第2章金属结构的材料2012

1、第第2章章 金属结构的材料金属结构的材料 本章主要内容： n金属结构对材料性能的基本要求 n钢材的塑性破坏、脆性破坏、疲劳破坏 n影响钢材性能的因素 n钢材的种类、牌号、规格 n金属结构的选材原则 金属结构对材料的要求及钢材的性能指标金属结构对材料的要求及钢材的性能指标 一、金属结构对材料的要求一、金属结构对材料的要求 较高的强度-轻质高强 足够的变形能力-优良的塑性和韧性 良好的加工性能-冷湾性能、可焊性 胜任恶劣环境的耐久性- 适应低温 适应腐蚀介质 适应重复载荷 二、金属结构常用材料的性能二、金属结构常用材料的性能 强度强度： 钢材的应力应变图 材料抵抗外力作用时不致破坏的能力 拉伸过程

2、中各阶段的特点拉伸过程中各阶段的特点 弹性阶段弹性阶段 OAE段段 应力应变成比例线形关系，卸载后变形消失 变形小，如Q235的 0.1% p 屈服阶段屈服阶段 ECF段段 应力应变进入非线性的弹塑性阶段，有明显的水平状屈服平台， 应力基本保持不变，应变不断发展。 应力波动的下限值称为屈服强度s 卸载后弹性变形消失，但仍保留一定的塑性变形 强化阶段强化阶段 FB段段 钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力 应变比应力明显增加得快，最终应力达到最高点b，称为抗拉强度 颈缩阶段颈缩阶段 BD 超过B点后，试件出现横向收缩，称颈缩，随后断裂 钢材强度特性要点 np、e、s非常接近，三者合一，可认为弹性与

3、塑性 的分界点。 ns以后塑性变形很大，一旦超载，易被发现，加固 补救。 ns 发展到b有很大一段区域，可作为强度储备。 屈服强度作为金属结构设计可达到的屈服强度作为金属结构设计可达到的最大应力值最大应力值： 为简化计算，设计中将实际应力应变为简化计算，设计中将实际应力应变 曲线视为理想弹塑性模型：曲线视为理想弹塑性模型： 理想弹塑性模型的 曲线 塑性塑性 塑性指标塑性指标 截面收缩率： 延伸率： %100 0 A A %100 0 l l -应力超过屈服点后，能产生一定残余变形而不立即断裂的性能应力超过屈服点后，能产生一定残余变形而不立即断裂的性能 良好的塑性良好的塑性 使结构破坏前出现明显

4、的变形，减少突然破坏的危险性 调整局部应力高峰，使应力平缓 越大， 塑性越好，对局部应力集中的敏感性越小。 常用钢材的在20%30%之间 b、s、是钢材的最基本、最重要的三项指标是钢材的最基本、最重要的三项指标 韧性：韧性：表征材料破坏之前吸收机械能量的能力，即反映表征材料破坏之前吸收机械能量的能力，即反映 钢材抵抗冲击载荷、动力载荷的能力。钢材抵抗冲击载荷、动力载荷的能力。 韧性指标 Cu：用却贝试件，摆锤冲断试件所耗的功 （Nm） (外国) k：用梅氏试件，以冲断试件所耗的功 除以试件缺口截面积所得的商 （Nm/mm2）（我国） 在低温下工作的金属结构材料冲击韧性不得低于在低温下工作的金属

5、结构材料冲击韧性不得低于30 Nm/mm2。 良好的韧性使结构的抗震能力提高 韧性的进一步认识韧性的进一步认识 韧性与塑性有关，但不同于塑性 韧性是钢材强度和塑性的综合反映 优良的塑性、韧性比强度指标更重要 钢材的断裂韧性钢材的断裂韧性 表征材料抵抗脆性破坏的能力。出现非过载脆性破坏的条件： 1C 1KaK 子裂纹尖端的应力强度因 1 K 裂纹尺寸a 裂纹尖端应力 数表征断裂性能的材料常 1C K 冷弯性能冷弯性能 -衡量钢材在冷加工塑性变形时抵抗裂纹的能力衡量钢材在冷加工塑性变形时抵抗裂纹的能力,反映反映 了钢材的冷加工性能了钢材的冷加工性能 冷弯性能是衡量钢材力学性能的综合指标冷弯性能是衡

6、量钢材力学性能的综合指标 既反映钢材塑性的好坏既反映钢材塑性的好坏 又反映钢材的内部质量又反映钢材的内部质量 满足冷弯性能比满足满足冷弯性能比满足b、s、都困难，都困难， 有特殊要求才做冷弯试验有特殊要求才做冷弯试验 弯心直径 试件板厚 越小，冷弯性越好 试样弯曲试样弯曲180，表，表 面及侧面无裂纹或面及侧面无裂纹或 分层，则为合格。分层，则为合格。 注：一定程度上，冷弯性能鉴定钢材的可焊性的好坏 可焊性可焊性 -指采用一般焊接工艺就能达到合格焊缝的性能。 具体表现具体表现 144405246 VMNCSM CC oirin e 当 时，可焊性良好%45. 0 e C 正常焊接工艺下，焊缝不

7、出现裂纹正常焊接工艺下，焊缝不出现裂纹 焊缝力学性能不低于母材力学性能焊缝力学性能不低于母材力学性能 用碳当量表示可焊性：用碳当量表示可焊性： Q235、16Mn的可焊性良好 耐久性耐久性 耐腐蚀耐腐蚀 钢材受各种腐蚀环境影响而慢慢生锈，消弱截面厚度 喷涂防腐涂料，使钢材耐腐蚀 耐疲劳耐疲劳 钢材长时间受载荷重复作用，达到一定的使用寿命 改善材质、结构形式提高疲劳强度，增加使用寿命 塑性破坏、脆性破坏、疲劳破坏塑性破坏、脆性破坏、疲劳破坏 塑性破坏塑性破坏（延性破坏） 破坏前有明显的变形，持续时间长 破坏的断口为杯形，呈纤维状，色泽暗 脆性破坏脆性破坏 没有征兆 应力相当低 进展快（到临界尺寸

8、后，扩展速度达2000m/s） 疲劳破坏疲劳破坏-在循环载荷重复作用下，经历一定时间的损伤积 累，构件或连接部位出现裂纹、最后断裂的现象。 塑性变形小，属脆性破坏范畴 破坏的断口平直，呈有光泽的晶粒状 脆性破坏实例脆性破坏实例 1967年年12月月15日下午美国普莱森特角悬索桥在日下午美国普莱森特角悬索桥在60秒内倒秒内倒 塌塌 46人丧生，人丧生，37辆各种车辆掉入河中辆各种车辆掉入河中 原因：一根吊杆断裂原因：一根吊杆断裂 普莱森特角（悬索桥）普莱森特角（悬索桥） 吊杆耳环断裂吊杆耳环断裂 整桥倒塌整桥倒塌 实例二：实例二： 1965年英国John Thompson公司的一台氨合成塔，内径

9、1700mm， 壁厚149mm，内、外径之比k=1.175，长19m,材料为MnCrMoV， 设计压力36MPa，水压试验压力49MPa。 582MPa 460MPa, bs 按弹性失效理论和塑性失效理论计算屈服压力与爆破压力为： 7MPa.93 1k 1k P 1MPa.74 1k 1k P 2 2 bb 2 2 ss 9MPa.93lnP 3MPa.74lnP bb ss k k 由于焊缝内部一条10mm长的裂纹，导致试验加压到35.2MPa时爆炸 拉美公式 塑性公式 实例三：实例三： 在1938年至1940年，有三座横跨比利时阿尔伯特运河的桥梁 相继破坏，其中第一座断成三截坠入河中，破坏

10、时气温约零 下14。此外，在1947年至1950年之间，比利时有14座桥 梁发生类似破坏。 实例四：实例四： 1943年至1947年间，在美国的5000艘全焊接自由轮中， 发生了约1000次脆性破坏。238艘完全破坏。原因： 低温、缺陷低温、缺陷 脆断的原因脆断的原因 化学成分的影响（C、Mn、Si、S、P、H、O） 应力集中 加工硬化 温度（冷脆、蓝脆、蠕滑现象） 焊接的影响（焊缝冷却时焊缝冷却时，使材料的硬度和脆性提高，焊接过程中焊接过程中， 晶粒间产生不均匀应力和变形，即焊接应力和变形。） 防止脆断的方法：防止脆断的方法： 在材料方面：尽可能选用较薄钢板 在加工方面：防止出现坑痕和裂纹

11、在设计方面：降低应力集中程度，避免出现三向受拉 应力状态 （如交叉焊接） 金属结构常用材料的分类金属结构常用材料的分类 n普通碳素钢 n优质碳素钢 n普通低合金结构钢 n合金结构钢 n铸钢：力学性能较差，仅用于形状比较复杂 的支座部件 碳素结构钢的分类 平炉钢（质量好，效率低，已淘汰） 按冶炼分 转炉钢（效率高，发展方向） 电炉钢（质量最好，价格贵，用于冶炼特种钢） 镇静钢 按浇铸方法 沸腾钢（脱氧不完全，塑性、韧性差） Q345 16Mn 16MnRe 12MnV工作温度为-70C低温用钢 综合力学性能好，低温性能、冷冲压性能、 焊接性能和可切削性能都好 性能与16Mn钢相似，冲击韧性和冷

12、弯性能比16Mn好 14MnNb 工作温度为-20450C的 Q235 A B C D 不要求冲击试验 要求20时冲击试验 要求0时冲击试验 要求-20时冲击试验 Q420 14MnVTiRe 15MnVN 综合力学性能、焊接性能良好。低温冲击 韧性特别好，与16MnNb钢相同 力学性能优于15MnV钢。综合力学性能 不佳，强度虽高，但韧性、塑性较低。 焊接时，脆化倾向大。冷热加工性尚好， 但缺口敏感性较大 应用：大型船 舶、桥梁、电 站设备、起重 机 Q390 15MnV 15MnTi 16MnNb 性能优于16Mn 高压锅炉锅筒、石油、化工容 器、高应力起重机械、运输机 械构件 综合力学性

13、能比16Mn 钢高，焊接性、热加 工性和低温冲击韧性 都好 大型焊接结构，如容器、管道 及重型机械设备 联接件材料的要求 n 焊丝要求：与主体金属强度相适应，且有足够 的韧性和塑性 常温下：可用Q235 n螺栓连接要求： -20： 20号钢 重载：35、45号钢且调质处理。 扎制钢材 一、钢板 薄钢板、厚钢板、特厚钢板、扁钢 钢板的表示方法：厚宽长 例：108006000 热轧钢板 冷轧钢板 在金属材料的再结晶温度以上进行轧制的,冷轧是 指在金属材料的再结晶温度以下进行轧制的。热 轧材料产品基本上比较粗糙 ，热轧比冷轧的力学 性能要好些，经过热处理的钢材，它的抗拉，屈 服强度，塑性，韧性都会有

14、所提高 冷轧是指在常温下，经过冷拉、冷弯、冷拔等 冷加工把钢板或钢带加工成各种型式的钢材。 提高了钢材的屈服点 二、型钢 角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢轨 作用：作用：用于承受轴向力的构件和支撑杆，通常宜选用薄而宽的角钢 注意：焊接角钢不应小于注意：焊接角钢不应小于45455，铆接角钢不小于，铆接角钢不小于50505 作用：作用： 用于承受横向弯曲的构件。 由于截面由于截面yy轴的惯性矩很小，不宜单独作受压构件。轴的惯性矩很小，不宜单独作受压构件。 作用：作用：用于承受横向弯曲的构件和承受轴向力的构件。 H型钢：型钢：翼缘宽而平，各向刚度大，可独立作受压构 件和受弯曲构件。 丁字钢：丁字钢：焊接

15、桁架结构中最适宜的型钢。可代替一对 角钢，也可组成工字钢 理想的 受压构 件 钢轨：钢轨：方钢、起重机钢轨、铁路轻轨、铁路重轨 金属结构的选材原则金属结构的选材原则 1、根据结构的类型选择 轻型桁架结构：采用碳素结构钢轧制成的型钢 重型桁架结构：采用低合金钢 板梁结构：采用碳素结构钢轧制成的板材 板厚大于6mm 2、根据金属结构的载荷性质 承受动力载荷或A5以上的结构，选疲劳强度 高的镇静钢材 2、根据金属结构的工作温度 对于低温下工作的金属结构，选用低温 敏感性低，冲击韧性高的材料，如平炉 镇静钢Q235C或低合金钢16Mn 4、根据金属结构的工作环境 1、作为结构工程师检验钢材性能指标时，

16、至少要求了解哪几项指标？ 2、例举3种容易引起刚才变“脆”的因素 3、假定一块钢板的材料性质完全相同，从上制取2个具有相同直径的拉 伸试件试样，一个标距长度为直径的5倍，另一个标距长度为直径的10 倍，问两者屈服载荷是否相同（或接近）？伸长率是否相同（或接近）？ 并简要说明判断的理由 4、在何种情况下选用低合金钢取代碳素结构钢才是合理的、经济的？ 5、在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是_ _的典型特征。 (A)脆性破坏 (B)塑性破坏 (C) 强度破坏 (D) 失稳破坏 6、钢材的设计强度是根据_ _确定的。 (A) 比例极限 (B)弹性极限 (C) 屈服点 (D) 极限强度 7、结构工

17、程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用_ _表示。 (A) 流幅 (B)冲击韧性 (C) 可焊性 (D) 延伸率 10、钢材在复杂应力状态下的屈服条件是由_ _等于单向拉伸时的屈服点决定的。 (A) 最大主拉应力1 (B) 最大剪应力1 (C) 最大主压应力3 (D) 折算应力r 8、钢材经历了应变硬化（应变强化）之后-_ _。 (A) 强度提高 (B)塑性提高 (C) 冷弯性能提高 (D) 可焊性提高 9、下列因素中_ 与钢构件发生脆性破坏无直接关系。 (A) 钢材屈服点的大小 (B) 钢材含碳量 (C) 负温环境 (D) 应力集中 11、在金属结构设计中，认为钢材屈服点是构件可以达到的_ _

18、。 (A) 最大应力 (B) 设计应力 (C) 疲劳应力 (D) 稳定临界应力 12、当温度从常温下降为低温时，钢材的塑性和冲击韧性_ _。 (A) 升高 (B) 下降 (C) 不变 (D) 升高不多 14、对于承受静荷常温工作环境下的金属结构，下列说法不正确的是_ _。 (A) 可选择Q235钢 (B) 可选择Q345钢 (C) 钢材应有冲击韧性的保证 (D) 钢材应有三项基本保证 13、钢材的力学性能指标，最基本、最主要的是_ _时的力学性能指标。 (A) 承受剪切 (B) 承受弯曲 (C) 单向拉伸 (D) 两向和三向受力 化学成分的影响化学成分的影响 钢钢 纯铁Fe(占99%） 碳C变脆（强度 ，塑性、韧性、可焊性 ） 其他主要元素 硅Si 适量 强度 ，塑性、韧性、可焊性变化不大 锰Mn 影响同Si 钒V 影响同Si 硫S 热脆，可焊性差 磷P 冷脆，低温工作性能差 氧 O 影响同S 氮N 影响同P 重要结构措施重要结构措施常将因冷加工引起的硬化部位刨去，或退常将因冷加工引起的硬化部位刨去，或退 火处理火处理 不利影响不利影响 使钢材变脆使钢材变脆 强度提高，但塑性韧性下降强度提高，但塑性韧性下降 冷作硬化冷作硬化钢结构在冷（常温）加工钢结构在冷（常温）加工 （弯曲、剪切、钻冲等弯曲、剪切、钻冲等） 过程中引起的钢材硬化过程中引起