Samouczek: Moduł sprężystości stali - Materiałoznawstwo

Stal jest ważnym materiałem w nowoczesnym przemyśle i jest używana do różnych zastosowań. Istotną właściwością, którą należy wziąć pod uwagę podczas używania stali, jest ich sprężystość. Moduł sprężystości lub moduł Younga wskazuje, jakie naprężenie jest potrzebne do osiągnięcia pewnego stopnia wydłużenia. W artykule tym przyjrzymy się różnym rodzajom stali i ich modułom sprężystości.

Czym jest stal?

Stal składa się głównie z żelaza (Fe) i węgla (C), ale inne elementy mogą być również dodawane w celu poprawy lub dostosowania jej właściwości.

Większość dostępnych na rynku gatunków ma zawartość węgla od 0,2% do 2%. Dokładny skład różni się w zależności od producenta i przeznaczenia materiału.

Dziś, dzięki nowoczesnym technologiom i wynikom badań, można produkować gatunki stali, które mają imponujące połączenie właściwości. Właściwości te są wynikiem celowego dodawania pierwiastków stopowych, takich jak chrom, molibden lub nikiel w określonych proporcjach.

Te pierwiastki towarzyszące w stali odgrywają również ważną rolę w określaniu jej właściwości fizycznych i chemicznych. Na przykład węgiel zwiększa twardość materiału, podczas gdy siarka sprawia, że jest krucha.
Ponadto struktura krystaliczna stali po odkształceniu i stan jej obróbki cieplnej są również decydujące dla jej ostatecznych właściwości mechanicznych i termodynamicznych. Kontrolowane procesy chłodzenia lub ogrzewania mogą osiągnąć pożądany stan.

Jakie są gatunki stali?

Jest szeroka gama różnych gatunków stali produkowanych do różnych celów. Niektóre z najczęstszych typów to stal węglowa, stal stopowa i stal nierdzewna.

Stale węglowe mają wysoką zawartość węgla i są często używane na elementy konstrukcyjne, takie jak belki lub mosty. Mogą być również stosowane w obrabiarkach, ponieważ są wystarczająco twarde, aby wykonywać cięcia. Ze względu na wysoką wytrzymałość i twardość, stal węglowa jest popularnym materiałem w konstrukcji maszyn specjalnych. Szczególnie nadają się na elementy narażone na duże obciążenia, takie jak koła zębate lub wały.

Oprócz żelaza, stale stopowe zawierają również inne pierwiastki, takie jak chrom lub molibden. Dodatki te zwiększają wytrzymałość materiału i jego odporność na korozję od wody lub wilgoci. W budowie maszyn specjalnych stosuje się stal stopową, na przykład w produkcji części do obrabiarek. W produkcji specjalnego sprzętu do budowy kopalni i tuneli, a także w budowie żurawi, często stosuje się również stale stopowe.

Stale wolne od rdzy (nierdzewne) charakteryzują się wysoką odpornością na rdzę - stąd ich nazwa "wolne od rdzy". Dzięki temu idealnie nadają się do użytku na zewnątrz budynków i w środowiskach narażonych na wilgoć, takich jak przybory kuchenne lub sprzęt medyczny. Stale wolne od rdzy i stale nierdzewne są niezbędne w konstrukcji maszyn specjalnych. Oferują wysoką odporność na korozję, co jest szczególnie korzystne w środowiskach mokrych lub agresywnych.

Oprócz tych trzech głównych typów na rynku dostępnych jest wiele innych specjalistycznych gatunków stali: Stale wysokotemperaturowe, na przykład, są stosowane w ekstremalnie gorących warunkach; stale elektryczne z kolei umożliwiają wyższą efektywność energetyczną w transformatorach elektrycznych; stale sprężynowe są stosowane głównie w budowie sprężyn.

Jaki jest moduł sprężystości stali?

Jak określa się moduł sprężystości stali?

Moduł sprężystości jest definiowany przez zakres liniowy na wykresie naprężenie-odkształcenie.

Przy obciążeniu jednoosiowym w teście rozciągania ten zakres liniowy można łatwo rozpoznać: Im wyższa siła rozciągająca, tym bardziej materiał wydłuża się - ale zawsze proporcjonalny do tej siły. Z nachylenia tego liniowo-elastycznego obszaru wynika następnie moduł sprężystości tego materiału.

Z tego wyprowadzenia, prawo Hooke'a ma zastosowanie do:

Moduły E różnych rodzajów stali

Ważne jest, aby pamiętać, że e-moduł zależy nie tylko od składu chemicznego materiału, ale także od procesu produkcyjnego i właściwości mechanicznych, takich jak twardość lub wytrzymałość.

Im wyższy e-moduł określonego gatunku stali, tym bardziej wykonane z niego konstrukcje są wytrzymałe na obciążenia.