Механические свойства конструкционных материалов

Справочная таблица механических свойств материалов для расчётов по сопромату: модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона, плотность, предел текучести и временное сопротивление, коэффициент температурного расширения для сталей, чугуна, алюминиевых и медных сплавов, титана, древесины, бетона и пластмасс. Связь упругих констант, допускаемые напряжения и коэффициенты запаса.

Рекламный блок «после калькулятора» (ads/after-calc.html)

В таблицах приведены типичные значения при комнатной температуре. Прочностные характеристики сильно зависят от марки, термообработки, толщины проката и направления волокон, поэтому для ответственных расчётов используйте нормативные значения из стандартов на материал и строительных норм (например, расчётные сопротивления стали по СП 16.13330). Упругие константы (E, G, ν) от марки зависят слабо.

Металлы

МатериалE, ГПаG, ГПаνρ, кг/м³σт, МПаσв, МПаα, 10⁻⁶ 1/°C
Сталь Ст3 (С245)200–210800,37850235–245370–48012
Сталь 09Г2С206800,37850325–345470–49012
Сталь 45 (нормализованная)200–210800,3785035560011,5
Сталь 40Х (закалка + отпуск)210800,3785078598011,5
Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т195–200770,37900200–240510–55016,5
Пружинная сталь 60С2А20078–800,378501400–16001600–190011,5
Чугун серый СЧ2085–11035–450,23–0,277100–7200—200 (растяжение)10
Чугун высокопрочный ВЧ50160–17063–650,287100–720032050011
Алюминий АД31 (6063) Т669–70260,332700150–200200–24023
Дюралюминий Д16Т (2024)71–72270,332780280–330420–47023
Медь М1 (отожжённая)110–13044–480,34894060–70200–24016,5
Латунь Л63100–11037–400,358500110–350300–50019
Бронза БрАЖ9-4110–12042–450,337600200–250500–60017
Титан ВТ6 (Ti-6Al-4V)110–11542–440,324430830–880900–10008,6
Магниевый сплав МА2-140–4516–170,3–0,351780160–180250–27026

σт — предел текучести (для материалов без площадки текучести — условный, σ0,2), σв — временное сопротивление (предел прочности при растяжении), α — коэффициент линейного температурного расширения. Чугун на сжатие работает в 3–4 раза лучше, чем на растяжение.

Рекламный блок «внутри статьи» (ads/in-article.html)

Неметаллические материалы

МатериалE, ГПаνρ, кг/м³Прочность, МПаα, 10⁻⁶ 1/°C
Сосна вдоль волокон (влажность 12 %)10–12—500растяжение 80–100, сжатие 40–45, изгиб 70–853–5
Дуб вдоль волокон12–14—700растяжение 120, сжатие 55, изгиб 955
Бетон B25300,22400сжатие 25 (класс), растяжение ≈ 1,510
Кирпичная кладка2–50,2–0,251600–1800сжатие 1–35
Стекло700,222500растяжение 30–90, сжатие ≈ 10009
Стеклопластик (однонаправленный)35–450,25–0,31900–2100растяжение 800–12006–8
Углепластик (однонаправленный)120–1500,31550–1600растяжение 1500–2500≈ 0
Капрон (полиамид ПА6)2–30,41130растяжение 60–8080–100
Поликарбонат2,3–2,40,371200растяжение 60–7065–70
Полиэтилен ПНД0,8–1,20,42–0,45950растяжение 20–30120–200
Резина0,001–0,010,47–0,51100–1300растяжение 10–25150–200

Свойства древесины поперёк волокон в несколько раз ниже, чем вдоль, а пластмассы заметно ползут под постоянной нагрузкой и теряют жёсткость при нагреве.

Связь упругих констант

Для изотропного материала модуль сдвига и объёмный модуль выражаются через E и ν:

G = E / (2(1 + ν)),   K = E / (3(1 − 2ν)).

Для стали: 206/(2·1,3) ≈ 79 ГПа. Коэффициент Пуассона лежит между 0 и 0,5; значение 0,5 соответствует несжимаемому материалу (резина близка к нему).

Допускаемые напряжения и коэффициенты запаса

Допускаемое напряжение получают делением опасного напряжения на коэффициент запаса: [σ] = σт/nт для пластичных материалов и [σ] = σв/nв для хрупких.

УсловияЗапас по текучести nтЗапас по прочности nв
Статическая нагрузка, точный расчёт, пластичный материал1,3–1,52,0–2,5
Статическая нагрузка, приближённый расчёт1,5–2,02,5–3,0
Хрупкие материалы (чугун, керамика)—3–5
Переменная и ударная нагрузкарасчёт на выносливость—

Касательные допускаемые напряжения для пластичных материалов обычно принимают [τ] ≈ (0,5–0,6)·[σ]. Именно так их оценивают калькуляторы кручения вала и расчёта на срез и смятие.

Рекламный блок «внизу страницы» (ads/bottom.html)