Какая сталь прочнее: холоднокатаная, горячекатаная или нержавеющая?

Хорошо, несколько определений:

Предел текучести — это величина силы, необходимой для того, чтобы сталь начала пластически деформироваться (то есть необратимо растянулась).

Предел прочности (также известный как «предельная прочность») — это величина силы, необходимой для того, чтобы сталь действительно разрушилась. Она будет равна пределу текучести или превышать его.

Минимум означает, что сталь будет как минимум такой прочной.

Твёрдость — это показатель устойчивости стали к царапинам и вмятинам. Для конструкционных целей это, вероятно, не так важно, но может иметь значение, если вам нужна прочная поверхность, например столешница верстака или точка опоры инструмента.

Жёсткость (вы не спрашивали об этом, но это ещё один способ оценить прочность материала) — это показатель того, насколько сильно что-то деформируется под воздействием силы. Стальные сплавы в этом отношении довольно похожи.

Как видите, у слова «самый» нет конкретного определения, всё зависит от того, что вы ищете.

Вот аналогия, объясняющая разницу между пределом текучести и пределом прочности при растяжении:
Представьте, что у вас есть пружина. Вы слегка натягиваете её, а когда отпускаете, она возвращается к своей первоначальной форме. Это «упругая деформация», при которой не происходит никаких повреждений. Теперь вы сильно натягиваете пружину, и она больше не возвращается к своей первоначальной форме. Материал деформировался, и произошла «пластическая деформация». В зависимости от области применения это может считаться или не считаться «отказом». Теперь потяните сильнее, и пружина сломается. Это предельная прочность. Очевидно, что пружина вышла из строя.

Что касается диапазонов: «сталь» — это общее название для нескольких сплавов, которые могут быть разных марок, отсюда и найденные вами диапазоны. Материал обычно обозначается номером сплава. «Холоднокатаная» и «горячекатаная» — это методы обработки стали, которые ничего не говорят о её прочности.

Я также должен отметить, что все упомянутые мной свойства относятся к самому материалу — стали. Если вы хотите узнать, как ведёт себя конкретный кусок стали, вам нужно знать не только его материал, но и форму.

Модуль Юнга для всей стали составляет 200 ГПа (29 000 кси) (это наклон прямой части графика) . Предел прочности составляет от 300 до 400 МПа (вершина графика), а предел текучести обычно находится в районе 200 МПа (там, где прямая становится изогнутой).

В испытательной машине вы можете бесконечно растягивать и сжимать стальной стержень на прямой части графика (ну, пока не наступит усталость материала). Но как только вы перейдёте на изогнутую часть, разгрузка будет происходить по другому пути (см. пунктирную линию).

С точки зрения конструкции, пределом прочности является предел текучести. Другими словами, вы хотите, чтобы ваша конструкция находилась исключительно в упругой (прямой) области диаграммы растяжения/сжатия. Если вы перейдёте в пластическую область, то необратимо деформируете материал. (Хотя конструкторы самолётов часто переходят в пластическую область из соображений веса).

Единственная причина, по которой стоит покупать нержавеющую сталь, — это то, что вам нужны её свойства (например, для финишной обработки). Она слишком дорогая. Для большинства целей достаточно обычных мер по защите от ржавчины (например, правильное покрытие краской и уход за ней или даже хромирование готовых поверхностей). У нержавеющей стали более низкий модуль Юнга, и она сильнее деформируется при небольших нагрузках. Однако эта «растяжимость» делает её намного прочнее (но не твёрже!). Подумайте о том, что легче сломать — сухую ветку или зелёную.

Твердость не имеет значения для конструкционных целей. Она становится важным фактором при изготовлении инструментов и проектировании машин, но не при простом использовании для несущих конструкций.

Редактировать:

Жёсткость/эластичность.

Сначала нам нужно определить деформацию как (длину деформации) / (исходную длину). Это безразмерная величина, но вы можете использовать мм/мм или дюйм/дюйм, если вам так удобнее. Вы также можете представить это как % растяжения / 100 (то есть в единицах на единицу, а не в процентах — с основанием 1, а не 100)

Теперь мы определяем напряжение как отношение приложенной силы к площади поперечного сечения. Подумайте об этом. Чем больше сила, тем сильнее растяжение. Чем толще стержень, тем сильнее сопротивление растяжению. Таким образом, напряжение — это сочетание этих двух факторов.

Уравнение деформации выглядит так: Напряжение = E * Деформация, где E — модуль Юнга, или модуль упругости. Он измеряется в единицах давления — обычно в ГПа (Н/мм^2) или кПа (килофунт-сила на квадратный дюйм).

Таким образом, проволока сечением 1 мм² удлинится вдвое, если на неё будет воздействовать сила в 200 кН. На самом деле она порвётся задолго до этого.

Изгиб:

Это сложная задача, и нам нужно вычислить второй момент площади поперечного сечения. Для прямоугольника он равен I = bh^3/12, где b — ширина, а h — высота. Предполагается, что нагрузка направлена вниз. Если нагрузка горизонтальная, то определите вертикальное и горизонтальное направления в зависимости от направления силы.

Теперь нам нужно построить функцию нагрузки. Это математическая функция, которая определяет силу в каждой точке балки.

Проинтегрируйте эту функцию. В результате получится функция сдвига.

Снова интегрируем. В результате получаем функцию изгибающего момента.

Умножьте его на 1/EI (модуль Юнга * момент инерции) Этот коэффициент учитывает свойства материала и геометрические свойства.

Снова интегрируем. В результате получаем функцию угла отклонения (в радианах)

Снова проинтегрируйте его. В результате получится функция абсолютного отклонения. Теперь вы можете подставить x (расстояние от начала координат) и получить отклонение в тех единицах измерения, с которыми вы работали.