Килофунт на квадратный дюйм
Обозначение: ksiСША, Великобритания
Что такое Килофунт на квадратный дюйм (ksi)?
Формальное определение
Килофунт на квадратный дюйм (обозначение: ksi) — единица давления и напряжения, равная 1 000 фунт-сил на квадратный дюйм (1 000 psi). В метрических единицах один ksi равен приблизительно 6,89476 мегапаскаля (МПа). Приставка «кило-» означает множитель 1 000. Ksi используется преимущественно в США для выражения прочности материалов и напряжений в конструкциях.
Ksi обеспечивает удобные числа для инженерных расчётов. Вместо «предел текучести стали 50 000 psi» инженер пишет «50 ksi». Это упрощает спецификации, снижает ошибки переписывания и ускоряет коммуникацию.
Связь с другими единицами
1 ksi = 1 000 psi = 6,89476 МПа = 68,9476 бар = 68,046 атм = 6 894,76 кПа. Конвертация в МПа наиболее важна на практике. Полезное приближение: 1 ksi ≈ 6,9 МПа, или ~7 МПа для быстрого счёта.
Этимология
Происхождение термина
Термин «ksi» строится просто: «k» — кило (тысяча), «s» — square (квадратный), «i» — inch (дюйм), сокращённо от «kilo-pounds per square inch». Кип (kilopound) — единица силы в 1 000 фунт-сил, введённая в начале XX века. Из кипа ksi (кипы на квадратный дюйм) последовал как единица напряжения.
Американская инженерная традиция
Ksi возник из практики американской строительной инженерии, где доминировала система фунт-дюйм. По мере роста конструкций и прочности материалов значения в psi стали громоздкими.
Точное определение
Определение
Ksi определяется как 1 000 фунт-сил на квадратный дюйм. Поскольку 1 lbf = 4,44822162 Н и 1 кв. дюйм = 6,4516 × 10⁻⁴ м², 1 ksi = 6 894 757,293 Па ≈ 6,89476 МПа.
Стандарты ASTM и AISC
Ksi — основная единица напряжения в стандартах ASTM и AISC. Марки стали ASTM указывают минимальный предел текучести и предел прочности в ksi. Справочник AISC по стальным конструкциям использует ksi повсеместно.
Двойные стандарты
Многие американские стандарты включают значения в ksi и МПа. ASTM часто имеют двойные обозначения: например, ASTM A36/A36M, где «M» — метрическая версия. Метрическая указывает 250 МПа, имперская — 36 ksi (≈ 248,2 МПа).
История
Развитие анализа напряжений
Концепция напряжения (сила на единицу площади) была развита в XVIII–XIX веках. Американские инженеры приняли psi как единицу. С прогрессом промышленной революции прочность стали возросла от нескольких тысяч до десятков тысяч psi.
Появление ksi
К началу XX века предел текучести стали составлял 30 000–50 000 psi, высокопрочные болты — 120 000–150 000 psi. Кип и ksi были приняты неформально в 1920–1930-х и стали стандартом к 1950-м.
Сопротивление метрикации
Справочник AISC, нормы ACI и большинство американского ПО продолжают использовать ksi. Ksi остаётся незаменимой единицей для работы с американскими стандартами.
Международный контекст
За пределами США ksi используется редко. Международные стандарты используют МПа. Британские стандарты перешли на МПа в 1970-х. Приближённый коэффициент 1 ksi ≈ 6,9 МПа — одна из самых частых конвертаций в строительной инженерии.
Современное применение
Стальные конструкции
Ksi повсеместен в американском проектировании стали. Марки: ASTM A36 — 36 ksi текучесть, ASTM A992 — 50 ksi, A572 Grade 50 — 50 ksi. Болты: A325 — 120 ksi прочность на растяжение, A490 — 150 ksi.
Аэрокосмическая инженерия
Американская аэрокосмическая отрасль широко использует ksi. Алюминий 2024-T3: 50 ksi. 7075-T6: 83 ksi. Титан Ti-6Al-4V: 130 ksi. Углепластик: 80–300 ksi в зависимости от укладки.
Нефтегазовая отрасль
Стандарты API используют ksi: труба API 5L Grade X52 — 52 ksi предел текучести, X65 — 65 ksi, X80 — 80 ksi.
Автомобилестроение
В американском автомобилестроении ksi применяется для материалов кузовных панелей и крепежа. Высокопрочные стали (AHSS): 50–200+ ksi прочность на растяжение.
Применение в быту
Понимание строительных материалов
Большинство потребителей не встречают ksi напрямую. Когда инженер указывает «сталь 50 ksi», это означает, что сталь не деформируется до 50 000 фунтов на квадратный дюйм.
Крепёж
Марки болтов в США указываются в ksi. SAE Grade 5: 120 ksi. Grade 8: 150 ksi. Болты с внутренним шестигранником: до 180 ksi. Выбор правильной марки критически важен.
3D-печать
Материалы FDM характеризуются прочностью в ksi (в американских публикациях). PLA: ~7 ksi (48 МПа). ABS: ~5 ksi (33 МПа). Нейлон: ~12 ksi (83 МПа). PEEK: ~14 ksi (100 МПа).
Сосуды давления
Пропановые баллоны, ресиверы и гидроцилиндры проектируются с учётом прочности материала в ksi. Типичный баллон — сталь 60–70 ksi.
В науке и промышленности
Механика разрушения
Трещиностойкость измеряется в ksi·√in (ksi × корень из дюйма) в американской практике. Конструкционная сталь: 50–200 ksi·√in, алюминий: 20–40 ksi·√in, керамика: 1–5 ksi·√in. Конвертация: 1 ksi·√in = 1,0989 МПа·√м.
Анализ усталости
S-N кривые строят амплитуду напряжения в ksi по оси Y. Пределы выносливости сталей — 40–60% от предела прочности. AISI 1040 с UTS 90 ksi имеет предел выносливости ~45 ksi.
Композитные материалы
Однонаправленный углепластик: 200–300 ksi вдоль волокон, 5–10 ksi поперёк. Межслойная прочность сдвига: 8–15 ksi.
Высокие давления
Экспериментальные исследования иногда используют ksi для давлений в тысячах psi, особенно в старой американской литературе.
Интересные факты
Предел текучести стали оригинальных башен Всемирного торгового центра — 36–50 ksi (ASTM A36 и A588). Современные высокопрочные стали превышают 100 ksi.
Самая прочная коммерческая стальная проволока (тросы мостов, фортепианные струны) — 300–400 ksi (2 000–2 800 МПа), близко к теоретическому пределу для сплавов на основе железа.
Углепластик может достигать 600–800 ksi (4 000–5 500 МПа) в направлении волокон — ~10 раз прочнее стали на единицу массы.
Корпус давления Apollo был из Inconel 718 — суперсплав с прочностью ~180 ksi при комнатной температуре и 140 ksi при 700°C.
Человеческий волос имеет прочность ~50–100 ksi (350–700 МПа), сравнимую с медной проволокой. Но из-за малого сечения разрывная сила — лишь 0,5–1,5 Н.
Самые глубокие нефтяные скважины (свыше 10 км) требуют бурильных труб с текучестью выше 110 ksi.
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Мегапаскаль (MPa) | 6,89476 | Конвертировать → |
| Фунт на квадратный дюйм (psi) | 1 000 | Конвертировать → |
| Бар (bar) | 68,9476 | Конвертировать → |
| Килопаскаль (kPa) | 6 894,76 | Конвертировать → |
| Атмосфера (atm) | 68,046 | Конвертировать → |