более высокую стоимость.

Далее, будет рассмотрено значение термина, изменчивость его для стали различных сортов. Для сравнения будут приведены значения модуля других материалов.

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:

• Юнга (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.

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.

Как определить модуль упругости стали

Для определения параметров различных марок стали существуют специальные таблицы в составе нормативных документов в области строительства – в строительных нормах и правилах (СНиП) и государственных стандартах (ГОСТ). Так, модуль упругости (Е) или Юнга, у чугуна белого и серого от 115 до 160 ГПа, ковкого – 155. Что касается стали, то модуль упругости стали С245 – углеродистой имеет значения от 200 до 210 ГПа. Легированная сталь имеет показатели несколько выше – от 210 до 220 ГПа.

Та же самая характеристика у рядовых марок стали Ст.3 и Ст.5 имеет то же значение – 210 ГПа, а у стали Ст.45, 25Г2С и 30ХГС – 200 ГПа. Как видим, изменчивость (Е) для различных марок стали незначительна, а вот в изделиях, например, в канатах – другая картина:

• у прядей и свивок проволоки высокой прочности 200 ГПа;
• стальные тросы с металлическим стержнем 150 ГПа;
• стальные канаты с органическим сердечником 130 ГПа.

Как можно заметить, разница значительная.

Значения модуля сдвига или жёсткости (G) можно увидеть в тех же таблицах, они имеют меньшие значения, для прокатной стали – 84 ГПа, углеродистой и легированной – от 80 до 81 гпа, а для сталей Ст.3 и Ст.45–80 ГПа. Причиной различия значений параметра упругости является одновременное действие сразу трёх основных модулей, рассчитываемых по разным методикам. Однако разница между ними небольшая, что говорит о достаточной точности изучения упругости. Поэтому не стоит зацикливаться на вычислениях и формулах, а следует принять конкретную величину упругости и пользоваться ей как константой. Если не производить вычисления по отдельным модулям, а сделать расчёт комплексно, значение (Е) будет составлять 200 ГПа.

Необходимо понимать, значения эти разнятся для сталей с разными присадками и стальных изделий, включающих детали из других веществ, но разнятся эти значения незначительно. Основное влияние на показатель упругости оказывает содержание углерода, а вот способ обработки стали – горячий прокат или холодная штамповка, значительного влияния не оказывает.

При выборе стальных изделий пользуются также и ещё одним показателем, который регламентируется так же, как и модуль упругости в таблицах изданий ГОСТ и СНиП – это расчётное сопротивление растягивающим, сжимающим и изгибающим нагрузкам. Размерность у этого показателя та же, что и у модуля упругости, но значения на три порядка меньше. Этот показатель имеет два назначения: нормативное и расчётное сопротивление, названия сами говорят за себя – расчётное сопротивление применяется при выполнении расчётов прочности конструкций. Так, расчётное сопротивление стали С255 при толщине проката от 10 до 20 мм – 240 МПа, при нормативном 245 МПа. Расчётное сопротивление проката от 20 до 30 мм чуть ниже и составляет 230 МПа.

классификация сталей

К зарубежным нержавеющим сталям относятся следующие марки: 301, 304, 304L, 304H, 316, 316L, 316H, 316Ti, 430, 430F, 410, 420, 431, 440 (440A, 440B, 440C).

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ. ИХ СОСТАВ И КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

Стали	Композиция (состав) и краткое описание
Углеродистые (Carbon steels)	Не более 1% углерода (C), 0,6% меди (Cu), 1,65% магния (Mg), 0,4% фосфора (P), 0,6% кремния (Si) и 0,05% серы (S).
Легированные (Alloy steels)	Ограничения по содержанию химических элементов как для углеродистых сталей. Легированные стали содержат такие химические элементы, как никель (Ni), хром (Cr) до 3,99%, кобальт и др.
Нержавеющие (Stainless steels)	Содержат не менее 10% хрома (Cr), в зависимости от стурктуры подразделяются на группы:
	Аустенитные	Обычно содержат 18% хрома (Cr) и 8% никеля (Ni). Немагнитятся после отпуска. Не закаливаются. Стали типа 301, 303, 304, 316 и др.
	Ферритные	Содержат небольшое количество никеля, от 12 до 17% хрома с другими химическими элементами, такими, как алюминий (Al) или титан (Ti). Дешевле аустенитной нержавеющей стали. Химическая стойкость хуже аустенитной нержавеющей стали. Магнитятся всегда. Не закаливаются. Стали типа 430.
	Мартенситные	Обычно содержат 12% хрома (Cr) и не содержат никеля (Ni). Магнитятся. Повышение твёрдости достигается при термической обработке. Стали типа 410, 420, 431 и 440.

АУСТЕНИТНЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ

Тип	Содержание	Плотн., кг/м 3	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент линейного температурн. расширения, 1/К	Коэффициент теплопередачи, Вт/м К	Твёрд. HRC (HRB)	Твёрд. HB	Примечание
301	0.15%max С, 16-18% Cr, 2% Mn, 6-8% Ni	8000	193	17	16,2	(85)	165	Коррозионная стойкость близкая стали 304. Ближайшими аналогами являются стали типа 304 и 316.
304	о С и выше.
304L	о С.
316L	о С.
316Ti	о С.

ФЕРРИТНЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ типа 430

Обозначение по международным стандартам

Международный стандарт	Американский ASTM A240	Европейский ЕN 10088-2	Российский ГОСТ 5632-72
Обозначение марки	AISI 304	1.4301	08Х18Н10
			12Х18Н9

Применяемые стандарты и одобрения

AMS 5513
ASTM A 240
ASTM A 666

Классификация

сталь коррозионно-стойкая жаропрочная

Применение

• Предметы домашнего обихода
• Раковины
• Каркасы для металлоконструкций в строительной промышленности
• Кухонная утварь и оборудование для общепита
• Молочное оборудование, пивоварение
• Сварные конструкции
• Резервуары судовые и наземные танкеры для продовольствия, напитков и некоторых химических веществ

Обычно производители стали разделяют марку на три основных класса (сорта) по способности к волочению:

• AISI 304 — Основной сорт
• AISI 304 DDQ (Normal and deep drawing) — Сорт глубокой вытяжки
• AISI 304 DDS (Extra deep drawing) — Сорт особо глубокой вытяжки

Основные характеристики

• хорошее общее сопротивление коррозии
• хорошая пластичность
• превосходная свариваемость

Химический состав (% к массе)

стандарт	марка	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
ASTM A240	AISI 304	≤0.080	≤0.75	≤2.0	≤0.045	≤0.030	18.00 — 20.00	8.00 — 10.50

Механические свойства

AISI 304	Сопротивление на разрыв (σв), Н/мм²	Предел текучести(σ0,2), Н/мм²	Предел текучести(σ1,0), Н/мм²	Относительное удлинение (σ), %	Твердость по Бринеллю (HB)	Твердость по Роквеллу (HRB)
В соответствии с EN 10088-2	≥520	≥210	≥250	≥45	—	—
В соответствии с ASTM A 240	≥515	≥205	—	≥40	202	85

Механические свойства при высоких температурах

Все эти значения относятся к только AISI 304.

Физические свойства

Физические свойства	Условные обозначения	Единица измерения	Температура	Значение
Плотность	d	—	4°C	7.93
Температура плавления	°C	1450
Удельная теплоемкость	c	J/kg.K	20°C	500
Тепловое расширение	k	W/m.K	20°C	15
Средний коэффициент теплового расширения	α	10 -6 .K -1	0-100°C 0-200°C	17.5 18
Электрическое удельное сопротивление	ρ	Ωmm 2 /m	20°C	0.80
Магнитная проницаемость	μ	в 0.80 kA/m DC или в/ч AC	20°C μ μ разряж.возд.	1.02
Модуль упругости	E	MPa x 10 3	20°C	200

Сопротивление коррозии

304-е стали имеют хорошее сопротивление к общим коррозийным средам, но не рекомендованы там, где есть риск межкристаллитной коррозии. Они хорошо приспособлены для эксплуатации в пресной воде и городской и сельской среде. Во всех случаях необходима регулярная очистка внешних поверхностей для сохранения их первоначального состояния.

304-е стали имеют хорошее сопротивление различным кислотам:

• фосфорной кислоте во всех концентрациях при температуре окружающей среды,
• азотной кислоте до 65 % при температуре 20°C — 50°C,
• муравьиной и молочной кислоте при комнатной температуре,
• уксусной кислоте при температуре 20°C — 50°C.

Их рекомендуют для производства оборудования, контактирующего с холодными или горячими пищевыми продуктами: вино, пиво, молоко (кисломолочные продукты), спирт, натуральные плодовые соки, сиропы, патока, и т.д.

Кислотные среды

Температура, °C	20						80
Концентрация, % к массе	10	20	40	60	80	100	10	20	40	60	80	100
Серная кислота	2	2	2	2	1		2	2	2	2	2	2
Азотная кислота					2						1	2
Фосфорная кислота						2					1	2
Муравьиная кислота								1	2	2	1

Код: 0 = высокая степень защиты — Скорость коррозии менее чем 100мкм/год
1 = частичная защита — Скорость коррозии от 100 до 1000мкм/год
2 = нет защиты — Скорость коррозии более чем 1000мкм/год

Атмосферные воздействия

Сравнение 304-й марки с другими металлами в различных окружающих средах (Скорость коррозии расчитана при 10-летнем воздействии).

Окружающая среда	Скорость коррозии (мкм/год)
	AISI 304	Алюминий-3S	Углеродистая сталь
Сельская	0.0025	0.025	5.8
Морская	0.0076	0.432	34.0
Индустриальная Морская	0.0076	0.686	46.2

Устойчивость к коррозии в кипящих химикалиях

Кипящая среда	Состояние металла	Скорость коррозии (мм/год)
20%-ая уксусная кислота	Обычный металл Сваренный	* (При толщине образца 0.8 мм и диаметре пресса равном 20 мм)
AISI 430	2.05 мм
AISI 304	2.0 мм

*Limiting drawing ratio — предельный коэффициент вытяжки