机械结构金属装备设计第二章

机械结构金属装备设计课件第二章第1页，课件共54页，创作于2023年2月一概述二钢材的力学特性及影响因素第二章材料本章教学内容三材料的类别和特征及选择第2页，课件共54页，创作于2023年2月本节教学要求：本节教学要求第二章材料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行业标准。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。第3页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料

概

述

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，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、优质碳素结构钢、低合金钢和合金结构钢）；机械性能良好、规格齐全、价格便宜并能满足结构要求，故得到广泛应用。第4页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素1、钢材的力学性能（1）静强度特性右图所示为在单向静拉力作用下钢材的应力-应变关系

曲线。a、比例极限从坐标原点0到P点呈线性关系，是钢材工作的弹性阶段。b、屈服点从P点到S点，随着载荷的增加，曲线近似线性关系，有少量的塑性变形，钢材处于弹塑性阶段。C、抗拉强度在S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。第5页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素（2）疲劳强度特性疲劳破坏——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，钢材的裂纹扩展加速直至断裂。疲劳强度——钢材疲劳破坏之前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等幅（交变r=-1或脉动r=0）应力，由实验得到经过N次循环后不发生疲劳破坏的最大应力。远小于抗拉强度。（屈服）第6页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素（2）疲劳强度特性破坏特点——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。影响因素——钢材的疲劳强度与钢材种类（标号）、连接接头型式，结构特征，应力变化幅度以及（应力）作用（循环）次数，应力集中等级系数等因素有关，其值由疲劳试验获得。第7页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素第8页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素第9页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素第10页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素第11页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素

应力循环次数—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疲劳极限应力循环无限次，不发生疲劳破坏依据国际有关标准建议，规定=5×106次为疲劳极限对应的循环次数

《钢结构设计规范》：N>=5×104次，应进行疲劳计算

第12页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素第13页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素（3）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劣。钢材的塑性常用拉伸试验的伸长率δ和截面收缩率Ψ来衡量。若试件原标距为L，原截面面积为A，拉断时总伸长量为ΔL，截面面积收缩量为ΔA，则钢材的伸长率和截面收缩率分别为：，

通常Ψ比δ能更好地表达钢材的塑性性质。第14页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素由于钢材的伸长率容易测量，通常以计算长度（标距）为5d或10d（为试件直径）的试件进行拉伸试验，并用或表示钢材的塑性。Ψ或δ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均匀，所以使结构突然断裂的危险性变小。第15页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素（4）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性的大小。钢材的冲击试验应按GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》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，建立了断裂应力和裂纹深度α和钢材韧性之间的关系为：常数K的大小，标志着材料抵抗脆性破坏能力的高低。常用应力强度因子K1来度量。

当K1增大到临界值K1c时，裂纹就迅速扩展，使构件产生断裂破坏，此时K1c值被称为材料的断裂韧性，是材料的一种机械性能，其单位为N/mm3/2。低温下K1c值急剧降低，钢材容易脆断。第16页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素

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性才能更合理地使用材料。第17页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素2、钢材的加工性能钢材的加工性能是指焊接性能和冷弯性能。（1）可焊性——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。常以连接的抗裂性和力学性能来检验钢材可焊性的好坏。主要影响因素是焊接工艺和钢材的含碳量。第18页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素第19页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素（2）冷弯性能——钢材的冷弯性能表示其在常温下作180°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。第20页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素3、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。时效自然时效加工时效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。第21页，课件共54页，创作于2023年2月第22页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素4、影响钢材性能的主要因素影响因素第23页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素4、影响钢材性能的主要因素化学成分碳素结构钢中除铁、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焊性，因此在焊接结构钢材中，碳的质量分数应在0.2％以下。

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，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。

第24页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素4、影响钢材性能的主要因素应力状态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。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脆性破坏。在三向相等的压应力作用下，几乎很难发生破坏。二向、三向应力状态？第25页，课件共54页，创作于2023年2月

第四强度理论当时为弹性状态；当时为塑性状态第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素第26页，课件共54页，创作于2023年2月三向均为拉应力时，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，也不断裂当有异号应力，且同号应力相差较大时，较易进入塑性状态钢材的抗剪强度设计值取为0.58f

第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素第27页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素第28页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素4、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，温度在200℃以内时，钢材强度基本不变。超过300℃，钢材的屈服点和强度极限明显下降，会发生蠕滑现象，超过600℃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，

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—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29页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素4、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，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，晶粒之间会产生不均匀的应力和收缩，容易引起裂缝和残余应力。第30页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第一节钢材的力学特性及影响因素4、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，加速时效，材质变硬脆。

第31页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节钢材的力学特性及影响因素第32页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择钢材名称钢材牌号表示方法说明碳素结构钢Q195Q215BQ235AQ275举例Q235A.FQ——代表“屈服点”的汉语拼音第一个字母235——屈服点的数值A——质量等级代号（A、B、C、D共4级）F——脱氧方法符号（F、b、Z、TZ），Z、TZ可不标合金钢低合金结构钢Q345EQ390BQ420AQ460BQ500CQ550DQ620BQ690C原牌号16Mn15MnTi举例Q345EQ——代表“屈服点”的汉语拼音首第一个字母345——屈服点的数值E——质量等级代号（A、B、C、D、E共5级）举例16Mn16——万分之平均含碳量，即0.16%的平均含碳量Mn——化学元素代号，锰的代号合金结构钢30CrMnSi38CrMoAlA举例38CrMoAlA38——万分之平均含碳量，即0.38%的平均含碳量CrMoAl——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铸钢铸造碳钢ZG230450ZG310570举例ZG230450ZG——铸钢230——屈服点的数值450——抗拉强度合金铸钢ZG40Mn2ZG35CrMo举例ZG40Mn2ZG——铸钢40——含碳量0.35%~0.45%Mn2——合金猛含量1.6%~1.8%第33页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择（1）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值，碳素结构钢划分成Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等牌号，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，宜采用力学性能不低于GB/T700中的Q235钢和GB/T699中的20钢材。

碳素结构钢、低合金结构钢和铸钢的物理性能：弹性模量E=2.06×105MPa，剪切模量G=7.94×104MPa，泊松比

0.3，线膨胀系数

=1.2×10-5℃-1，质量密度

=7850kg/m3=7.85g/cm3。

第34页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择2．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。碳的质量分数不超过0.2％，一般都是镇静钢，力学性能和化学成分均需保证。低合金结构钢的牌号为Q345、Q390、Q420、Q460等，其质量等级为5级。

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，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。第35页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择3．铸钢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ZG200-400，ZG230-450，ZG270-500等。起重运输机齿轮、联轴器、齿轮、车轮、阀轮、叉头。4．连接材料（1）焊条、焊丝、焊剂材料

E4301，E5001等系列焊接重要的低碳结构钢。第36页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节钢材的力学特性及影响因素还有铝合金、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型钢、H型钢、T型钢、钢管、方钢和钢轨等。钢板在设计图中用“一厚×宽×长”表示。承载结构所用的钢板厚度不应小于6mm。角钢分为等边角钢和不等边角钢两种，应符合GB/T706-2008的规定。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50mm、厚度5mm、长度2000mm的等边角钢，可表示为50×50×5×2000。焊接结构选用的角钢不应小于45×45×5。

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“Ⅰ”表示工字钢，如20a工字钢，腿（翼缘）宽100mm，腰厚7mm，长度5000mm，可表示为：Ⅰ20a—5000或Ⅰ200×100×7×5000。

第37页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择T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。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。设计中钢管用“钢管

”表示，如外径60mm、壁厚10mm、长度为10000mm的无缝钢管，可表示为：无缝管60×10×10000。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。第38页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择钢轨有方钢、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，视起重小车轮压而定，—般边宽在60mm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，车轮压力很大时，可采用起重机钢轨。

第39页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择6．铝合金

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、建筑结构用铝合金制造。铝合金的机械性能很好，与Q235号钢相比，有如下优点：

1）铝合金比重小（密度为2.64~2.8g/cm3），铝合金的结构比钢结构自重减轻40~60%。

2）铝合金强度与钢材（Q235）相近。但用于焊接结构的铝合金强度则低一些。

3）铝合金在低温下冲击韧性并不降低。

4）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。第40页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择第41页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择第42页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料第二节材料的类别和特征及选择二、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、工作环境温度及钢材厚度等因素。（1）结构重要性（2）载荷特征（3）工作级别（4）工作环境（5）钢材性能与厚度（6）连接方式

第43页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料材料选取的原则：a、对于焊接和非焊接结构不应选用沸腾刚的情况b、对于厚度大于50mm的钢板，用作焊接承载构件时应慎重。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保证。d、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。e、室外工作起重机的结构工作坏境情况。f、正确评价导致构件钢材脆性破坏的以下各因素的影响。第二节材料的类别和特征及选择第44页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料三、考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法（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二节材料的类别和特征及选择第45页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料三、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。Ⅰ类焊缝：无焊缝或只有横向焊缝，脆性破坏的危险性小。

第二节材料的类别和特征及选择第46页，课件共54页，创作于2023年2月第二章材料Ⅱ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：=

第二节材料的类别和特征及选择三、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。第47页，课件共54页，