第2章金属结构的材料2012

第2章金属结构的材料本章主要内容：

金属结构对材料性能的基本要求钢材的塑性破坏、脆性破坏、疲劳破坏影响钢材性能的因素钢材的种类、牌号、规格金属结构的选材原则金属结构对材料的要求及钢材的性能指标一、金属结构对材料的要求

较高的强度----轻质高强足够的变形能力----优良的塑性和韧性良好的加工性能----冷湾性能、可焊性胜任恶劣环境的耐久性----适应低温适应腐蚀介质适应重复载荷二、金属结构常用材料的性能强度：钢材的应力—应变图材料抵抗外力作用时不致破坏的能力拉伸过程中各阶段的特点弹性阶段OAE段应力应变成比例线形关系，卸载后变形消失变形小，如Q235的屈服阶段ECF段应力应变进入非线性的弹塑性阶段，有明显的水平状屈服平台，应力基本保持不变，应变不断发展。应力波动的下限值称为屈服强度σs

卸载后弹性变形消失，但仍保留一定的塑性变形强化阶段FB段钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力应变比应力明显增加得快，最终应力达到最高点σb，称为抗拉强度颈缩阶段BD超过B点后，试件出现横向收缩，称颈缩，随后断裂钢材强度特性要点σp、σe、σs非常接近，三者合一，可认为弹性与塑性的分界点。σs以后塑性变形很大，一旦超载，易被发现，加固补救。σs发展到σb有很大一段区域，可作为强度储备。屈服强度作为金属结构设计可达到的最大应力值：为简化计算，设计中将实际应力应变曲线视为理想弹塑性模型：理想弹塑性模型的曲线塑性塑性指标

截面收缩率：

延伸率：

----应力超过屈服点后，能产生一定残余变形而不立即断裂的性能良好的塑性√使结构破坏前出现明显的变形，减少突然破坏的危险性√调整局部应力高峰，使应力平缓δ越大，塑性越好，对局部应力集中的敏感性越小。常用钢材的δ在20%～30%之间σb、σs、δ是钢材的最基本、最重要的三项指标韧性：表征材料破坏之前吸收机械能量的能力，即反映

钢材抵抗冲击载荷、动力载荷的能力。

韧性指标Cu：用却贝试件，摆锤冲断试件所耗的功（N·m）(外国)

αk：用梅氏试件，以冲断试件所耗的功除以试件缺口截面积所得的商（N·m/mm2）（我国）在低温下工作的金属结构材料冲击韧性不得低于30N·m/mm2。√良好的韧性使结构的抗震能力提高韧性的进一步认识韧性与塑性有关，但不同于塑性韧性是钢材强度和塑性的综合反映优良的塑性、韧性比强度指标更重要钢材的断裂韧性表征材料抵抗脆性破坏的能力。出现非过载脆性破坏的条件：冷弯性能-----衡量钢材在冷加工塑性变形时抵抗裂纹的能力,反映了钢材的冷加工性能冷弯性能是衡量钢材力学性能的综合指标√既反映钢材塑性的好坏√又反映钢材的内部质量满足冷弯性能比满足σb、σs、δ都困难，有特殊要求才做冷弯试验越小，冷弯性越好试样弯曲180°，表面及侧面无裂纹或分层，则为合格。注：一定程度上，冷弯性能鉴定钢材的可焊性的好坏可焊性----指采用一般焊接工艺就能达到合格焊缝的性能。具体表现当时，可焊性良好正常焊接工艺下，焊缝不出现裂纹焊缝力学性能不低于母材力学性能用碳当量表示可焊性：Q235、16Mn的可焊性良好耐久性耐腐蚀钢材受各种腐蚀环境影响而慢慢生锈，消弱截面厚度喷涂防腐涂料，使钢材耐腐蚀耐疲劳钢材长时间受载荷重复作用，达到一定的使用寿命改善材质、结构形式提高疲劳强度，增加使用寿命

塑性破坏、脆性破坏、疲劳破坏塑性破坏（延性破坏）破坏前有明显的变形，持续时间长破坏的断口为杯形，呈纤维状，色泽暗脆性破坏没有征兆应力相当低进展快（到临界尺寸后，扩展速度达2000m/s）疲劳破坏----在循环载荷重复作用下，经历一定时间的损伤积累，构件或连接部位出现裂纹、最后断裂的现象。塑性变形小，属脆性破坏范畴破坏的断口平直，呈有光泽的晶粒状脆性破坏实例1967年12月15日下午美国普莱森特角悬索桥在60秒内倒塌46人丧生，37辆各种车辆掉入河中原因：一根吊杆断裂普莱森特角（悬索桥）吊杆耳环断裂整桥倒塌实例二：1965年英国JohnThompson公司的一台氨合成塔，内径1700mm，壁厚149mm，内、外径之比k=1.175，长19m,材料为MnCrMoV，设计压力36MPa，水压试验压力49MPa。按弹性失效理论和塑性失效理论计算屈服压力与爆破压力为：由于焊缝内部一条10mm长的裂纹，导致试验加压到35.2MPa时爆炸拉美公式塑性公式实例三：在1938年至1940年，有三座横跨比利时阿尔伯特运河的桥梁相继破坏，其中第一座断成三截坠入河中，破坏时气温约零下14℃。此外，在1947年至1950年之间，比利时有14座桥梁发生类似破坏。实例四：1943年至1947年间，在美国的5000艘全焊接《自由轮》中，发生了约1000次脆性破坏。238艘完全破坏。原因：低温、缺陷脆断的原因化学成分的影响（C、Mn、Si、S、P、H、O）应力集中加工硬化温度（冷脆、蓝脆、蠕滑现象）焊接的影响（焊缝冷却时，使材料的硬度和脆性提高，焊接过程中，晶粒间产生不均匀应力和变形，即焊接应力和变形。）防止脆断的方法：在材料方面：尽可能选用较薄钢板在加工方面：防止出现坑痕和裂纹在设计方面：降低应力集中程度，避免出现三向受拉应力状态（如交叉焊接）

金属结构常用材料的分类

普通碳素钢优质碳素钢普通低合金结构钢合金结构钢铸钢：力学性能较差，仅用于形状比较复杂的支座部件碳素结构钢的分类

平炉钢（质量好，效率低，已淘汰）按冶炼分转炉钢（效率高，发展方向）电炉钢（质量最好，价格贵，用于冶炼特种钢）镇静钢按浇铸方法沸腾钢（脱氧不完全，塑性、韧性差）Q34516Mn16MnRe12MnV工作温度为-70°C低温用钢综合力学性能好，低温性能、冷冲压性能、焊接性能和可切削性能都好性能与16Mn钢相似，冲击韧性和冷弯性能比16Mn好14MnNb工作温度为-20～450°C的Q235ABCD不要求冲击试验要求20℃时冲击试验要求0℃时冲击试验要求-20℃时冲击试验Q42014MnVTiRe15MnVN综合力学性能、焊接性能良好。低温冲击韧性特别好，与16MnNb钢相同力学性能优于15MnV钢。综合力学性能不佳，强度虽高，但韧性、塑性较低。焊接时，脆化倾向大。冷热加工性尚好，但缺口敏感性较大应用：大型船舶、桥梁、电站设备、起重机Q39015MnV15MnTi16MnNb性能优于16Mn高压锅炉锅筒、石油、化工容器、高应力起重机械、运输机械构件综合力学性能比16Mn钢高，焊接性、热加工性和低温冲击韧性都好大型焊接结构，如容器、管道及重型机械设备联接件材料的要求焊丝要求：与主体金属强度相适应，且有足够的韧性和塑性

常温下：可用Q235

螺栓连接要求：<-20℃：20号钢

重载：35、45号钢且调质处理。扎制钢材一、钢板薄钢板、厚钢板、特厚钢板、扁钢钢板的表示方法：—厚×宽×长例：—10×800×6000热轧钢板冷轧钢板在金属材料的再结晶温度以上进行轧制的,冷轧是指在金属材料的再结晶温度以下进行轧制的。热轧材料产品基本上比较粗糙，热轧比冷轧的力学性能要好些，经过热处理的钢材，它的抗拉，屈服强度，塑性，韧性都会有所提高

冷轧是指在常温下，经过冷拉、冷弯、冷拔等冷加工把钢板或钢带加工成各种型式的钢材。提高了钢材的屈服点

二、型钢角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢轨作用：用于承受轴向力的构件和支撑杆，通常宜选用薄而宽的角钢注意：焊接角钢不应小于∠45×45×5，，铆接角钢不小于∠50×50×5作用：用于承受横向弯曲的构件。由于截面y—y轴的惯性矩很小，不宜单独作受压构件。作用：用于承受横向弯曲的构件和承受轴向力的构件。H型钢：翼缘宽而平，各向刚度大，可独立作受压构件和受弯曲构件。丁字钢：焊接桁架结构中最适宜的型钢。可代替一对角钢，也可组成工字钢理想的受压构件钢轨：方钢、起重机钢轨、铁路轻轨、铁路重轨

金属结构的选材原则1、根据结构的类型选择

轻型桁架结构：采用碳素结构钢轧制成的型钢重型桁架结构：采用低合金钢板梁结构：采用碳素结构钢轧制成的板材板厚大于6mm2、根据金属结构的载荷性质

承受动力载荷或A5以上的结构，选疲劳强度高的镇静钢材2、根据金属结构的工作温度对于低温下工作的金属结构，选用低温敏感性低，冲击韧性高的材料，如平炉镇静钢Q235C或低合金钢16Mn4、根据金属结构的工作环境1、作为结构工程师检验钢材性能指标时，至少要求了解哪几项指标？2、例举3种容易引起刚才变“脆”的因素3、假定一块钢板的材料性质完全相同，从上制取2个具有相同直径的拉伸试件试样，一个标距长度为直径的5倍，另一个标距长度为直径的10倍，问两者屈服载荷是否相同（或接近）？伸长率是否相同（或接近）？并简要说明判断的理由4、在何种情况下选用低合金钢取代碳素结构钢才是合理的、经济的？5、在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是_____的典型特征。脆性破坏(B)塑性破坏(C)强度破坏(D)失稳破坏6、钢材的设计强度是根据___确定的。(A)比例极限(B)弹性极限(C)屈服点(D)极限强度

7、结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用___表示。(A)流幅(B)冲击韧性(C)可焊性(D)延伸率10、钢材在复杂应力状态下的屈服条件是由___等于单向拉伸时的屈服点决定的。(A)最大主拉应力σ1(B)最大剪应力τ1

(C)最大主压应力σ3(D)折算应力σr

8、钢材经历了应变硬化（应变强化）之后­_____。(A)强度提高(B)塑性提高(C)冷弯性能提高(D)可焊性提高9、下列因素中_与钢构件发生脆性破坏无直接关系。(A)钢材屈服点的大小(B)钢材含碳量(C)负温环境(D)应力集中11、在金属结构设计中，认为钢材屈服点是构件可以达到的___。(A)最大应力(B)设计应力(C)疲劳应力(D)稳定临界应力12、当温度从常温下降为低温时，钢材的塑性和冲击韧性___。(A)升高(B)下降(C)不变(D)升高不多

14、对于承受静荷常温工作环境下的金属结构，下列说法不正确的是___。(A)可选择Q235钢(B)可选择Q345钢(C)钢材应有冲击韧性的保证(D)钢材应有三项基本保证13、钢材的力学性能指标，最基本、最主要的是__时的力学性能指标。(A)承受剪切(B)承受弯曲(C)单向拉伸(D)两向和三向受力化学成分的影响钢纯铁Fe(占99%）碳C变脆（强度，塑性、韧性、可焊性）其他主要元素硅Si适量强度，塑性、韧性、可焊性变化不大锰Mn影响同Si钒V影响同Si硫S热脆，可焊性差磷P