第2章金屬結(jié)構(gòu)的材料2012

第2章金屬結(jié)構(gòu)的材料本章主要內(nèi)容：

金屬結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的基本要求鋼材的塑性破壞、脆性破壞、疲勞破壞影響鋼材性能的因素鋼材的種類、牌號(hào)、規(guī)格金屬結(jié)構(gòu)的選材原則金屬結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求及鋼材的性能指標(biāo)一、金屬結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求

較高的強(qiáng)度----輕質(zhì)高強(qiáng)足夠的變形能力----優(yōu)良的塑性和韌性良好的加工性能----冷灣性能、可焊性勝任惡劣環(huán)境的耐久性----適應(yīng)低溫適應(yīng)腐蝕介質(zhì)適應(yīng)重復(fù)載荷二、金屬結(jié)構(gòu)常用材料的性能強(qiáng)度：鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變圖材料抵抗外力作用時(shí)不致破壞的能力拉伸過程中各階段的特點(diǎn)彈性階段OAE段應(yīng)力應(yīng)變成比例線形關(guān)系，卸載后變形消失變形小，如Q235的屈服階段ECF段應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)入非線性的彈塑性階段，有明顯的水平狀屈服平臺(tái)，應(yīng)力基本保持不變，應(yīng)變不斷發(fā)展。應(yīng)力波動(dòng)的下限值稱為屈服強(qiáng)度σs

卸載后彈性變形消失，但仍保留一定的塑性變形強(qiáng)化階段FB段鋼材內(nèi)部晶粒重新排列，恢復(fù)承載能力應(yīng)變比應(yīng)力明顯增加得快，最終應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)σb，稱為抗拉強(qiáng)度頸縮階段BD超過B點(diǎn)后，試件出現(xiàn)橫向收縮，稱頸縮，隨后斷裂鋼材強(qiáng)度特性要點(diǎn)σp、σe、σs非常接近，三者合一，可認(rèn)為彈性與塑性的分界點(diǎn)。σs以后塑性變形很大，一旦超載，易被發(fā)現(xiàn)，加固補(bǔ)救。σs發(fā)展到σb有很大一段區(qū)域，可作為強(qiáng)度儲(chǔ)備。屈服強(qiáng)度作為金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可達(dá)到的最大應(yīng)力值：為簡化計(jì)算，設(shè)計(jì)中將實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變曲線視為理想彈塑性模型：理想彈塑性模型的曲線塑性塑性指標(biāo)

截面收縮率：

延伸率：

----應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，能產(chǎn)生一定殘余變形而不立即斷裂的性能良好的塑性√使結(jié)構(gòu)破壞前出現(xiàn)明顯的變形，減少突然破壞的危險(xiǎn)性√調(diào)整局部應(yīng)力高峰，使應(yīng)力平緩δ越大，塑性越好，對(duì)局部應(yīng)力集中的敏感性越小。常用鋼材的δ在20%～30%之間σb、σs、δ是鋼材的最基本、最重要的三項(xiàng)指標(biāo)韌性：表征材料破壞之前吸收機(jī)械能量的能力，即反映

鋼材抵抗沖擊載荷、動(dòng)力載荷的能力。

韌性指標(biāo)Cu：用卻貝試件，擺錘沖斷試件所耗的功（N·m）(外國)

αk：用梅氏試件，以沖斷試件所耗的功除以試件缺口截面積所得的商（N·m/mm2）（我國）在低溫下工作的金屬結(jié)構(gòu)材料沖擊韌性不得低于30N·m/mm2?！塘己玫捻g性使結(jié)構(gòu)的抗震能力提高韌性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)韌性與塑性有關(guān)，但不同于塑性韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合反映優(yōu)良的塑性、韌性比強(qiáng)度指標(biāo)更重要鋼材的斷裂韌性表征材料抵抗脆性破壞的能力。出現(xiàn)非過載脆性破壞的條件：冷彎性能-----衡量鋼材在冷加工塑性變形時(shí)抵抗裂紋的能力,反映了鋼材的冷加工性能冷彎性能是衡量鋼材力學(xué)性能的綜合指標(biāo)√既反映鋼材塑性的好壞√又反映鋼材的內(nèi)部質(zhì)量滿足冷彎性能比滿足σb、σs、δ都困難，有特殊要求才做冷彎試驗(yàn)越小，冷彎性越好試樣彎曲180°，表面及側(cè)面無裂紋或分層，則為合格。注：一定程度上，冷彎性能鑒定鋼材的可焊性的好壞可焊性----指采用一般焊接工藝就能達(dá)到合格焊縫的性能。具體表現(xiàn)當(dāng)時(shí)，可焊性良好正常焊接工藝下，焊縫不出現(xiàn)裂紋焊縫力學(xué)性能不低于母材力學(xué)性能用碳當(dāng)量表示可焊性：Q235、16Mn的可焊性良好耐久性耐腐蝕鋼材受各種腐蝕環(huán)境影響而慢慢生銹，消弱截面厚度噴涂防腐涂料，使鋼材耐腐蝕耐疲勞鋼材長時(shí)間受載荷重復(fù)作用，達(dá)到一定的使用壽命改善材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式提高疲勞強(qiáng)度，增加使用壽命

塑性破壞、脆性破壞、疲勞破壞塑性破壞（延性破壞）破壞前有明顯的變形，持續(xù)時(shí)間長破壞的斷口為杯形，呈纖維狀，色澤暗脆性破壞沒有征兆應(yīng)力相當(dāng)?shù)瓦M(jìn)展快（到臨界尺寸后，擴(kuò)展速度達(dá)2000m/s）疲勞破壞----在循環(huán)載荷重復(fù)作用下，經(jīng)歷一定時(shí)間的損傷積累，構(gòu)件或連接部位出現(xiàn)裂紋、最后斷裂的現(xiàn)象。塑性變形小，屬脆性破壞范疇破壞的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀脆性破壞實(shí)例1967年12月15日下午美國普萊森特角懸索橋在60秒內(nèi)倒塌46人喪生，37輛各種車輛掉入河中原因：一根吊桿斷裂普萊森特角（懸索橋）吊桿耳環(huán)斷裂整橋倒塌實(shí)例二：1965年英國JohnThompson公司的一臺(tái)氨合成塔，內(nèi)徑1700mm，壁厚149mm，內(nèi)、外徑之比k=1.175，長19m,材料為MnCrMoV，設(shè)計(jì)壓力36MPa，水壓試驗(yàn)壓力49MPa。按彈性失效理論和塑性失效理論計(jì)算屈服壓力與爆破壓力為：由于焊縫內(nèi)部一條10mm長的裂紋，導(dǎo)致試驗(yàn)加壓到35.2MPa時(shí)爆炸拉美公式塑性公式實(shí)例三：在1938年至1940年，有三座橫跨比利時(shí)阿爾伯特運(yùn)河的橋梁相繼破壞，其中第一座斷成三截墜入河中，破壞時(shí)氣溫約零下14℃。此外，在1947年至1950年之間，比利時(shí)有14座橋梁發(fā)生類似破壞。實(shí)例四：1943年至1947年間，在美國的5000艘全焊接《自由輪》中，發(fā)生了約1000次脆性破壞。238艘完全破壞。原因：低溫、缺陷脆斷的原因化學(xué)成分的影響（C、Mn、Si、S、P、H、O）應(yīng)力集中加工硬化溫度（冷脆、藍(lán)脆、蠕滑現(xiàn)象）焊接的影響（焊縫冷卻時(shí)，使材料的硬度和脆性提高，焊接過程中，晶粒間產(chǎn)生不均勻應(yīng)力和變形，即焊接應(yīng)力和變形。）防止脆斷的方法：在材料方面：盡可能選用較薄鋼板在加工方面：防止出現(xiàn)坑痕和裂紋在設(shè)計(jì)方面：降低應(yīng)力集中程度，避免出現(xiàn)三向受拉應(yīng)力狀態(tài)（如交叉焊接）

金屬結(jié)構(gòu)常用材料的分類

普通碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼普通低合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼鑄鋼：力學(xué)性能較差，僅用于形狀比較復(fù)雜的支座部件碳素結(jié)構(gòu)鋼的分類

平爐鋼（質(zhì)量好，效率低，已淘汰）按冶煉分轉(zhuǎn)爐鋼（效率高，發(fā)展方向）電爐鋼（質(zhì)量最好，價(jià)格貴，用于冶煉特種鋼）鎮(zhèn)靜鋼按澆鑄方法沸騰鋼（脫氧不完全，塑性、韌性差）Q34516Mn16MnRe12MnV工作溫度為-70°C低溫用鋼綜合力學(xué)性能好，低溫性能、冷沖壓性能、焊接性能和可切削性能都好性能與16Mn鋼相似，沖擊韌性和冷彎性能比16Mn好14MnNb工作溫度為-20～450°C的Q235ABCD不要求沖擊試驗(yàn)要求20℃時(shí)沖擊試驗(yàn)要求0℃時(shí)沖擊試驗(yàn)要求-20℃時(shí)沖擊試驗(yàn)Q42014MnVTiRe15MnVN綜合力學(xué)性能、焊接性能良好。低溫沖擊韌性特別好，與16MnNb鋼相同力學(xué)性能優(yōu)于15MnV鋼。綜合力學(xué)性能不佳，強(qiáng)度雖高，但韌性、塑性較低。焊接時(shí)，脆化傾向大。冷熱加工性尚好，但缺口敏感性較大應(yīng)用：大型船舶、橋梁、電站設(shè)備、起重機(jī)Q39015MnV15MnTi16MnNb性能優(yōu)于16Mn高壓鍋爐鍋筒、石油、化工容器、高應(yīng)力起重機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械構(gòu)件綜合力學(xué)性能比16Mn鋼高，焊接性、熱加工性和低溫沖擊韌性都好大型焊接結(jié)構(gòu)，如容器、管道及重型機(jī)械設(shè)備聯(lián)接件材料的要求焊絲要求：與主體金屬強(qiáng)度相適應(yīng)，且有足夠的韌性和塑性

常溫下：可用Q235

螺栓連接要求：<-20℃：20號(hào)鋼

重載：35、45號(hào)鋼且調(diào)質(zhì)處理。扎制鋼材一、鋼板薄鋼板、厚鋼板、特厚鋼板、扁鋼鋼板的表示方法：—厚×寬×長例：—10×800×6000熱軋鋼板冷軋鋼板在金屬材料的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行軋制的,冷軋是指在金屬材料的再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行軋制的。熱軋材料產(chǎn)品基本上比較粗糙，熱軋比冷軋的力學(xué)性能要好些，經(jīng)過熱處理的鋼材，它的抗拉，屈服強(qiáng)度，塑性，韌性都會(huì)有所提高

冷軋是指在常溫下，經(jīng)過冷拉、冷彎、冷拔等冷加工把鋼板或鋼帶加工成各種型式的鋼材。提高了鋼材的屈服點(diǎn)

二、型鋼角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼管、鋼軌作用：用于承受軸向力的構(gòu)件和支撐桿，通常宜選用薄而寬的角鋼注意：焊接角鋼不應(yīng)小于∠45×45×5，，鉚接角鋼不小于∠50×50×5作用：用于承受橫向彎曲的構(gòu)件。由于截面y—y軸的慣性矩很小，不宜單獨(dú)作受壓構(gòu)件。作用：用于承受橫向彎曲的構(gòu)件和承受軸向力的構(gòu)件。H型鋼：翼緣寬而平，各向剛度大，可獨(dú)立作受壓構(gòu)件和受彎曲構(gòu)件。丁字鋼：焊接桁架結(jié)構(gòu)中最適宜的型鋼。可代替一對(duì)角鋼，也可組成工字鋼理想的受壓構(gòu)件鋼軌：方鋼、起重機(jī)鋼軌、鐵路輕軌、鐵路重軌

金屬結(jié)構(gòu)的選材原則1、根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型選擇

輕型桁架結(jié)構(gòu)：采用碳素結(jié)構(gòu)鋼軋制成的型鋼重型桁架結(jié)構(gòu)：采用低合金鋼板梁結(jié)構(gòu)：采用碳素結(jié)構(gòu)鋼軋制成的板材板厚大于6mm2、根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)的載荷性質(zhì)

承受動(dòng)力載荷或A5以上的結(jié)構(gòu)，選疲勞強(qiáng)度高的鎮(zhèn)靜鋼材2、根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)的工作溫度對(duì)于低溫下工作的金屬結(jié)構(gòu)，選用低溫敏感性低，沖擊韌性高的材料，如平爐鎮(zhèn)靜鋼Q235C或低合金鋼16Mn4、根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境1、作為結(jié)構(gòu)工程師檢驗(yàn)鋼材性能指標(biāo)時(shí)，至少要求了解哪幾項(xiàng)指標(biāo)？2、例舉3種容易引起剛才變“脆”的因素3、假定一塊鋼板的材料性質(zhì)完全相同，從上制取2個(gè)具有相同直徑的拉伸試件試樣，一個(gè)標(biāo)距長度為直徑的5倍，另一個(gè)標(biāo)距長度為直徑的10倍，問兩者屈服載荷是否相同（或接近）？伸長率是否相同（或接近）？并簡要說明判斷的理由4、在何種情況下選用低合金鋼取代碳素結(jié)構(gòu)鋼才是合理的、經(jīng)濟(jì)的？5、在構(gòu)件發(fā)生斷裂破壞前，有明顯先兆的情況是_____的典型特征。脆性破壞(B)塑性破壞(C)強(qiáng)度破壞(D)失穩(wěn)破壞6、鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是根據(jù)___確定的。(A)比例極限(B)彈性極限(C)屈服點(diǎn)(D)極限強(qiáng)度

7、結(jié)構(gòu)工程中使用鋼材的塑性指標(biāo)，目前最主要用___表示。(A)流幅(B)沖擊韌性(C)可焊性(D)延伸率10、鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件是由___等于單向拉伸時(shí)的屈服點(diǎn)決定的。(A)最大主拉應(yīng)力σ1(B)最大剪應(yīng)力τ1

(C)最大主壓應(yīng)力σ3(D)折算應(yīng)力σr

8、鋼材經(jīng)歷了應(yīng)變硬化（應(yīng)變強(qiáng)化）之后-_____。(A)強(qiáng)度提高(B)塑性提高(C)冷彎性能提高(D)可焊性提高9、下列因素中_與鋼構(gòu)件發(fā)生脆性破壞無直接關(guān)系。(A)鋼材屈服點(diǎn)的大小(B)鋼材含碳量(C)負(fù)溫環(huán)境(D)應(yīng)力集中11、在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，認(rèn)為鋼材屈服點(diǎn)是構(gòu)件可以達(dá)到的___。(A)最大應(yīng)力(B)設(shè)計(jì)應(yīng)力(C)疲勞應(yīng)力(D)穩(wěn)定臨界應(yīng)力12、當(dāng)溫度從常溫下降為低溫時(shí)，鋼材的塑性和沖擊韌性___。(A)升高(B)下降(C)不變(D)升高不多

14、對(duì)于承受靜荷常溫工作環(huán)境下的金屬結(jié)構(gòu)，下列說法不正確的是___。(A)可選擇Q235鋼(B)可選擇Q345鋼(C)鋼材應(yīng)有沖擊韌性的保證(D)鋼材應(yīng)有三項(xiàng)基本保證13、鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)，最基本、最主要的是__時(shí)的力學(xué)性能指標(biāo)。(A)承受剪切(B)承受彎曲(C)單向拉伸(D)兩向和三向受力化學(xué)成分的影響鋼純鐵Fe(占99%）碳C變脆（強(qiáng)度，塑性、韌性、可焊性）其他主要元素硅Si適量強(qiáng)度，塑性、韌性、可焊性變化不大錳Mn影響同Si釩V影響同Si硫S熱脆，可焊性差磷P