第2章金屬結(jié)構(gòu)的材料2012

1、第第2章章 金屬結(jié)構(gòu)的材料金屬結(jié)構(gòu)的材料 本章主要內(nèi)容： n金屬結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的基本要求 n鋼材的塑性破壞、脆性破壞、疲勞破壞 n影響鋼材性能的因素 n鋼材的種類(lèi)、牌號(hào)、規(guī)格 n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)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)常用材料的性能二、金屬結(jié)構(gòu)常用材料的性能 強(qiáng)度強(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(guò)程

2、中各階段的特點(diǎn)拉伸過(guò)程中各階段的特點(diǎn) 彈性階段彈性階段 OAE段段 應(yīng)力應(yīng)變成比例線(xiàn)形關(guān)系，卸載后變形消失 變形小，如Q235的 0.1% p 屈服階段屈服階段 ECF段段 應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)入非線(xiàn)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(chēng)為屈服強(qiáng)度s 卸載后彈性變形消失，但仍保留一定的塑性變形 強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段 FB段段 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)b，稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度 頸縮階段頸縮階段 BD 超過(guò)B點(diǎn)后，試件出現(xiàn)橫向收縮，稱(chēng)頸縮，隨后斷裂 鋼材強(qiáng)度特性要點(diǎn) np、e、s非常接近，三者合一，可認(rèn)為彈性與

3、塑性 的分界點(diǎn)。 ns以后塑性變形很大，一旦超載，易被發(fā)現(xiàn)，加固 補(bǔ)救。 ns 發(fā)展到b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)力值最大應(yīng)力值： 為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)計(jì)中將實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變?yōu)楹?jiǎn)化計(jì)算，設(shè)計(jì)中將實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變 曲線(xiàn)視為理想彈塑性模型：曲線(xiàn)視為理想彈塑性模型： 理想彈塑性模型的 曲線(xiàn) 塑性塑性 塑性指標(biāo)塑性指標(biāo) 截面收縮率： 延伸率： %100 0 A A %100 0 l l -應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后，能產(chǎn)生一定殘余變形而不立即斷裂的性能應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后，能產(chǎn)生一定殘余變形而不立即斷裂的性能 良好的塑性良好的塑性 使結(jié)構(gòu)破壞前出現(xiàn)明顯

4、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 越大， 塑性越好，對(duì)局部應(yīng)力集中的敏感性越小。 常用鋼材的在20%30%之間 b、s、是鋼材的最基本、最重要的三項(xiàng)指標(biāo)是鋼材的最基本、最重要的三項(xiàng)指標(biāo) 韌性：韌性：表征材料破壞之前吸收機(jī)械能量的能力，即反映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。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 （Nm） (外國(guó)) k：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 （Nm/mm2）（我國(guó)） 在低溫下工作的金屬結(jié)構(gòu)材料沖擊韌性不得低于在低溫下工作的金屬

5、結(jié)構(gòu)材料沖擊韌性不得低于30 Nm/mm2。 良好的韌性使結(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(guò)載脆性破壞的條件： 1C 1KaK 子裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因 1 K 裂紋尺寸a 裂紋尖端應(yīng)力 數(shù)表征斷裂性能的材料常 1C K 冷彎性能冷彎性能 -衡量鋼材在冷加工塑性變形時(shí)抵抗裂紋的能力衡量鋼材在冷加工塑性變形時(shí)抵抗裂紋的能力,反映反映 了鋼材的冷加工性能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)冷彎性能是衡

6、量鋼材力學(xué)性能的綜合指標(biāo) 既反映鋼材塑性的好壞既反映鋼材塑性的好壞 又反映鋼材的內(nèi)部質(zhì)量又反映鋼材的內(nèi)部質(zhì)量 滿(mǎn)足冷彎性能比滿(mǎn)足滿(mǎn)足冷彎性能比滿(mǎn)足b、s、都困難，都困難， 有特殊要求才做冷彎試驗(yàn)有特殊要求才做冷彎試驗(yàn) 彎心直徑 試件板厚 越小，冷彎性越好 試樣彎曲試樣彎曲180，表，表 面及側(cè)面無(wú)裂紋或面及側(cè)面無(wú)裂紋或 分層，則為合格。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)具體表現(xiàn) 144405246 VMNCSM CC oirin e 當(dāng) 時(shí)，可焊性良好%45. 0 e C 正常焊接工藝下，焊縫不

7、出現(xiàn)裂紋正常焊接工藝下，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：用碳當(dāng)量表示可焊性： Q235、16Mn的可焊性良好 耐久性耐久性 耐腐蝕耐腐蝕 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 耐疲勞耐疲勞 鋼材長(zhǎng)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、脆性破壞、疲勞破壞 塑性破壞塑性破壞（延性破壞） 破壞前有明顯的變形，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) 破壞的斷口為杯形，呈纖維狀，色澤暗 脆性破壞脆性破壞 沒(méi)有征兆 應(yīng)力相當(dāng)?shù)?進(jìn)展快（到臨界尺寸

8、后，擴(kuò)展速度達(dá)2000m/s） 疲勞破壞疲勞破壞-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)例脆性破壞實(shí)例 1967年年12月月15日下午美國(guó)普萊森特角懸索橋在日下午美國(guó)普萊森特角懸索橋在60秒內(nèi)倒秒內(nèi)倒 塌塌 46人喪生，人喪生，37輛各種車(chē)輛掉入河中輛各種車(chē)輛掉入河中 原因：一根吊桿斷裂原因：一根吊桿斷裂 普萊森特角（懸索橋）普萊森特角（懸索橋） 吊桿耳環(huán)斷裂吊桿耳環(huán)斷裂 整橋倒塌整橋倒塌 實(shí)例二：實(shí)例二： 1965年英國(guó)John Thompson公司的一臺(tái)氨合成塔，內(nèi)徑

9、1700mm， 壁厚149mm，內(nèi)、外徑之比k=1.175，長(zhǎng)19m,材料為MnCrMoV， 設(shè)計(jì)壓力36MPa，水壓試驗(yàn)壓力49MPa。 582MPa 460MPa, bs 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： 7MPa.93 1k 1k P 1MPa.74 1k 1k P 2 2 bb 2 2 ss 9MPa.93lnP 3MPa.74lnP bb ss k k 由于焊縫內(nèi)部一條10mm長(zhǎng)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：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

10、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(lèi)似破壞。 實(shí)例四：實(shí)例四： 1943年至1947年間，在美國(guó)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、缺陷低溫、缺陷 脆斷的原因脆斷的原因 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)焊縫冷卻時(shí)，使材料的硬度和脆性提高，焊接過(guò)程中焊接過(guò)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：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

11、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(lèi)金屬結(jié)構(gòu)常用材料的分類(lèi) n普通碳素鋼 n優(yōu)質(zhì)碳素鋼 n普通低合金結(jié)構(gòu)鋼 n合金結(jié)構(gòu)鋼 n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(lèi) 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） Q345 16Mn 16MnRe 12MnV工作溫度為-70C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

12、彎性能比16Mn好 14MnNb 工作溫度為-20450C的 Q235 A B C D 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) Q420 14MnVTiRe 15MnVN 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) Q390 15MnV 15MnTi 16MnNb 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

13、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 n 焊絲要求：與主體金屬?gòu)?qiáng)度相適應(yīng)，且有足夠 的韌性和塑性 常溫下：可用Q235 n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(zhǎng) 例：108006000 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(guò)熱處理的鋼材，它的抗拉，屈 服強(qiáng)度，塑性，韌性都會(huì)有

14、所提高 冷軋是指在常溫下，經(jīng)過(guò)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：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)小于注意：焊接角鋼不應(yīng)小于45455，鉚接角鋼不小于，鉚接角鋼不小于50505 作用：作用： 用于承受橫向彎曲的構(gòu)件。 由于截面由于截面yy軸的慣性矩很小，不宜單獨(dú)作受壓構(gòu)件。軸的慣性矩很小，不宜單獨(dú)作受壓構(gòu)件。 作用：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：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：丁字鋼：焊接

15、桁架結(jié)構(gòu)中最適宜的型鋼?？纱嬉粚?duì) 角鋼，也可組成工字鋼 理想的 受壓構(gòu) 件 鋼軌：鋼軌：方鋼、起重機(jī)鋼軌、鐵路輕軌、鐵路重軌 金屬結(jié)構(gòu)的選材原則金屬結(jié)構(gòu)的選材原則 1、根據(jù)結(jié)構(gòu)的類(lèi)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6mm 2、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16Mn 4、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)，

16、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(zhǎng)度為直徑的5倍，另一個(gè)標(biāo)距長(zhǎng)度為直徑的10 倍，問(wèn)兩者屈服載荷是否相同（或接近）？伸長(zhǎng)率是否相同（或接近）？ 并簡(jiǎn)要說(shuō)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。 (A)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

17、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1 (B) 最大剪應(yīng)力1 (C) 最大主壓應(yīng)力3 (D) 折算應(yīng)力r 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(wú)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_ _

18、。 (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(shuō)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)成分的影響化學(xué)成分的影響 鋼鋼 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 冷脆，低溫工作性能差 氧 O 影響同S 氮N 影響同P 重要結(jié)構(gòu)措施重要結(jié)構(gòu)措施常將因冷加工引起的硬化部位刨去，或退常將因冷加工引起的硬化部位刨去，或退 火處理火處理 不利影響不利影響 使鋼材變脆使鋼材變脆 強(qiáng)度提高，但塑性韌性下降強(qiáng)度提高，但塑性韌性下降 冷作硬化冷作硬化鋼結(jié)構(gòu)在冷（常溫）加工鋼結(jié)構(gòu)在冷（常溫）加工 （彎曲、剪切、鉆沖等彎曲、剪切、鉆沖等） 過(guò)程中引起的鋼材硬化過(guò)程中引起