Плотность стали (ρ, кг/м³ (г/см³)) — 7850 кг/м³ — константа, через которую считают вес трубы, проката и конструкций; у нержавеющих сталей ~7900–8000 кг/м³.
Суть
Плотность ρ — масса единицы объёма. У стали она определяется почти целиком железом: чистое железо имеет плотность 7874 кг/м³, а углерод, марганец, кремний и другие добавки в углеродистых и низколегированных сталях занимают доли процента и меняют величину в пределах погрешности. Поэтому в расчётах и стандартах принято единое значение 7850 кг/м³ = 7,85 г/см³ = 7,85 т/м³.
Именно эта константа заложена в таблицы теоретической массы ГОСТ 8732, ГОСТ 10704, ГОСТ 3262 и сортаментов листа и круга. Ст3, сталь 20, 09Г2С или 17Г1С — все имеют одинаковую расчётную плотность; прочность и цена у них разные, а масса метра трубы одного размера — одна и та же. Термин «удельный вес» в бытовом употреблении означает то же самое, хотя формально удельный вес (γ = ρ·g) — величина в Н/м³.
Заметно отличаются лишь стали с большим количеством легирующих: хромоникелевые аустенитные нержавеющие тяжелее (около 7900–8000 кг/м³ из-за никеля), хромистые ферритные — легче (около 7700 кг/м³). Чугун, содержащий 2–4 % углерода и графитовые включения, заметно легче стали — 7000–7200 кг/м³.
Как считают вес
Масса любого профиля — это плотность, умноженная на площадь сечения и длину: m = ρ·F·L. Для стандартных форм формулу сворачивают в числовой коэффициент, уже включающий 7850 кг/м³.
Труба: m = 0,02466 · (D − s) · s, кг/м, где D — наружный диаметр и s — стенка в мм
Лист: m = 7,85 · t · S, кг, где t — толщина в мм, S — площадь в м² (7,85 кг на 1 м² при 1 мм)
Круг: m = 0,006165 · d², кг/м, где d — диаметр в мм
- Теоретическая масса — по номинальным размерам и ρ = 7850 кг/м³; именно она стоит в таблицах ГОСТ и в счетах при продаже «по теоретическому весу».
- Фактическая масса — по взвешиванию; отличается из-за допусков на стенку и диаметр (у горячекатаных труб минусовой допуск по стенке до 12,5–15 %), поэтому партия «по факту» обычно легче теоретической.
- Плотность и температура. При нагреве сталь расширяется, и плотность падает, но при нагреве до 300–400 °C изменение не превышает 1–1,5 % и в расчётах массы не учитывается.
Ключевые числа
| Расчётная плотность стали (ГОСТ 8732, ГОСТ 10704, ГОСТ 3262 — таблицы массы) | 7850 кг/м³ = 7,85 г/см³ |
|---|---|
| Чистое железо (α-Fe, 20 °C) | ≈ 7874 кг/м³ |
| Аустенитная нержавеющая 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632, справочные данные) | ≈ 7900 кг/м³ |
| Ферритная нержавеющая 08Х13, 12Х17 | ≈ 7720–7760 кг/м³ |
| Чугун серый | ≈ 7000–7200 кг/м³ |
| Для сравнения: алюминий / медь | ≈ 2700 / 8940 кг/м³ |
| Масса листа толщиной 1 мм | 7,85 кг/м² |
| Коэффициент в формуле массы трубы | 0,02466 = π · 7,85 / 1000 (кг/м при D, s в мм) |
Где встречается в трубах
Труба продаётся тоннами, а монтируется метрами, поэтому плотность стали — связующее звено между ценой и сортаментом. Через 7850 кг/м³ рассчитывают теоретическую массу метра, длину в тонне, нагрузку от собственного веса трубопровода на опоры и массу металлоконструкции. Марка стали на этот пересчёт не влияет: тонна 09Г2С и тонна стали 20 одного размера — это одинаковое количество метров.
- Готовые таблицы и формулы пересчёта метры ↔ тонны — в статье вес трубы.
- Теоретическая масса метра по размерам заложена в сортаменты ГОСТ 8732-78, ГОСТ 10704-91 и ГОСТ 3262-75; описание стандартов — в библиотеке ГОСТ.
- Разница между теоретической и фактической массой возникает из допусков на стенку — см. приёмку труб и допуски.
- Для нержавеющих труб в расчёт берут 7900–8000 кг/м³ — при одинаковых размерах они на 1–2 % тяжелее углеродистых.
- Смежные термины: сортамент и модуль упругости — вторая константа, общая для всех марок.
Связанные термины
- Модуль упругости (модуль Юнга)Жёсткость стали в упругой зоне — около 2·10⁵ МПа для всех марок; от него зависят прогибы и устойчивость, но не прочность.
- СортаментПеречень стандартных размеров проката (диаметр × стенка × длина), закреплённый в ГОСТе; определяет, что реально выпускают заводы.