模块二 起重机金属结构-材料课件讲解

02Second模块二港口起重机金属结构单元一起重机金属结构概述单元二起重机金属结构的材料单元三起重机金属结构的连接单元四起重机金属结构的基本受力构件单元二起重机金属结构的材料单元二起重机金属结构的材料钢材的力学性能及影响因素钢材的力学性能

钢材的静强度特性比例极限弹性极限屈服极限抗拉强度屈强比单元二起重机金属结构的材料

钢材的疲劳强度特性。钢材在连续重复载荷作用下，开始是其组织发生晶粒间的滑移，使材料强度降低，而不能继续抵抗外力的作用，继而转变为个别晶粒的撕裂而出现裂纹，在重复变化载荷继续作用下，钢材的裂纹发展很快直到造成断裂，称为疲劳破坏。钢材疲劳破坏之前所具有的最大应力称为疲劳强度，用符号表示。疲劳强度低于抗拉强度，甚至低于屈服点，因此疲劳强度就限制了结构的承载能力。钢材的疲劳破坏与塑性破坏不同，疲劳断裂是疲劳损伤的积累。单元二起重机金属结构的材料疲劳裂缝是在重复载荷长时间作用下产生的，随着应力循环次数的增加，裂纹沿尖端逐渐扩展，直至剩余末端断裂截面不足以承担外载荷而发生突然断裂，因此，疲劳破坏具有累积性和突发性特点。由于，在破坏之前不出现显著的变形和局部颈缩，具有脆性破坏的特点，往往不被人们所注意，它直接影响着结构的安全可靠性。疲劳强度是机械工程中结构设计的主要指标之一，钢材的疲劳强度与钢材的种类（标号）、连接接头形式、结构特征、应力变化幅度以及应力作用（循环）次数、应力集中等级系数等因素有关，其值常由疲劳实验获得。单元二起重机金属结构的材料

钢材的塑性特性。钢材的塑性，是指钢材在外力作用下，能稳定地产生永久变形，而不破坏（不断裂、不破损）的能力。常用拉伸试验的伸长率和断面收缩率来衡量，伸长率或断面收缩率越大，钢材的塑性越好，对局部应力集中的敏感性越小，由于塑性变形能使局部的应力趋于均匀，所以，使结构突然断裂的危险性变小。单元二起重机金属结构的材料

钢材的韧性特性。钢材的韧性，是指钢材在冲击载荷作用下，破坏前吸收塑性变形功和断裂功的能力，韧性好，表明钢材脆性差，结构抗脆性破坏的能力强，因此，韧性（脆性）是表示钢材脆断性能的指标。钢材的韧性常受到温度变化的影响，低温时，钢材的韧性急剧下降并且不稳定。单元二起重机金属结构的材料钢材的加工性能

材的焊接性。钢材的焊接性是指钢材对焊接加工的适应性。主要指在一定的焊接工艺（包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等）条件下，获得优质焊接接头的难易程度，受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。通常，把钢材在焊接时形成裂纹的倾向及焊接接头处性能变坏的倾向，作为评价材料焊接性能的主要指标。焊接性的好坏与材料的化学成分及采用的工艺有关。在常用钢材的焊接中，对焊接性影响最大的是碳，还有一些合金元素，通常把钢材中碳当量的多少作为判别钢材焊接性的主要标志，碳当量越高，其焊接性越差。一般来说，低碳钢的焊接性能优良，高碳钢的焊接性能较差；铸铁的焊接性能更差。焊接性好的金属，焊接接头不易产生裂纹、气孔和夹渣缺陷，而且有较高的力学性能。单元二起重机金属结构的材料分析焊接性的目的，在于了解一定的钢材在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。因此，必须对焊接过程中的材料（母材、焊材）和焊接接头区（焊缝、熔合区和热影响区）的成分、组织和性能，包括工艺参数的影响和焊后接头区的使用性能等，进行系统的研究。

钢材的冷弯性。钢材的冷弯性是指钢材在常温下能承受弯曲而不产生裂纹的性能。弯曲程度一般用弯曲角度（外角）或弯心直径对材料厚度的比值表示，钢材的冷弯性能越好，则在弯曲出现裂纹前，弯曲角度越大，弯心直径对钢材厚度的比值越小。冷弯性能可衡量钢材在常温下，冷加工弯曲时产生塑性变形的能力，钢材的塑性越好，则冷弯性能也就越好。冷弯性能是衡量中厚钢板塑性好坏的一项重要力学性能指标。单元二起重机金属结构的材料钢材的耐久性能

自然时效。钢材在没有外载荷作用的情况下，经过长时间存放后，因温度变化或因机械作用产生塑性变形，其内部晶粒中的碳、氮等元素被分离析出，在晶粒之间形成坚硬的渗碳体，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性降低。

加工失效。冷加工（如冷轧、冷拔、喷丸）的过程，也会改变钢材的强度、塑性、韧性的现象。由于时效提高了材料的强度，但同时使材料变硬，增大了脆性，这对受动载荷的结构是十分不利的，所以，在金属结构中不考虑材料因时效硬化产生的高强度性能。单元二起重机金属结构的材料钢材脆性破坏的影响因素结构脆性破坏除与载荷性质有关外，主要是由于钢材塑性下降，脆性增加而引起的，影响钢材塑性下降、脆性增加的因素很多，主要有以下几点：

化学成分。钢材中，除了含有碳元素以外，还含有锰、硅、硫、磷等元素以及氧、氮有害气体。它们的含量直接影响着钢材的性能，如含碳量增加，能提高钢的强度，但却降低了钢的塑性和可焊性，因此，在焊接结构钢材中，应限制其含碳量在0.20%以下。锰是一种脱氧剂，能提高钢的强度和硬度，且塑性和冲击韧性降低不多。单元二起重机金属结构的材料硅也能提高钢的强度，但却降低其可焊性和抗锈蚀性。碳、锰、硅含量控制在一定范围时，对钢的性能是有利的。铝和钛是强脱氧剂，可使钢的结晶组织细化，提高钢硫、磷是由原料带入钢内的有害物质，含硫量增加，会使钢在热加工时材的韧性和可焊性，铝可延缓钢材时效，钛可降低钢材的过热敏感性。容易发生开裂（即“热脆”），含磷量增加，会使钢在低温状态下容易发生脆断（即“冷脆”），应严格控制其含量。锰可与硫组成不易熔化的硫化锰，减轻硫的有害影响。氧和氮能使钢变脆，危害性极大，冶炼和焊接时应严格保护钢材，尽量避免氧和氮侵入钢材内部。单元二起重机金属结构的材料

应力集中。结构件中的应力一般情况下都不是均匀分布的，特别是截面形状急剧改变的地方，如孔洞、槽口、凹角、裂纹和厚度改变等处，应力作用难以顺畅通过，主应力线就发生转折绕行，在截面突变处，应力作用线比较密集和弯曲，出现局部高峰应力，称为应力集中。应力集中高峰点，总是存在着同号的应力场，它提高了钢材的强度，阻碍了塑性变形的发展，增加了脆性。如带突变缺口的试件，其破坏已呈现为脆性了。单元二起重机金属结构的材料

温度。温度变化直接影响着钢材的性能，温度升高，强度下降，温度在200℃以内时，钢材强度基本不变，超过300℃，钢材的屈服点和强度极限明显下降，发生蠕滑现象，超过600℃时，钢材的强度几乎等于零。当温度下降时，钢材的强度显著提高，而塑性，韧性下降了，温度降到一定程度（负温度）时，钢材完全处于脆性状态，这种温度称为钢材的临界（脆性）转化温度。应力集中的存在，更加速了脆性的发展，它也取决于温度的高低。单元二起重机金属结构的材料

焊接。焊接过程中，焊缝和主体金属都经过了高温和冷却的变化，靠近焊缝的主体金属结晶组织和力学性能都起了变化。熔合缝处的金属韧性降低了，离开焊缝温度在1100～1400℃之间的金属为大粒组织，其韧性明显下降；位于900~1100℃之间的金属为细粒组织，其强度增大；位于200~350℃之间的金属则变为脆化区。焊接金属凝固时，晶粒之间会产生不均匀的应力和收缩，容易引起裂缝和残余应力。（5）加工硬化。钢材经冷加工、冷弯等会使其产生局部塑性变形，产生硬化或冷化现象，使材料强度提高，塑性，韧性降低，材质变硬变脆。单元二起重机金属结构的材料钢材的类别和特征金属结构是起重机的重要组成部分，其材料的选用直接关系到起重机的工作安全。起重机的工作非常繁重，经常承受变化的动力载荷和冲击载荷，而且工作环境一般较差，因此，要求金属结构的材料材质均匀而且有较高的强度，有良好的塑性、可焊性、时效性和防腐性，当在低温下工作时，材料还必须有足够的冲击韧性和断裂韧性。目前，起重机金属结构主要构件所用的材料有普通碳素结构钢、低合金钢结构钢，其分类和特征分述如下：单元二起重机金属结构的材料普通碳素结构钢普通碳素结构钢是一种低碳结构钢，其性能主要取决于其含碳量，随着含碳量的增加，塑性和可焊性下降。根据国家标准GB/T700-2006《碳素结构钢》的规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。例如：Q235-AF，“Q”代表钢材屈服点“屈”字的汉语拼音首位字母；“235”代表钢材屈服点的数值为235N/mm2；“A”代表钢材的质量等级为A级；“F”代表脱氧不完全的沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母。碳素结构钢的质量等级分为A、B、C、D四个等级，由A级到D级，钢材中锰含量增加，硫、磷含量相应减少，质量等级提高。单元二起重机金属结构的材料按冶炼方法的不同，碳素结构钢可分为平炉钢、转炉钢以及电炉钢。平炉钢质优而纯，机械性能化学成分比较稳定，适宜承受动力载荷，是起重机金属结构常用钢材。转炉钢由于鼓风经过熔融金属，钢材中含有气泡、碱、磷杂质和氧、氮有害气体等，材质不均，易裂，可焊性差，因此在低温或露天受动力载荷的金属结构主要构件，不准采用转炉钢。电炉钢质量最好，但价格昂贵，一般都是特殊用钢。钢的牌号中不标注冶炼方法，除非需方有特殊要求，并在合同中注明，冶炼方法一般由供方自行决定。单元二起重机金属结构的材料按照钢锭浇铸时脱氧方法的不同，碳素结构钢还可分为镇静钢（不用符号）和沸腾钢（符号F）。镇静钢是将钢水在炉中或钢罐中存放一段时间，用脱氧剂（铝或硅）来还原，使铝或硅与氧化合，减少钢水中的含氧量，浇铸凝固时，呈平静状态冷却。此种钢材脱氧彻底，质优而匀，机械性能好，但价格较高，对于在低温条件下工作的或直接承受动载荷的焊接结构，尤其是壁厚较大的结构件，应采用镇静钢。沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后，在钢锭中放出大量气体，形成沸腾状态，由于凝固时气体来不及全部排出，气体较多，钢材材质不匀，且杂质较多、塑性和韧性较差，特别是抗疲劳、时效和冷脆的性能较差，高温下易裂，可焊性不稳定，时效硬化敏感。单元二起重机金属结构的材料由于沸腾钢可省去大量脱氧剂，冶炼时间短，当用于轧制型材时，内部气孔被压合，并有坚实的外壳，因而它的价格低，静强度也比较高，广泛用于薄钢板和型钢。但是，下列起重机承重结构和构件不应采用沸腾钢：（1）直接承受动力载荷或振动载荷，需要验算疲劳的焊接结构（如工作级别为E6及其以上的起重机主要结构件）；（2）直接承受动力载荷或振动载荷，不需验算疲劳但工作温度低于-20℃的焊接结构；（3）承受静力载荷的受弯及受拉的重要承重焊接结构；（4）工作温度等于或低于-30℃的所有承重焊接结构；（5）环境温度等于或低于-20℃的直接承受动力载荷且需要验算疲劳的非焊接结构。单元二起重机金属结构的材料低合金结构钢低合金结构钢既是低碳钢又是高强度钢，其含碳量较低（小于0.20%），同时含有少量的锰、钛、钒、铜、硅、铝、硼、稀土等合金元素（多数情况下总量不超过2.5%），一般都是镇静钢，我国生产的低合金结构钢有Q345、Q390、Q420等，质量等级分为B、C、D、E、F五个等级，由B级到F级，质量逐级提高。目前，在起重机金属结构中应用较广的主要是Q345。低合金结构钢具有更高的屈服极限与抗拉强度，并具耐腐蚀性、耐磨、耐低温以及较好的加工性能、焊接性能等，但疲劳强度较低，价格较贵。单元二起重机金属结构的材料由于静强度高，人们往往喜欢采用，但应当慎重，只有当结构主要由最大强度控制，而不由疲劳强度控制时，才能充分利用其静强高的优点，达到节省材料的目的，并且要特别注意选择合理的焊接工艺并进行相应试验，以减少其制造内应力，防止焊缝开裂及控制高强度钢材结构的变形。一般说来，整个结构全采用低合金结构钢并不一定经济，因结构设计不仅仅是由强度来决定，还应考虑稳定性和刚度条件（后两者仅与构件尺寸、材料弹性模数有关，而与静强度无关），比如长度较大的压杆采用Q345是不经济的。因此，同一结构的不同构件，选择不同材料（如拉杆采用Q345，压杆选用Q235）就显得更合理、更经济。但实际应用时，为避免混淆不同的材料，一般尽量减少所用材料的种类。单元二起重机金属结构的材料影响钢材质量组别选取的因素起重机金属结构即使满足抗屈服、抗失稳、抗疲劳要求，但在某些情况下，仍不足以说明结构具有抗脆性破坏的安全性。为使所选用的钢材具有足够的抗脆性破坏的安全性，必须全面考虑引起脆性破坏的因素,进行评价并确定钢材质量组别。导致钢材脆性破坏的重要敏感因素有：焊缝类型、构件材料的厚度、工作环境的温度。单元二起重机金属结构的材料起重机用钢材的选择基本原则钢材的选择基本原则起重机结构用钢的选择，总的来说应该根据我国钢材生产的实际情况，结合起重机钢结构的工作特点和国内钢结构工程实践，本着充分发挥国产钢材的特点，做到既保证结构的安全可靠，又满足用材的经济合理。通常在选材时应考虑以下几条原则：考虑结构的连接方法和形式。从连接方法来讲，由于焊接过程不仅使钢材在循环作用下性能发生变化，而且会在结构内部造成残余应力、残余变形、焊接裂纹以及其他艺缺陷，使结构抗脆性破坏的能力降低，因此，对焊接结构用钢材化学成分和机械性能的要求应该高一些。单元二起重机金属结构的材料要考虑结构的载荷特点。对于经常承受反复载荷或动力载荷的结构、其材质要求该高一点；而对于使用频繁程度较低、或者不经常满载、或者基本属于静载的结构、则可选用一般性的钢材。要考虑结构的工作温度。对于经常处于低温状态下的结构，特别是在低温下工作的焊接结构，为了防止低温脆性破坏，对钢材的要求应严格些，不但要求保证化学成分和机械性能，而且要求有良好的焊接性能和低温下的冲击韧度。结构和构件的重要性。考虑到破坏后果的严重性，一般来说重要的、大型的结构应比一般结构用材要好些。单元二起重机金属结构的材料考虑构件壁厚的影响。钢材的综合性能与其厚度有密切关系，特别是机械性能、这是由于钢材壁厚越厚，轧制次数越少，钢材晶粒的结合就越松散，内部密实性也越差，所以，相同规格的钢材，厚度越大，强度越低，塑性、冲击韧度、焊接性能和冷弯性能都越差，这种情况对沸腾钢尤为显著。一般来说，采用较薄的钢材是较为经济合理的，特别是对于在低温条件下工作的结构。要考虑结构构件的受力性质。大量工程实践证明，同样的缺陷，钢村在拉力