机械结构金属装备设计课件第二章.ppt

起机教研室起机教研室安林超安林超第二章第二章 材料材料金属结构金属结构一一概述概述二二钢材的力学特性及影响因素钢材的力学特性及影响因素第二章第二章 材料材料本本章章教教学学内内容容三三材料的类别和特征及选择材料的类别和特征及选择本节教学要本节教学要求：求：本本节节教教学学要要求求第二章第二章 材料材料了解机械装备金属结构使用钢材的力学特性及了解机械装备金属结构使用钢材的力学特性及影响因素，材料的类别和特征以及相关国家和影响因素，材料的类别和特征以及相关国家和行业标准。行业标准。理解普通结构钢和低合金钢的特点及适用场合，理解普通结构钢和低合金钢的特点及适用场合，环境温度、工作级别对材料的影响度，设计组环境温度、工作级别对材料的影响度，设计组合截面时配置材料的原则。合截面时配置材料的原则。掌握材料的选用原则、依据和规定材料的标准掌握材料的选用原则、依据和规定材料的标准表示方法及考虑影响脆性破坏因素评价的钢材表示方法及考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法。质量组别选择方法。第二章第二章 材料材料概概 述述 机械装备金属结构通常承受变载荷和冲击载机械装备金属结构通常承受变载荷和冲击载荷，且工作环境一般较恶劣，因此要求金属结构荷，且工作环境一般较恶劣，因此要求金属结构材料具有强度高、塑性好、足够的抗冲击性能和材料具有强度高、塑性好、足够的抗冲击性能和良好的韧性。机械装备金属结构主要为焊接结构，良好的韧性。机械装备金属结构主要为焊接结构，故又要求具有良好的可焊性、时效性和防腐性。故又要求具有良好的可焊性、时效性和防腐性。由于普通结构钢（普通碳素钢、由于普通结构钢（普通碳素钢、优质碳素结构钢、低合金钢和合优质碳素结构钢、低合金钢和合金结构钢）；机械性能良好、规金结构钢）；机械性能良好、规格齐全、价格便宜并能满足结构格齐全、价格便宜并能满足结构要求，故得到广泛应用。要求，故得到广泛应用。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素1、钢材的力学性能、钢材的力学性能（1）静强度特性静强度特性右图所示为在单向静拉力作用下钢右图所示为在单向静拉力作用下钢材的应力材的应力-应变关系应变关系 曲线曲线。a、比例极限从坐标原点比例极限从坐标原点0到到P点呈线性关点呈线性关系，是钢材工作的弹性阶段。系，是钢材工作的弹性阶段。b、屈服点从屈服点从P点到点到S点点，随着载荷的增加，曲随着载荷的增加，曲线近似线性关系，有少量的塑性变形，钢材处线近似线性关系，有少量的塑性变形，钢材处于弹塑性阶段。于弹塑性阶段。C、抗拉强度在抗拉强度在S点后的微段，应力无明显增加点后的微段，应力无明显增加而出现较大的塑性变形，称为屈服，其产生塑而出现较大的塑性变形，称为屈服，其产生塑性变形的水平段称为流幅或屈服平台，这是钢性变形的水平段称为流幅或屈服平台，这是钢材的塑性阶段。材的塑性阶段。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素（2）疲劳强度特性）疲劳强度特性疲劳破坏疲劳破坏钢材在连续变化载荷作用下，开始是钢材在连续变化载荷作用下，开始是其组织发生晶粒间的滑移使材料强度降低而丧失继其组织发生晶粒间的滑移使材料强度降低而丧失继续抵抗外载荷的能力，继而转变为个别晶粒的撕裂续抵抗外载荷的能力，继而转变为个别晶粒的撕裂而出现裂纹，在连续变化载荷继续作用下，钢材的而出现裂纹，在连续变化载荷继续作用下，钢材的裂纹扩展加速直至断裂。裂纹扩展加速直至断裂。疲劳强度疲劳强度钢材疲劳破坏之前钢材疲劳破坏之前所能承受的最大应力，即在钢材所能承受的最大应力，即在钢材的标准试件上施加一定循环特性的标准试件上施加一定循环特性的等幅（交变的等幅（交变r=-1r=-1或脉动或脉动r=r=0 0）应力，由实验得到经过）应力，由实验得到经过N N次循次循环后不发生疲劳破坏的最大应力。环后不发生疲劳破坏的最大应力。远小于抗拉强度。（屈服）远小于抗拉强度。（屈服）第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素（2）疲劳强度特性）疲劳强度特性破坏特点破坏特点钢材疲劳破坏与塑性破坏不同，疲劳钢材疲劳破坏与塑性破坏不同，疲劳断裂是疲劳损伤的积累，疲劳裂纹是在重复载荷长断裂是疲劳损伤的积累，疲劳裂纹是在重复载荷长期作用下产生的，随着应力循环次数的增加，裂纹期作用下产生的，随着应力循环次数的增加，裂纹沿尖端逐渐扩展，直至剩余未断裂截面不足以承担沿尖端逐渐扩展，直至剩余未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的特点。和突发性的特点。影响因素影响因素钢材的疲劳强度与钢材的疲劳强度与钢材种类（标号）、连接接头型钢材种类（标号）、连接接头型式，结构特征，应力变化幅度以式，结构特征，应力变化幅度以及（应力）作用（循环）次数，及（应力）作用（循环）次数，应力集中等级系数等因素有关，应力集中等级系数等因素有关，其值由疲劳试验获得。其值由疲劳试验获得。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素v 应力循环次数应力循环次数疲劳寿命疲劳寿命N连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数v 疲劳极限疲劳极限 应力循环无限次，不发生疲劳破坏应力循环无限次，不发生疲劳破坏v依据国际有关标准建议，规定依据国际有关标准建议，规定=5106次为疲劳极限对应的次为疲劳极限对应的循环次数循环次数 v钢结构设计规范钢结构设计规范：N=N=5104次，应进行疲劳计算次，应进行疲劳计算 第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素（3）塑性特性）塑性特性钢材被拉断时塑性变形的大小，反映了钢材塑性的优钢材被拉断时塑性变形的大小，反映了钢材塑性的优劣。劣。钢材的塑性常用拉伸试验的伸长率钢材的塑性常用拉伸试验的伸长率和截面收缩率和截面收缩率来衡量。若试件原标距为来衡量。若试件原标距为L L，原截面面积为，原截面面积为A A，拉断时，拉断时总伸长量为总伸长量为L L，截面面积收缩量为，截面面积收缩量为A A，则，则钢材的伸长率和截面收缩率分别为：钢材的伸长率和截面收缩率分别为：，通常通常比比能更好地表达钢材的塑性性质。能更好地表达钢材的塑性性质。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素由于钢材的伸长率容易测量，通常以计算长度由于钢材的伸长率容易测量，通常以计算长度（标距）为（标距）为5d5d或或10d10d（为试件直径）的试件进行拉（为试件直径）的试件进行拉伸试验，并用或表示钢材的塑性。伸试验，并用或表示钢材的塑性。或或值越大，钢材塑性越好，对局部应力集中值越大，钢材塑性越好，对局部应力集中的敏感性越小。由于塑性变形能使局部应力趋于的敏感性越小。由于塑性变形能使局部应力趋于均匀，所以使结构突然断裂的危险性变小。均匀，所以使结构突然断裂的危险性变小。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素（4）韧性特性）韧性特性钢材的韧性是表征材料破坏前吸收机械能（冲击吸钢材的韧性是表征材料破坏前吸收机械能（冲击吸收功）的能力。收功）的能力。目前，对普通结构钢常用冲击试验来确定钢材韧目前，对普通结构钢常用冲击试验来确定钢材韧性的大小。钢材的冲击试验应按性的大小。钢材的冲击试验应按GB/T 229-2007GB/T 229-2007金金属材料夏比摆锤冲击试验方法属材料夏比摆锤冲击试验方法的规定进行。根据的规定进行。根据断裂力学分析钢材裂纹扩展的基础，通过实验数据，断裂力学分析钢材裂纹扩展的基础，通过实验数据，建立了断裂应力和裂纹深度建立了断裂应力和裂纹深度 和钢材韧性之间的关和钢材韧性之间的关系为：系为：常数常数K K的大小，标志着材料抵抗脆性破坏能力的高的大小，标志着材料抵抗脆性破坏能力的高低低。常用应力强度因子常用应力强度因子K K1 1来度量。来度量。当当K1增大到临界值增大到临界值K1c时，裂纹就迅速扩展，使构件产生断裂破坏，时，裂纹就迅速扩展，使构件产生断裂破坏，此时此时K1c值被称为材料的断裂韧性，是材料的一种机械性能，其单值被称为材料的断裂韧性，是材料的一种机械性能，其单位为位为N/mm3/2。低温下。低温下K1c值急剧降低，钢材容易脆断。值急剧降低，钢材容易脆断。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素 机械装备结构的主要材料是普通碳素结构钢和机械装备结构的主要材料是普通碳素结构钢和低合金结构钢，常温下这些材料的断裂破坏往往低合金结构钢，常温下这些材料的断裂破坏往往由疲劳引起，在低温下材料更容易发生裂纹断裂由疲劳引起，在低温下材料更容易发生裂纹断裂（脆断），因此需要掌握材料在低温下的断裂韧（脆断），因此需要掌握材料在低温下的断裂韧性才能更合理地使用材料。性才能更合理地使用材料。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素2 2、钢材的加工性能、钢材的加工性能钢材的加工性能是指钢材的加工性能是指焊接性能焊接性能和和冷弯性能冷弯性能。（1 1）可焊性可焊性钢材在焊缝冷却后，连接具有完整钢材在焊缝冷却后，连接具有完整性（无裂缝）和坚固性，即在各种静、动载荷长期作性（无裂缝）和坚固性，即在各种静、动载荷长期作用和低温下，连接具有足够的强度和完整性的能力。用和低温下，连接具有足够的强度和完整性的能力。常以连接的常以连接的抗裂性和力学性能抗裂性和力学性能来检验钢材可焊性的好来检验钢材可焊性的好坏。坏。主要影响因素是焊接工艺和钢材的含碳量。主要影响因素是焊接工艺和钢材的含碳量。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素（2 2）冷弯性能）冷弯性能钢材的冷弯性能表示其在常温钢材的冷弯性能表示其在常温下作下作180180冷弯变形试验而不出现裂缝的性能。按冷弯变形试验而不出现裂缝的性能。按照钢材牌号和厚度（直径）规定出弯心直径与试照钢材牌号和厚度（直径）规定出弯心直径与试件厚度的不同比值，此比值越小，表明钢材的冷件厚度的不同比值，此比值越小，表明钢材的冷弯性能越好，塑性越大。弯性能越好，塑性越大。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素3、钢材的耐久性能、钢材的耐久性能钢材的耐久性主要以钢材的时效、防锈性来表征。钢材的耐久性主要以钢材的时效、防锈性来表征。时效时效自然时效自然时效加工时效加工时效由于时效提高了材料的强度，但由于时效提高了材料的强度，但同时使材料变硬，增大脆性，这同时使材料变硬，增大脆性，这对受动载荷的结构是十分不利，对受动载荷的结构是十分不利，所以在金属结构中不考虑材料因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。时效硬化产生的高强度性能。钢材时效的敏感程度与加载性质、时效温度、所含杂质、钢材时效的敏感程度与加载性质、时效温度、所含杂质、钢材晶粒度等有关。对于承受动载荷的结构，使用时效的钢材晶粒度等有关。对于承受动载荷的结构，使用时效的钢材容易发生脆性破坏，所以设计时应有足够的安全度。钢材容易发生脆性破坏，所以设计时应有足够的安全度。钢材的锈蚀与钢材的类别和环境有关，选用耐腐蚀的钢材，钢材的锈蚀与钢材的类别和环境有关，选用耐腐蚀的钢材，可延长结构的使用期限。可延长结构的使用期限。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素4、影响钢材性能的主要因素、影响钢材性能的主要因素影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素4、影响钢材性能的主要因素、影响钢材性能的主要因素化学成分化学成分碳素结构钢中除铁、碳以外，还有锰、硅、硫、磷等元素碳素结构钢中除铁、碳以外，还有锰、硅、硫、磷等元素和氧、氮等气体。低合金结构钢中还含有铜、铝、钛等少和氧、氮等气体。低合金结构钢中还含有铜、铝、钛等少量元素。它们的质量分数影响着钢材的性能。量元素。它们的质量分数影响着钢材的性能。增加碳的质量分数可提高钢的强度，但却降低了塑性和可增加碳的质量分数可提高钢的强度，但却降低了塑性和可焊性，因此在焊接结构钢材中，碳的质量分数应在焊性，因此在焊接结构钢材中，碳的质量分数应在0.20.2以以下。下。适量的锰和硅，可提高钢的强度，硅的作用更大，但质量适量的锰和硅，可提高钢的强度，硅的作用更大，但质量分数增大时会降低钢的塑性、可焊性和抗锈蚀性，故应对分数增大时会降低钢的塑性、可焊性和抗锈蚀性，故应对锰、硅的质量分数加以限制。锰、硅的质量分数加以限制。硫、磷是钢的有害成分，硫和铁的化合物硫化铁熔点较低，硫、磷是钢的有害成分，硫和铁的化合物硫化铁熔点较低，它在高温下易变脆。磷在低温下使钢变得更脆，因此应严它在高温下易变脆。磷在低温下使钢变得更脆，因此应严格限制硫、磷的质量分数。格限制硫、磷的质量分数。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素4、影响钢材性能的主要因素、影响钢材性能的主要因素应力状态应力状态不同应力状态对钢材性能有明显的影响。不同应力状态对钢材性能有明显的影响。在同号平面应力状态下，钢材的弹性工作范围在同号平面应力状态下，钢材的弹性工作范围及屈服点均有所提高，塑性变形大为降低。及屈服点均有所提高，塑性变形大为降低。在异号平面应力状态下，情况则完全相反。钢材的弹性工在异号平面应力状态下，情况则完全相反。钢材的弹性工作范围和屈服点都有所下，降塑性变形却大为增加，容易作范围和屈服点都有所下，降塑性变形却大为增加，容易使结构丧失承载能力。使结构丧失承载能力。对同号的三向应力状态和异号的三向应力状态，与平面应对同号的三向应力状态和异号的三向应力状态，与平面应力状态的相仿。如钢材在三向相等的拉应力作用下会发生力状态的相仿。如钢材在三向相等的拉应力作用下会发生脆性破坏。在三向相等的压应力脆性破坏。在三向相等的压应力作用下，几乎很难发生破坏。作用下，几乎很难发生破坏。二向、三向应二向、三向应力状态？力状态？第四强度理论第四强度理论当 时为弹性状态；当 时为塑性状态第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素v三向均为拉应力时，直到破坏也没有明显塑性变形，属脆性破坏v三向均为压应力且数值相近时，材料既不进入塑性，也不断裂v当有异号应力，且同号应力相差较大时，较易进入塑性状态v钢材的抗剪强度设计值取为0.58f 第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素4、影响钢材性能的主要因素、影响钢材性能的主要因素温度变化直接影响着钢材的性能，温度升高，强度下降，温度变化直接影响着钢材的性能，温度升高，强度下降，温度在温度在200200以内时，钢材强度基本不变。超过以内时，钢材强度基本不变。超过300300，钢材的屈服点和强度极限明显下降，会发生蠕滑现象，钢材的屈服点和强度极限明显下降，会发生蠕滑现象，超过超过600600时，钢材强度几乎等于零。当温度下降时，时，钢材强度几乎等于零。当温度下降时，钢材的强度显著提高，而塑性、韧性下降，钢材的强度显著提高，而塑性、韧性下降，加载速度的提高（如撞击），能降低钢材的塑性和断裂韧性，加载速度的提高（如撞击），能降低钢材的塑性和断裂韧性，增大脆性，其作用相当于温度的降低。当加载速度增大到增大脆性，其作用相当于温度的降低。当加载速度增大到定值时，钢材呈现脆性，这时的加载速度称为临界加载速度。定值时，钢材呈现脆性，这时的加载速度称为临界加载速度。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素4、影响钢材性能的主要因素、影响钢材性能的主要因素焊接过程中，焊缝和主体金属都经过了高温和冷却的变化，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。靠近焊缝的主体金属结晶组织和力学性能都起了变化。焊接金属凝固时，晶粒之间会产生不焊接金属凝固时，晶粒之间会产生不均匀的应力和收缩，容易引起裂缝和均匀的应力和收缩，容易引起裂缝和残余应力。残余应力。第二章第二章 材料材料第第一一节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素4、影响钢材性能的主要因素、影响钢材性能的主要因素结构中的应力分布通常都是不均匀的，三向应力可能由三向载结构中的应力分布通常都是不均匀的，三向应力可能由三向载荷所引起，但更多情况是由于结构不连续、截面形状突变形成荷所引起，但更多情况是由于结构不连续、截面形状突变形成的缺口效应所产生，在的缺口效应所产生，在孔洞、凹角、裂缝、厚度改变和不平处孔洞、凹角、裂缝、厚度改变和不平处主应力线将发生转折绕行，应力作用线比较密集和弯曲，出现主应力线将发生转折绕行，应力作用线比较密集和弯曲，出现局部高峰应力，产生应力集中现象。局部高峰应力，产生应力集中现象。钢材经冷加工、冷弯和剪切会使钢材产钢材经冷加工、冷弯和剪切会使钢材产生局部塑性变形，产生硬化或冷化现象，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，加使材料强度提高，塑性、韧性降低，加速时效，材质变硬脆。速时效，材质变硬脆。第二章第二章 材料材料第第二二节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择钢材名称钢材名称钢材牌号钢材牌号表示方法说明表示方法说明碳素结构钢碳素结构钢Q195Q215BQ235AQ275举例举例Q235A.FQ代代表表“屈服点屈服点”的汉语的汉语拼音第一个字母拼音第一个字母235屈服点的数值屈服点的数值A质量等级代号（质量等级代号（A、B、C、D共共4级）级）F脱氧方法符号（脱氧方法符号（F、b、Z、TZ），），Z、TZ可不标可不标合金合金钢钢低合金结构钢低合金结构钢Q345EQ390BQ420AQ460BQ500CQ550DQ620BQ690C原牌号原牌号16Mn15MnTi举例举例Q345EQ代代表表“屈服点屈服点”的的汉语拼音首第一个字母汉语拼音首第一个字母345屈服点的数值屈服点的数值E质量等级代号（质量等级代号（A、B、C、D、E共共5级）级）举例举例16Mn16万分之平均含碳量，即万分之平均含碳量，即0.16%的平均含碳量的平均含碳量Mn化学元素代号，锰的代号化学元素代号，锰的代号合金结构钢合金结构钢30CrMnSi38CrMoAlA举例举例38CrMoAlA38万分之平均含碳量，即万分之平均含碳量，即0.38%的平均含碳量的平均含碳量CrMoAl化学元素代号，铬、钼、铝的代号化学元素代号，铬、钼、铝的代号A磷、硫含量较低的高级优质钢磷、硫含量较低的高级优质钢铸钢铸钢铸造碳钢铸造碳钢ZG230450ZG310570举例举例ZG230450ZG铸钢铸钢230屈服点的数值屈服点的数值450抗拉强度抗拉强度合金铸钢合金铸钢ZG40Mn2ZG35CrMo举例举例ZG40Mn2ZG铸钢铸钢40含碳量含碳量0.35%0.45%Mn2合金猛含量合金猛含量1.6%1.8%第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择（1 1）碳素结构钢）碳素结构钢 碳素结构钢是一种低碳结构钢。按照钢材屈服点的数碳素结构钢是一种低碳结构钢。按照钢材屈服点的数值，碳素结构钢划分成值，碳素结构钢划分成Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235、Q255Q255、Q275Q275等等牌号，屈服点愈高，钢材愈硬。牌号，屈服点愈高，钢材愈硬。机械装备金属结构的主要承载结构的构件，宜采用力机械装备金属结构的主要承载结构的构件，宜采用力学性能不低于学性能不低于GB/T 700GB/T 700中的中的Q235Q235钢和钢和GB/T699GB/T699中的中的2020钢材。钢材。碳素结构钢、低合金结构钢和铸钢的物理性能：弹性碳素结构钢、低合金结构钢和铸钢的物理性能：弹性模量模量E=2.06105MPa，剪切模量，剪切模量G=7.94104MPa，泊松，泊松比比 0.3，线膨胀系数，线膨胀系数=1.210-5-1，质量密度，质量密度=7850kg/m3=7.85g/cm3。第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择2 2低合金结构钢低合金结构钢 低合金结构钢既是低碳钢又是高强度钢，是在冶低合金结构钢既是低碳钢又是高强度钢，是在冶炼过程中添加微量的锰、钒、铌、钛、铬、镍、铜、炼过程中添加微量的锰、钒、铌、钛、铬、镍、铜、铝、硅、硼等稀土元素使钢的强度明显提高。铝、硅、硼等稀土元素使钢的强度明显提高。碳的质碳的质量分数不超过量分数不超过0.20.2，一般都是镇静钢，力学性能和化一般都是镇静钢，力学性能和化学成分均需保证。学成分均需保证。低合金结构钢的牌号为低合金结构钢的牌号为Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420、Q460Q460等，其质量等级为等，其质量等级为5 5级。级。在相同载荷与结构等边界条件下，所设计的低合在相同载荷与结构等边界条件下，所设计的低合金高强度钢结构件截面要比碳素结构钢的截面小，而金高强度钢结构件截面要比碳素结构钢的截面小，而其稳定性和刚性均较差（临界应力小而变形大），而其稳定性和刚性均较差（临界应力小而变形大），而钢材的弹性模量是相同的，钢材的弹性模量是相同的，因此只有由强度决定结构因此只有由强度决定结构件截面时，使用低合金高强度钢才是合理的。件截面时，使用低合金高强度钢才是合理的。第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择3 3铸钢铸钢 金属结构的支承部件（支座）常采用铸钢制作，金属结构的支承部件（支座）常采用铸钢制作，常用的铸钢牌号有常用的铸钢牌号有ZG200-400ZG200-400，ZG230-450ZG230-450，ZG270-ZG270-500500等。等。起重运输机齿轮、联轴器、齿轮、车轮、阀轮、起重运输机齿轮、联轴器、齿轮、车轮、阀轮、叉头。叉头。4 4连接材料连接材料 （1 1）焊条、焊丝、焊剂材料）焊条、焊丝、焊剂材料 E4301，E5001等系列焊接重要的低碳结构钢。等系列焊接重要的低碳结构钢。第二章第二章 材料材料第第二二节节 钢钢材材的的力力学学特特性性及及影影响响因因素素还有铝合金、各种轧制钢板和型钢。如：工字钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢、L L型钢、H H型钢、T T型钢、钢管、方钢和钢轨等。钢板在设计图中用钢板在设计图中用“一厚一厚宽宽长长”表示。表示。承载结构所用的钢板厚度不应小于承载结构所用的钢板厚度不应小于6mm6mm。角钢分为等边角钢和不等边角钢两种，应符合角钢分为等边角钢和不等边角钢两种，应符合GB/T706-2008GB/T706-2008的的规定。其型号以边宽的厘米数表示。在设计中，角钢用符号规定。其型号以边宽的厘米数表示。在设计中，角钢用符号“”表示，如边宽表示，如边宽50mm50mm、厚度、厚度5mm5mm、长度、长度2000mm2000mm的等边角钢，可表示的等边角钢，可表示为为 505050520005052000。焊接结构选用的角钢不应小于焊接结构选用的角钢不应小于 4545455455。工字钢应符合型号是以截面高度的厘米数表示。在设计中，工字钢应符合型号是以截面高度的厘米数表示。在设计中，用用“”表示工字钢，如表示工字钢，如20a20a工字钢，腿（翼缘）宽工字钢，腿（翼缘）宽100mm100mm，腰，腰厚厚7mm7mm，长度，长度5000mm5000mm，可表示为：，可表示为：20a500020a5000或或2001007500020010075000。第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择T T型钢为梁的翼缘部分多用于冶金起重机偏轨箱形梁型钢为梁的翼缘部分多用于冶金起重机偏轨箱形梁轨道下方与主腹板的拼接中。轨道下方与主腹板的拼接中。钢管分为结构用无缝钢管、直缝焊接钢管和低压流体输送钢管分为结构用无缝钢管、直缝焊接钢管和低压流体输送用焊接钢管等三种。结构设计中主要使用无缝钢管。设计用焊接钢管等三种。结构设计中主要使用无缝钢管。设计中钢管用中钢管用“钢管钢管”表示，如外径表示，如外径60mm60mm、壁厚、壁厚10mm10mm、长度为、长度为10000mm10000mm的无缝钢管，可表示为：无缝管的无缝钢管，可表示为：无缝管 606010100001010000。大型方钢管和矩形管是截面合理的型钢，在建筑、桥梁、大型方钢管和矩形管是截面合理的型钢，在建筑、桥梁、机械结构中应用较多。机械结构中应用较多。第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择钢轨有方钢、起重机钢轨和铁路用热轧钢轨三种。钢轨主钢轨有方钢、起重机钢轨和铁路用热轧钢轨三种。钢轨主要用于起重机中，其它机械少用。方钢常用作小车轨道，要用于起重机中，其它机械少用。方钢常用作小车轨道，视起重小车轮压而定，视起重小车轮压而定，般边宽在般边宽在60mm60mm左右。中等起重量左右。中等起重量的起重机轨道可采用铁路用热轧钢轨。大起重量的起重机的起重机轨道可采用铁路用热轧钢轨。大起重量的起重机轨道和起重小车轨道均可采用方钢或起重机钢轨。铺设在轨道和起重小车轨道均可采用方钢或起重机钢轨。铺设在地面上的轨道，通常采用铁路用热轧钢轨，车轮压力很大地面上的轨道，通常采用铁路用热轧钢轨，车轮压力很大时，可采用起重机钢轨。时，可采用起重机钢轨。第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择6 6铝合金铝合金 铝合金是一种轻金属，它主要由铝、镁、铜、锰、铝合金是一种轻金属，它主要由铝、镁、铜、锰、锌、硅等元素炼成的。在国外已有很多起重机金属结构、锌、硅等元素炼成的。在国外已有很多起重机金属结构、建筑结构用铝合金制造。建筑结构用铝合金制造。铝合金的机械性能很好，与铝合金的机械性能很好，与Q235Q235号钢相比，有如下号钢相比，有如下优点：优点：1 1）铝合金比重小（密度为）铝合金比重小（密度为2.642.8g/cm32.642.8g/cm3），铝合），铝合金的结构比钢结构自重减轻金的结构比钢结构自重减轻4060%4060%。2 2）铝合金强度与钢材（）铝合金强度与钢材（Q235Q235）相近。但用于焊接）相近。但用于焊接结构的铝合金强度则低一些。结构的铝合金强度则低一些。3 3）铝合金在低温下冲击韧性并不降低。）铝合金在低温下冲击韧性并不降低。4 4）铝合金抗腐蚀性强，仅与其它金属接触处易腐）铝合金抗腐蚀性强，仅与其它金属接触处易腐蚀，不接触处则不易腐蚀。蚀，不接触处则不易腐蚀。第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择二、材料的选择二、材料的选择 金属结构材料的选择既关系到结构的安全性，也关系金属结构材料的选择既关系到结构的安全性，也关系到合理地利用材料的经济性，因此，选取材料时应考虑结到合理地利用材料的经济性，因此，选取材料时应考虑结构的重要性、载荷特征、工作级别、应力状态、连接方式、构的重要性、载荷特征、工作级别、应力状态、连接方式、工作环境温度及钢材厚度等因素。工作环境温度及钢材厚度等因素。（1 1）结构重要性）结构重要性 （2 2）载荷特征）载荷特征 （3 3）工作级别）工作级别 （4 4）工作环境）工作环境 （5 5）钢材性能与厚度）钢材性能与厚度 （6 6）连接方式）连接方式 第二章第二章 材料材料材料选取的原则：材料选取的原则：a a、对于焊接和非焊接结构不应选用沸腾刚的情况、对于焊接和非焊接结构不应选用沸腾刚的情况b b、对于厚度大于、对于厚度大于50mm50mm的钢板，用作焊接承载构件时应慎重。的钢板，用作焊接承载构件时应慎重。c c、钢材的技术指标体现在钢材出厂证明书中所提供的技术、钢材的技术指标体现在钢材出厂证明书中所提供的技术保证。保证。d d、在设计高强度钢材的结构构件时，应特别注意选择合理、在设计高强度钢材的结构构件时，应特别注意选择合理的焊接工艺并进行相应的焊接试验。的焊接工艺并进行相应的焊接试验。e e、室外工作起重机的结构工作坏境情况。、室外工作起重机的结构工作坏境情况。f f、正确评价导致构件钢材脆性破坏的以下各因素的影响。、正确评价导致构件钢材脆性破坏的以下各因素的影响。第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择第二章第二章 材料材料三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法（1）对影响脆性破坏因素的评价a、纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用的影响。b、构件材料厚度的影响。c、工作坏境温度的影响。（2）用综合评价法对所要求的钢材质量组别确定第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择第二章第二章 材料材料三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法1、对影响脆性破坏因素的评价、对影响脆性破坏因素的评价a、纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的、纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用的影响。联合作用的影响。类焊缝：无焊缝或只有横向焊缝，脆性破坏的危险性小。第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择第二章第二章 材料材料类焊缝：只有纵向焊缝的结构，脆性破坏的危险性增加。评价系数按下式计算：=第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法1、对影响脆性破坏因素的评价、对影响脆性破坏因素的评价a、纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的、纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用的影响。联合作用的影响。第二章第二章 材料材料类焊缝：焊缝汇聚，高度应力集中，脆性破坏的危险性最大。评价系数按下式计算：第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法1、对影响脆性破坏因素的评价、对影响脆性破坏因素的评价a、纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的、纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用的影响。联合作用的影响。第二章第二章 材料材料当钢材的屈强比当钢材的屈强比 0.7时，上面时，上面三式中三式中 用用 代之。代之。第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法1、对影响脆性破坏因素的评价、对影响脆性破坏因素的评价a、纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的、纵向残余拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用的影响。联合作用的影响。第二章第二章 材料材料三、三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法1 1、对影响脆性破坏因素的评价、对影响脆性破坏因素的评价b)构件材料厚度的影响构件材料厚度的影响构件材料的厚度越大，脆性破坏危险性增大。构件材料的厚度越大，脆性破坏危险性增大。当当5mm20mm 当当20mm100mm 第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择第二章第二章 材料材料三、三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法1 1、对影响脆性破坏因素的评价、对影响脆性破坏因素的评价c)工作环境温度的影响工作环境温度的影响 在室外的起重机结构的工作环境温度取为起重机使用在室外的起重机结构的工作环境温度取为起重机使用地点的年最低日平均温度。当起重机的结构工作环境温地点的年最低日平均温度。当起重机的结构工作环境温度在度在0以下时，随着温度的降低，材料脆性破坏的危险以下时，随着温度的降低，材料脆性破坏的危险性增大。性增大。不低于不低于-30时，时，低于低于-30、高于、高于-55时，时，第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择第二章第二章 材料材料三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法2 2、所要求的钢材质量组别的确定、所要求的钢材质量组别的确定将评价系数将评价系数 、相加，得到总评价系数，相加，得到总评价系数，与表与表2-10对应的钢材质量组别对应的钢材质量组别214283164第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择第二章第二章 材料材料第第二二节节 材材料料的的类类别别和和特特征征及及选选择择