模塊二 起重機金屬結(jié)構(gòu)-材料課件講解

02Second模塊二港口起重機金屬結(jié)構(gòu)單元一起重機金屬結(jié)構(gòu)概述單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料單元三起重機金屬結(jié)構(gòu)的連接單元四起重機金屬結(jié)構(gòu)的基本受力構(gòu)件單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料鋼材的力學(xué)性能及影響因素鋼材的力學(xué)性能

鋼材的靜強度特性比例極限彈性極限屈服極限抗拉強度屈強比單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料

鋼材的疲勞強度特性。鋼材在連續(xù)重復(fù)載荷作用下，開始是其組織發(fā)生晶粒間的滑移，使材料強度降低，而不能繼續(xù)抵抗外力的作用，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)閭€別晶粒的撕裂而出現(xiàn)裂紋，在重復(fù)變化載荷繼續(xù)作用下，鋼材的裂紋發(fā)展很快直到造成斷裂，稱為疲勞破壞。鋼材疲勞破壞之前所具有的最大應(yīng)力稱為疲勞強度，用符號表示。疲勞強度低于抗拉強度，甚至低于屈服點，因此疲勞強度就限制了結(jié)構(gòu)的承載能力。鋼材的疲勞破壞與塑性破壞不同，疲勞斷裂是疲勞損傷的積累。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料疲勞裂縫是在重復(fù)載荷長時間作用下產(chǎn)生的，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋沿尖端逐漸擴展，直至剩余末端斷裂截面不足以承擔(dān)外載荷而發(fā)生突然斷裂，因此，疲勞破壞具有累積性和突發(fā)性特點。由于，在破壞之前不出現(xiàn)顯著的變形和局部頸縮，具有脆性破壞的特點，往往不被人們所注意，它直接影響著結(jié)構(gòu)的安全可靠性。疲勞強度是機械工程中結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要指標(biāo)之一，鋼材的疲勞強度與鋼材的種類（標(biāo)號）、連接接頭形式、結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)力變化幅度以及應(yīng)力作用（循環(huán)）次數(shù)、應(yīng)力集中等級系數(shù)等因素有關(guān)，其值常由疲勞實驗獲得。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料

鋼材的塑性特性。鋼材的塑性，是指鋼材在外力作用下，能穩(wěn)定地產(chǎn)生永久變形，而不破壞（不斷裂、不破損）的能力。常用拉伸試驗的伸長率和斷面收縮率來衡量，伸長率或斷面收縮率越大，鋼材的塑性越好，對局部應(yīng)力集中的敏感性越小，由于塑性變形能使局部的應(yīng)力趨于均勻，所以，使結(jié)構(gòu)突然斷裂的危險性變小。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料

鋼材的韌性特性。鋼材的韌性，是指鋼材在沖擊載荷作用下，破壞前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，韌性好，表明鋼材脆性差，結(jié)構(gòu)抗脆性破壞的能力強，因此，韌性（脆性）是表示鋼材脆斷性能的指標(biāo)。鋼材的韌性常受到溫度變化的影響，低溫時，鋼材的韌性急劇下降并且不穩(wěn)定。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料鋼材的加工性能

材的焊接性。鋼材的焊接性是指鋼材對焊接加工的適應(yīng)性。主要指在一定的焊接工藝（包括焊接方法、焊接材料、焊接規(guī)范及焊接結(jié)構(gòu)形式等）條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度，受材料、焊接方法、構(gòu)件類型及使用要求四個因素的影響。通常，把鋼材在焊接時形成裂紋的傾向及焊接接頭處性能變壞的傾向，作為評價材料焊接性能的主要指標(biāo)。焊接性的好壞與材料的化學(xué)成分及采用的工藝有關(guān)。在常用鋼材的焊接中，對焊接性影響最大的是碳，還有一些合金元素，通常把鋼材中碳當(dāng)量的多少作為判別鋼材焊接性的主要標(biāo)志，碳當(dāng)量越高，其焊接性越差。一般來說，低碳鋼的焊接性能優(yōu)良，高碳鋼的焊接性能較差；鑄鐵的焊接性能更差。焊接性好的金屬，焊接接頭不易產(chǎn)生裂紋、氣孔和夾渣缺陷，而且有較高的力學(xué)性能。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料分析焊接性的目的，在于了解一定的鋼材在指定的焊接工藝條件下可能出現(xiàn)的問題，以確定焊接工藝的合理性或材料的改進方向。因此，必須對焊接過程中的材料（母材、焊材）和焊接接頭區(qū)（焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)）的成分、組織和性能，包括工藝參數(shù)的影響和焊后接頭區(qū)的使用性能等，進行系統(tǒng)的研究。

鋼材的冷彎性。鋼材的冷彎性是指鋼材在常溫下能承受彎曲而不產(chǎn)生裂紋的性能。彎曲程度一般用彎曲角度（外角）或彎心直徑對材料厚度的比值表示，鋼材的冷彎性能越好，則在彎曲出現(xiàn)裂紋前，彎曲角度越大，彎心直徑對鋼材厚度的比值越小。冷彎性能可衡量鋼材在常溫下，冷加工彎曲時產(chǎn)生塑性變形的能力，鋼材的塑性越好，則冷彎性能也就越好。冷彎性能是衡量中厚鋼板塑性好壞的一項重要力學(xué)性能指標(biāo)。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料鋼材的耐久性能

自然時效。鋼材在沒有外載荷作用的情況下，經(jīng)過長時間存放后，因溫度變化或因機械作用產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)部晶粒中的碳、氮等元素被分離析出，在晶粒之間形成堅硬的滲碳體，從而使鋼材的強度提高，塑性、韌性降低。

加工失效。冷加工（如冷軋、冷拔、噴丸）的過程，也會改變鋼材的強度、塑性、韌性的現(xiàn)象。由于時效提高了材料的強度，但同時使材料變硬，增大了脆性，這對受動載荷的結(jié)構(gòu)是十分不利的，所以，在金屬結(jié)構(gòu)中不考慮材料因時效硬化產(chǎn)生的高強度性能。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料鋼材脆性破壞的影響因素結(jié)構(gòu)脆性破壞除與載荷性質(zhì)有關(guān)外，主要是由于鋼材塑性下降，脆性增加而引起的，影響鋼材塑性下降、脆性增加的因素很多，主要有以下幾點：

化學(xué)成分。鋼材中，除了含有碳元素以外，還含有錳、硅、硫、磷等元素以及氧、氮有害氣體。它們的含量直接影響著鋼材的性能，如含碳量增加，能提高鋼的強度，但卻降低了鋼的塑性和可焊性，因此，在焊接結(jié)構(gòu)鋼材中，應(yīng)限制其含碳量在0.20%以下。錳是一種脫氧劑，能提高鋼的強度和硬度，且塑性和沖擊韌性降低不多。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料硅也能提高鋼的強度，但卻降低其可焊性和抗銹蝕性。碳、錳、硅含量控制在一定范圍時，對鋼的性能是有利的。鋁和鈦是強脫氧劑，可使鋼的結(jié)晶組織細(xì)化，提高鋼硫、磷是由原料帶入鋼內(nèi)的有害物質(zhì)，含硫量增加，會使鋼在熱加工時材的韌性和可焊性，鋁可延緩鋼材時效，鈦可降低鋼材的過熱敏感性。容易發(fā)生開裂（即“熱脆”），含磷量增加，會使鋼在低溫狀態(tài)下容易發(fā)生脆斷（即“冷脆”），應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。錳可與硫組成不易熔化的硫化錳，減輕硫的有害影響。氧和氮能使鋼變脆，危害性極大，冶煉和焊接時應(yīng)嚴(yán)格保護鋼材，盡量避免氧和氮侵入鋼材內(nèi)部。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料

應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)力一般情況下都不是均勻分布的，特別是截面形狀急劇改變的地方，如孔洞、槽口、凹角、裂紋和厚度改變等處，應(yīng)力作用難以順暢通過，主應(yīng)力線就發(fā)生轉(zhuǎn)折繞行，在截面突變處，應(yīng)力作用線比較密集和彎曲，出現(xiàn)局部高峰應(yīng)力，稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中高峰點，總是存在著同號的應(yīng)力場，它提高了鋼材的強度，阻礙了塑性變形的發(fā)展，增加了脆性。如帶突變?nèi)笨诘脑嚰?，其破壞已呈現(xiàn)為脆性了。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料

溫度。溫度變化直接影響著鋼材的性能，溫度升高，強度下降，溫度在200℃以內(nèi)時，鋼材強度基本不變，超過300℃，鋼材的屈服點和強度極限明顯下降，發(fā)生蠕滑現(xiàn)象，超過600℃時，鋼材的強度幾乎等于零。當(dāng)溫度下降時，鋼材的強度顯著提高，而塑性，韌性下降了，溫度降到一定程度（負(fù)溫度）時，鋼材完全處于脆性狀態(tài)，這種溫度稱為鋼材的臨界（脆性）轉(zhuǎn)化溫度。應(yīng)力集中的存在，更加速了脆性的發(fā)展，它也取決于溫度的高低。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料

焊接。焊接過程中，焊縫和主體金屬都經(jīng)過了高溫和冷卻的變化，靠近焊縫的主體金屬結(jié)晶組織和力學(xué)性能都起了變化。熔合縫處的金屬韌性降低了，離開焊縫溫度在1100～1400℃之間的金屬為大粒組織，其韌性明顯下降；位于900~1100℃之間的金屬為細(xì)粒組織，其強度增大；位于200~350℃之間的金屬則變?yōu)榇嗷瘏^(qū)。焊接金屬凝固時，晶粒之間會產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力和收縮，容易引起裂縫和殘余應(yīng)力。（5）加工硬化。鋼材經(jīng)冷加工、冷彎等會使其產(chǎn)生局部塑性變形，產(chǎn)生硬化或冷化現(xiàn)象，使材料強度提高，塑性，韌性降低，材質(zhì)變硬變脆。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料鋼材的類別和特征金屬結(jié)構(gòu)是起重機的重要組成部分，其材料的選用直接關(guān)系到起重機的工作安全。起重機的工作非常繁重，經(jīng)常承受變化的動力載荷和沖擊載荷，而且工作環(huán)境一般較差，因此，要求金屬結(jié)構(gòu)的材料材質(zhì)均勻而且有較高的強度，有良好的塑性、可焊性、時效性和防腐性，當(dāng)在低溫下工作時，材料還必須有足夠的沖擊韌性和斷裂韌性。目前，起重機金屬結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件所用的材料有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼結(jié)構(gòu)鋼，其分類和特征分述如下：單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼是一種低碳結(jié)構(gòu)鋼，其性能主要取決于其含碳量，隨著含碳量的增加，塑性和可焊性下降。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個部分按順序組成。例如：Q235-AF，“Q”代表鋼材屈服點“屈”字的漢語拼音首位字母；“235”代表鋼材屈服點的數(shù)值為235N/mm2；“A”代表鋼材的質(zhì)量等級為A級；“F”代表脫氧不完全的沸騰鋼“沸”字漢語拼音首位字母。碳素結(jié)構(gòu)鋼的質(zhì)量等級分為A、B、C、D四個等級，由A級到D級，鋼材中錳含量增加，硫、磷含量相應(yīng)減少，質(zhì)量等級提高。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料按冶煉方法的不同，碳素結(jié)構(gòu)鋼可分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼以及電爐鋼。平爐鋼質(zhì)優(yōu)而純，機械性能化學(xué)成分比較穩(wěn)定，適宜承受動力載荷，是起重機金屬結(jié)構(gòu)常用鋼材。轉(zhuǎn)爐鋼由于鼓風(fēng)經(jīng)過熔融金屬，鋼材中含有氣泡、堿、磷雜質(zhì)和氧、氮有害氣體等，材質(zhì)不均，易裂，可焊性差，因此在低溫或露天受動力載荷的金屬結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件，不準(zhǔn)采用轉(zhuǎn)爐鋼。電爐鋼質(zhì)量最好，但價格昂貴，一般都是特殊用鋼。鋼的牌號中不標(biāo)注冶煉方法，除非需方有特殊要求，并在合同中注明，冶煉方法一般由供方自行決定。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料按照鋼錠澆鑄時脫氧方法的不同，碳素結(jié)構(gòu)鋼還可分為鎮(zhèn)靜鋼（不用符號）和沸騰鋼（符號F）。鎮(zhèn)靜鋼是將鋼水在爐中或鋼罐中存放一段時間，用脫氧劑（鋁或硅）來還原，使鋁或硅與氧化合，減少鋼水中的含氧量，澆鑄凝固時，呈平靜狀態(tài)冷卻。此種鋼材脫氧徹底，質(zhì)優(yōu)而勻，機械性能好，但價格較高，對于在低溫條件下工作的或直接承受動載荷的焊接結(jié)構(gòu)，尤其是壁厚較大的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)采用鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，澆鑄后，在鋼錠中放出大量氣體，形成沸騰狀態(tài)，由于凝固時氣體來不及全部排出，氣體較多，鋼材材質(zhì)不勻，且雜質(zhì)較多、塑性和韌性較差，特別是抗疲勞、時效和冷脆的性能較差，高溫下易裂，可焊性不穩(wěn)定，時效硬化敏感。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料由于沸騰鋼可省去大量脫氧劑，冶煉時間短，當(dāng)用于軋制型材時，內(nèi)部氣孔被壓合，并有堅實的外殼，因而它的價格低，靜強度也比較高，廣泛用于薄鋼板和型鋼。但是，下列起重機承重結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不應(yīng)采用沸騰鋼：（1）直接承受動力載荷或振動載荷，需要驗算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)（如工作級別為E6及其以上的起重機主要結(jié)構(gòu)件）；（2）直接承受動力載荷或振動載荷，不需驗算疲勞但工作溫度低于-20℃的焊接結(jié)構(gòu)；（3）承受靜力載荷的受彎及受拉的重要承重焊接結(jié)構(gòu)；（4）工作溫度等于或低于-30℃的所有承重焊接結(jié)構(gòu)；（5）環(huán)境溫度等于或低于-20℃的直接承受動力載荷且需要驗算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼既是低碳鋼又是高強度鋼，其含碳量較低（小于0.20%），同時含有少量的錳、鈦、釩、銅、硅、鋁、硼、稀土等合金元素（多數(shù)情況下總量不超過2.5%），一般都是鎮(zhèn)靜鋼，我國生產(chǎn)的低合金結(jié)構(gòu)鋼有Q345、Q390、Q420等，質(zhì)量等級分為B、C、D、E、F五個等級，由B級到F級，質(zhì)量逐級提高。目前，在起重機金屬結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較廣的主要是Q345。低合金結(jié)構(gòu)鋼具有更高的屈服極限與抗拉強度，并具耐腐蝕性、耐磨、耐低溫以及較好的加工性能、焊接性能等，但疲勞強度較低，價格較貴。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料由于靜強度高，人們往往喜歡采用，但應(yīng)當(dāng)慎重，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)主要由最大強度控制，而不由疲勞強度控制時，才能充分利用其靜強高的優(yōu)點，達(dá)到節(jié)省材料的目的，并且要特別注意選擇合理的焊接工藝并進行相應(yīng)試驗，以減少其制造內(nèi)應(yīng)力，防止焊縫開裂及控制高強度鋼材結(jié)構(gòu)的變形。一般說來，整個結(jié)構(gòu)全采用低合金結(jié)構(gòu)鋼并不一定經(jīng)濟，因結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅僅是由強度來決定，還應(yīng)考慮穩(wěn)定性和剛度條件（后兩者僅與構(gòu)件尺寸、材料彈性模數(shù)有關(guān)，而與靜強度無關(guān)），比如長度較大的壓桿采用Q345是不經(jīng)濟的。因此，同一結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件，選擇不同材料（如拉桿采用Q345，壓桿選用Q235）就顯得更合理、更經(jīng)濟。但實際應(yīng)用時，為避免混淆不同的材料，一般盡量減少所用材料的種類。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料影響鋼材質(zhì)量組別選取的因素起重機金屬結(jié)構(gòu)即使?jié)M足抗屈服、抗失穩(wěn)、抗疲勞要求，但在某些情況下，仍不足以說明結(jié)構(gòu)具有抗脆性破壞的安全性。為使所選用的鋼材具有足夠的抗脆性破壞的安全性，必須全面考慮引起脆性破壞的因素,進行評價并確定鋼材質(zhì)量組別。導(dǎo)致鋼材脆性破壞的重要敏感因素有：焊縫類型、構(gòu)件材料的厚度、工作環(huán)境的溫度。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料起重機用鋼材的選擇基本原則鋼材的選擇基本原則起重機結(jié)構(gòu)用鋼的選擇，總的來說應(yīng)該根據(jù)我國鋼材生產(chǎn)的實際情況，結(jié)合起重機鋼結(jié)構(gòu)的工作特點和國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)工程實踐，本著充分發(fā)揮國產(chǎn)鋼材的特點，做到既保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，又滿足用材的經(jīng)濟合理。通常在選材時應(yīng)考慮以下幾條原則：考慮結(jié)構(gòu)的連接方法和形式。從連接方法來講，由于焊接過程不僅使鋼材在循環(huán)作用下性能發(fā)生變化，而且會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成殘余應(yīng)力、殘余變形、焊接裂紋以及其他藝缺陷，使結(jié)構(gòu)抗脆性破壞的能力降低，因此，對焊接結(jié)構(gòu)用鋼材化學(xué)成分和機械性能的要求應(yīng)該高一些。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料要考慮結(jié)構(gòu)的載荷特點。對于經(jīng)常承受反復(fù)載荷或動力載荷的結(jié)構(gòu)、其材質(zhì)要求該高一點；而對于使用頻繁程度較低、或者不經(jīng)常滿載、或者基本屬于靜載的結(jié)構(gòu)、則可選用一般性的鋼材。要考慮結(jié)構(gòu)的工作溫度。對于經(jīng)常處于低溫狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，特別是在低溫下工作的焊接結(jié)構(gòu)，為了防止低溫脆性破壞，對鋼材的要求應(yīng)嚴(yán)格些，不但要求保證化學(xué)成分和機械性能，而且要求有良好的焊接性能和低溫下的沖擊韌度。結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的重要性?？紤]到破壞后果的嚴(yán)重性，一般來說重要的、大型的結(jié)構(gòu)應(yīng)比一般結(jié)構(gòu)用材要好些。單元二起重機金屬結(jié)構(gòu)的材料考慮構(gòu)件壁厚的影響。鋼材的綜合性能與其厚度有密切關(guān)系，特別是機械性能、這是由于鋼材壁厚越厚，軋制次數(shù)越少，鋼材晶粒的結(jié)合就越松散，內(nèi)部密實性也越差，所以，相同規(guī)格的鋼材，厚度越大，強度越低，塑性、沖擊韌度、焊接性能和冷彎性能都越差，這種情況對沸騰鋼尤為顯著。一般來說，采用較薄的鋼材是較為經(jīng)濟合理的，特別是對于在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)。要考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性質(zhì)。大量工程實踐證明，同樣的缺陷，鋼村在拉力