第2章金屬結構的材料2012

第2章金屬結構的材料本章主要內容：

金屬結構對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、規(guī)格金屬結構的選材原則金屬結構對材料的要求及鋼材的性能指標一、金屬結構對材料的要求

較高的強度----輕質高強足夠的變形能力----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----適應低溫適應腐蝕介質適應重復載荷二、金屬結構常用材料的性能強度：鋼材的應力—應變圖材料抵抗外力作用時不致破壞的能力拉伸過程中各階段的特點彈性階段OAE段應力應變成比例線形關系，卸載后變形消失變形小，如Q235的屈服階段ECF段應力應變進入非線性的彈塑性階段，有明顯的水平狀屈服平臺，應力基本保持不變，應變不斷發(fā)展。應力波動的下限值稱為屈服強度σs

卸載后彈性變形消失，但仍保留一定的塑性變形強化階段FB段鋼材內部晶粒重新排列，恢復承載能力應變比應力明顯增加得快，最終應力達到最高點σb，稱為抗拉強度頸縮階段BD超過B點后，試件出現(xiàn)橫向收縮，稱頸縮，隨后斷裂鋼材強度特性要點σp、σe、σs非常接近，三者合一，可認為彈性與塑性的分界點。σs以后塑性變形很大，一旦超載，易被發(fā)現(xiàn)，加固補救。σs發(fā)展到σb有很大一段區(qū)域，可作為強度儲備。屈服強度作為金屬結構設計可達到的最大應力值：為簡化計算，設計中將實際應力應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

截面收縮率：

延伸率：

----應力超過屈服點后，能產生一定殘余變形而不立即斷裂的性能良好的塑性√使結構破壞前出現(xiàn)明顯的變形，減少突然破壞的危險性√調整局部應力高峰，使應力平緩δ越大，塑性越好，對局部應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、最重要的三項指標韌性：表征材料破壞之前吸收機械能量的能力，即反映

鋼材抵抗沖擊載荷、動力載荷的能力。

韌性指標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構材料沖擊韌性不得低于30N·m/mm2。√良好的韌性使結構的抗震能力提高韌性的進一步認識韌性與塑性有關，但不同于塑性韌性是鋼材強度和塑性的綜合反映優(yōu)良的塑性、韌性比強度指標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性能的綜合指標√既反映鋼材塑性的好壞√又反映鋼材的內部質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越小，冷彎性越好試樣彎曲180°，表面及側面無裂紋或分層，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到合格焊縫的性能。具體表現(xiàn)當時，可焊性良好正常焊接工藝下，焊縫不出現(xiàn)裂紋焊縫力學性能不低于母材力學性能用碳當量表示可焊性：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間受載荷重復作用，達到一定的使用壽命改善材質、結構形式提高疲勞強度，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力相當?shù)瓦M展快（到臨界尺寸后，擴展速度達2000m/s）疲勞破壞----在循環(huán)載荷重復作用下，經(jīng)歷一定時間的損傷積累，構件或連接部位出現(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例1967年12月15日下午美國普萊森特角懸索橋在60秒內倒塌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)斷裂整橋倒塌實例二：1965年英國JohnThompson公司的一臺氨合成塔，內徑1700mm，壁厚149mm，內、外徑之比k=1.175，長19m,材料為MnCrMoV，設計壓力36MPa，水壓試驗壓力49MPa。按彈性失效理論和塑性失效理論計算屈服壓力與爆破壓力為：由于焊縫內部一條10mm長的裂紋，導致試驗加壓到35.2MPa時爆炸拉美公式塑性公式實例三：在1938年至1940年，有三座橫跨比利時阿爾伯特運河的橋梁相繼破壞，其中第一座斷成三截墜入河中，破壞時氣溫約零下14℃。此外，在1947年至1950年之間，比利時有14座橋梁發(fā)生類似破壞。實例四：1943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成分的影響（C、Mn、Si、S、P、H、O）應力集中加工硬化溫度（冷脆、藍脆、蠕滑現(xiàn)象）焊接的影響（焊縫冷卻時，使材料的硬度和脆性提高，焊接過程中，晶粒間產生不均勻應力和變形，即焊接應力和變形。）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)坑痕和裂紋在設計方面：降低應力集中程度，避免出現(xiàn)三向受拉應力狀態(tài)（如交叉焊接）

金屬結構常用材料的分類

普通碳素鋼優(yōu)質碳素鋼普通低合金結構鋼合金結構鋼鑄鋼：力學性能較差，僅用于形狀比較復雜的支座部件碳素結構鋼的分類

平爐鋼（質量好，效率低，已淘汰）按冶煉分轉爐鋼（效率高，發(fā)展方向）電爐鋼（質量最好，價格貴，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不要求沖擊試驗要求20℃時沖擊試驗要求0℃時沖擊試驗要求-20℃時沖擊試驗Q42014MnVTiRe15MnVN綜合力學性能、焊接性能良好。低溫沖擊韌性特別好，與16MnNb鋼相同力學性能優(yōu)于15MnV鋼。綜合力學性能不佳，強度雖高，但韌性、塑性較低。焊接時，脆化傾向大。冷熱加工性尚好，但缺口敏感性較大應用：大型船舶、橋梁、電站設備、起重機Q39015MnV15MnTi16MnNb性能優(yōu)于16Mn高壓鍋爐鍋筒、石油、化工容器、高應力起重機械、運輸機械構件綜合力學性能比16Mn鋼高，焊接性、熱加工性和低溫沖擊韌性都好大型焊接結構，如容器、管道及重型機械設備聯(lián)接件材料的要求焊絲要求：與主體金屬強度相適應，且有足夠的韌性和塑性

常溫下：可用Q235

螺栓連接要求：<-20℃：20號鋼

重載：35、45號鋼且調質處理。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晶溫度以上進行軋制的,冷軋是指在金屬材料的再結晶溫度以下進行軋制的。熱軋材料產品基本上比較粗糙，熱軋比冷軋的力學性能要好些，經(jīng)過熱處理的鋼材，它的抗拉，屈服強度，塑性，韌性都會有所提高

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

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件和支撐桿，通常宜選用薄而寬的角鋼注意：焊接角鋼不應小于∠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件。由于截面y—y軸的慣性矩很小，不宜單獨作受壓構件。作用：用于承受橫向彎曲的構件和承受軸向力的構件。H型鋼：翼緣寬而平，各向剛度大，可獨立作受壓構件和受彎曲構件。丁字鋼：焊接桁架結構中最適宜的型鋼?？纱嬉粚卿?，也可組成工字鋼理想的受壓構件鋼軌：方鋼、起重機鋼軌、鐵路輕軌、鐵路重軌

金屬結構的選材原則1、根據(jù)結構的類型選擇

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

承受動力載荷或A5以上的結構，選疲勞強度高的鎮(zhèn)靜鋼材2、根據(jù)金屬結構的工作溫度對于低溫下工作的金屬結構，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)金屬結構的工作環(huán)境1、作為結構工程師檢驗鋼材性能指標時，至少要求了解哪幾項指標？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完全相同，從上制取2個具有相同直徑的拉伸試件試樣，一個標距長度為直徑的5倍，另一個標距長度為直徑的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構鋼才是合理的、經(jīng)濟的？5、在構件發(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)強度破壞(D)失穩(wěn)破壞6、鋼材的設計強度是根據(jù)___確定的。(A)比例極限(B)彈性極限(C)屈服點(D)極限強度

7、結構工程中使用鋼材的塑性指標，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、鋼材在復雜應力狀態(tài)下的屈服條件是由___等于單向拉伸時的屈服點決定的。(A)最大主拉應力σ1(B)最大剪應力τ1

(C)最大主壓應力σ3(D)折算應力σr

8、鋼材經(jīng)歷了應變硬化（應變強化）之后-_____。(A)強度提高(B)塑性提高(C)冷彎性能提高(D)可焊性提高9、下列因素中_與鋼構件發(fā)生脆性破壞無直接關系。(A)鋼材屈服點的大小(B)鋼材含碳量(C)負溫環(huán)境(D)應力集中11、在金屬結構設計中，認為鋼材屈服點是構件可以達到的___。(A)最大應力(B)設計應力(C)疲勞應力(D)穩(wěn)定臨界應力12、當溫度從常溫下降為低溫時，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、對于承受靜荷常溫工作環(huán)境下的金屬結構，下列說法不正確的是___。(A)可選擇Q235鋼(B)可選擇Q345鋼(C)鋼材應有沖擊韌性的保證(D)鋼材應有三項基本保證13、鋼材的力學性能指標，最基本、最主要的是__時的力學性能指標。(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成分的影響鋼純鐵Fe(占99%）碳C變脆（強度，塑性、韌性、可焊性）其他主要元素硅Si適量強度，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