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、牌號(hào)、規(guī)格 n金屬結(jié)構(gòu)的選材原則 金屬結(jié)構(gòu)對材料的要求及鋼材的性能指標(biāo)金屬結(jié)構(gòu)對材料的要求及鋼材的性能指標(biāo)一、金屬結(jié)構(gòu)對材料的要求一、金屬結(jié)構(gòu)對材料的要求 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程中各階段的特點(diǎn)拉伸過程中

2、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，稱為抗拉強(qiáng)度頸縮階段頸縮階段 BD超過B點(diǎn)后，試件出現(xiàn)橫向收縮，稱頸縮，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)，

3、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：為簡化計(jì)算，設(shè)計(jì)中將實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變?yōu)楹喕?jì)算，設(shè)計(jì)中將實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變曲線視為理想彈塑性模型：曲線視為理想彈塑性模型：理想彈塑性模型的 曲線塑性塑性塑性指標(biāo)塑性指標(biāo) 截面收縮率： 延伸率： %1000AA %1000ll-應(yīng)力超過屈服點(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，對局部應(yīng)力集中的敏感

4、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) 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）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)

5、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)非過載脆性破壞的條件：1C1KaK子裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因1K裂紋尺寸a裂紋尖端應(yīng)力數(shù)表征斷裂性能的材料常1CK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)量滿足冷彎性能比滿足滿足冷彎性能比滿足b、s、

6、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)面無裂紋或面及側(cè)面無裂紋或分層，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)144405246VMNCSMCCoirine當(dāng) 時(shí)，可焊性良好%45. 0eC正常焊接工藝下，焊縫不出現(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

7、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)間長破壞的斷口為杯形，呈纖維狀，色澤暗脆性破壞脆性破壞沒有征兆應(yīng)力相當(dāng)?shù)瓦M(jìn)展快（到臨界尺寸后，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

8、12月月15日下午美國普萊森特角懸索橋在日下午美國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輛各種車輛掉入河中輛各種車輛掉入河中原因：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John Thompson公司的一臺(tái)氨合成塔，內(nèi)徑1700mm，壁厚149mm，內(nèi)、外徑之比k=1.175，長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.931k1kP1MPa.7

9、41k1kP22bb22ss9MPa.93lnP3MPa.74lnPbbsskk由于焊縫內(nèi)部一條10mm長的裂紋，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)生類似破壞。實(shí)例四：實(shí)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

10、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，焊接過程中焊接過程中，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 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)常用材料的分類金屬結(jié)構(gòu)常用材料的分類 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 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)

11、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-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，沖擊韌性和冷彎性能比16Mn好 14MnNb 工作溫度為-20450C的 Q235ABCD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)Q42014MnVTiRe15MnVN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，

12、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) Q39015MnV15MnTi16MnNb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：與主體金屬強(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

13、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)過熱處理的鋼材，它的抗拉，屈服強(qiáng)度，塑性，韌性都會(huì)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(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

14、：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：焊接桁架結(jié)構(gòu)中最適宜的型鋼?？纱嬉粚?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6mm2、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

15、料，如平爐鎮(zhèn)靜鋼Q235C或低合金鋼16Mn4、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)，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)距長度為直徑的5倍，另一個(gè)標(biāo)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(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。 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)

16、_ _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)生脆性破壞無直接關(guān)系。 (A) 鋼材屈服點(diǎn)的大小 (B) 鋼材含碳量 (

17、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_ _。 (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、對于承受靜荷常溫工作環(huán)境下的金屬結(jié)構(gòu)，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(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

18、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）過程中引起的鋼材硬化過程中引起的鋼材硬