第二章 起重运输机金属结构的材料

1第二章起重运输机金属结构的材料第一节起重运输机金属结构常用材料的分类和性能金属结构是起重运输机的重要组成部分之一。金属结构材料的选用直接关系到起重运输机的工作是否安全、经济。起重运输机的工作非常繁重，经常承受变化的动力载荷和冲击载荷，而且工作环境一般较差，因此，要求金属结构的材料有较高的强度和耐久限，材质均匀而且有良好的塑性；当起重运输机金属结构在低温下工作时，材料还必须有足够的冲击韧性)/(2cmmNaK⋅和断裂韧性)/(23mmNKlc；由于起重运输机金属结构多采用焊接结构，故要求材料具有良好的可焊性。此外，还要求起重运输机金属结构的材料有较好的时效性和防腐性。目前，起重运输机金属结构主要构件所用的材料有普通碳素钢、优质碳素结构钢、普通低合金钢、合金结构钢。金属结构的支座常用铸钢。金属结构的联接分为焊接和螺栓联接二大类。焊条或焊丝型号应与主体金属强度相适应，对工作级别高、承受动载的结构焊缝，必须保证焊条或焊丝材料有足够的韧性和塑性。螺栓联接的常用材料应符合GB3098-82《紧固件机械性能》的规定。手工焊时，焊条应符合GB5117-85碳钢焊条要求。使用埋弧自动焊时，应采用能保证焊缝性能与主体金属材料性能相同的焊丝及对应的焊剂。采用气体保护焊时应选用保证焊缝质量与主体金属材料性能相似的实心焊丝或药芯焊丝。焊接碳素钢和低合金结构钢时，可采用二氧化碳（CO2）气体保护焊。金属结构常用焊条，焊丝及焊剂可参见表2-1（a）普通螺栓联接采用碳素结构钢或优质碳素结构钢为材料。在常温下（－20℃以上）工作的起重机采用铰制孔的螺栓和螺母，可使用Q235碳素结构钢。在－20℃以下工作时，应选用20号优质碳素结构钢为螺栓螺母材料。铰制孔的螺栓可用20号优质碳素结构钢制作，螺母材料可用Q235碳素结构钢，对于承载大的重要螺栓联接宜采用35号或45号优质碳素结构钢，并经调PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建质处理。表2-1(a)起重机金属结构常用焊条、焊丝及焊剂焊接类别焊条或焊丝型号用途正配焊剂E43，E50等系列焊接重要的低碳结构钢——手工焊E50，E55等系列焊接低合金钢和重型结构——H08A,H08E等普通碳素结构钢一般焊接构件HJ430，HJ431，HJ433等埋弧自动焊H08MnAH10Mn2,H10Mnsi等16Mn等强度在300Mpa~400Mpa的焊接构件HJ430，HJ431，HJ433等气体保护焊H08Mn2si等焊接低碳钢及490Mpa级低合金高强钢结构高强度螺栓联接根据其使用场合采取不同的材料。起重机用高强度螺栓、螺母的和垫圈的材料见表2-1(b)。表2-1(b)起重机用高强度螺栓、螺母及垫圈（摘自GB1228～1230-84）类别性能等级推荐材料材料标准号适用规格螺栓、螺母、垫圈的使用组合20MnTiBGB3077-88≤M2440BGB3077-88≤M2410.9S35VBGB1231-84≤M30螺栓10.9S8.8S45GB699-88≤M22螺栓8.8S35GB699-88≤1645,35GB699-88螺母10H8H10H15MnVBGB1591-88螺母8H35GB699-88垫圈HRC35~4545,35,65MnGB699-88垫圈HRC35~45HRC35~45碳素结构钢是一种低碳钢，用于金属结构的低碳钢含碳量不超过0.22%。低合金钢也是一种低碳钢，它含有不超过2.5%的合金元素（锰、硅、铜、镍、硼等）。按冶炼方法的不同，结构钢分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。转炉钢又分为酸性转炉钢和碱性转炉钢。平炉钢的质量较好，其机械性能和化学成分比较稳定，是起重机金属结构的常用钢材。转炉钢的钢材含有较多的气泡、杂质（硫、磷）PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建和有害气体（氧、氮），材质不匀，易裂，可焊性差。因此，转炉钢不允许用于常在露天或低温下工作的起重机金属结构上。目前，国内转炉钢的产量较大，如果能保证其机械性能和化学成分不次于平炉钢时，一般起重机的金属结构，也可以用转炉钢。电炉钢质量最好，但价格较贵，起重机金属结构极少采用。按照钢锭浇铸的方法，结构钢材可以分成镇静钢和沸腾钢。镇静钢质优而匀，塑性和韧性都好，沸腾钢是脱氧不完全的钢，塑性和韧性较差。用这种材料制成的焊接结构，受动力载荷作用时，接头易出现裂缝。沸腾钢还有时效硬化现象，不宜用在低温下工作的起重机金属结构上。从经济观点来看，由于沸腾钢未经很好的脱氧，因而省去大量昂贵的脱氧剂，冶炼时间短，所以其成本较低。用沸腾钢轧制成型材和板材时，其内部的气泡可能被压合，并形成坚实的外壳。所以在一般情况下，其强度并不比镇静钢低太多。因此，在常温下工作的起重机金属结构也可用沸腾钢制造。近年来对沸腾钢的质量进行了大量的研究，并采取有效措施，进一步提高了它的质量，为扩大沸腾钢在起重机金属结构中的应用范围提供了科学依据。普通碳素钢Q235是制造起重机金属结构最常用的材料。根据化学成分和脱氧方法，Q235分为A、B、C、D四个质量等级。与碳素钢相比，低合金钢具有更高的屈服极限与抗拉强度，更好的低温冷脆性和耐磨性，较好的可焊性。但有效应力集中系数较高，若结构主要由最大强度控制，而不由疲劳强度控制，则采用16Mn低合金钢效果最好。对于一般起重机金属结构，当设计温度高于－20℃时，允许采用平炉或氧气顶转炉沸腾钢Q235BF，工作级别为A7和A8的起重机金属结构，采用平炉镇静钢Q235C或特殊镇静钢Q235D。需减轻重量时，可采用16Mn或15MnTi。起重机常用钢和铸铁的分类、特点和表示方法见表2-2反映碳素结构钢和低合金钢性能的主要指标有强度（抗拉强度、屈服强度）、塑性和韧性、脆性断裂和可焊性。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建元素代号数字或符号数字表示平均含碳量为万分之几(如16Mn表示平均含碳量为0.16%)最后标有符号“A”的钢号，表示磷和硫含量较低的高级优质钢表2-2起重机常用钢和铸铁的分类、特点和表示方法产品名称牌号举例牌号表示方法说明碳素结构钢(GB700-88)Q215-BQ235-AQ235-BQ235-CQ235-DQ255-AQ235-A·F低合金结构钢16Mn15MnV合金钢合金结构钢30CrMnSi38CrMoAlA铸造碳钢ZG230-450ZG310-570铸钢合金铸钢HT200HT300一、钢材的强度图2-1是起重机金属结构常用碳素结构钢的应力一应变曲线图。图2-1钢材的应力—应变图I级-含P.S≤0.04%高级铸件II级-含P.S≤0.05%优质铸件III级-含P.S≤0.06%普通铸件代表“屈服点”屈服点数值（MPa）质量等级代号，共分A、B、C、D四等标注b表示半镇静钢标注F表示沸腾钢脱氧方法不标此符号表示镇静钢钢(Z)或特殊镇静钢(TZ)按质量分三级：抗拉强度(MPa)屈服限（MPa）铸钢ZG230—450合金锰含量1.6%~1.8%含碳0.35%~0.45%铸钢ZG40—450PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建由图可知，当应力值小于比例极限Ps时，应力与应变之间成正比例关系，其比值即为钢材的弹性模量E。当应力不超过弹性极限ss时，卸载后不出现残余变形。应力在弹性极限与屈服强度之间时，开始出现塑性变形，卸载后有残余变形。当应力到达屈服点ss时，应力即使不再增加，应变却会继续增加，应力一应变曲线成水平段，称为屈服台阶。常用Q235钢的MPas240=s，16Mn钢的MPas340=s。屈服点ss低于460MPa的钢，其比例极限、弹性极限和屈服点往往很接近，实用上可不加区分。在进行结构计算时，可近似地认为钢材在应力达到屈服点之前是弹性体，而在屈服点之后是塑性体。这样，钢材可视为理想的弹塑性材料进行分析。ss是说明钢材强度的主要指标。应变超过屈服台阶之后，钢由于应变硬化，应力—应变曲线开始上升，但应力与应变之间不再呈线性关系，而应变增加较快，最后达到曲线的最高点bs，材料出现颈缩而破坏，bs称极限强度，也是钢材的主要强度指标之一。常用Q235钢的MPab420=s，16Mn钢的MPab500=s。常用钢材的强度列于表2-3（a）2-3(b)。钢材的屈服强度随钢材的尺寸不同而异。表2-3（a）起重机碳素结构钢的机械性能拉伸试验冲击试验ss)/(2mmN钢材厚度（直径）(mm)sd(%)钢材厚度(mm)≤16＞16~40＞40~60≤16＞16~40＞40~60Akv(纵向)(J)牌号等级不小于bs)/(2mmN不小于温度（℃）不小于Q195—(195)(185)—315~3903332———A——Q215B215205195335~4103130292027A——B20C0Q235D235225215375~460262524－2027Q255A255245235410~510242322——PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建—275265255490~610201918——二、钢材的塑性和韧性钢材的塑性用静力拉伸试验中的延伸率d和载面收缩率y来衡量。若试件的表2-3(b)起重机常用的低合金结构钢的机械性能Ss)/(2mmN5d(%)牌号钢材厚度或直径(mm)bs)/(2mmN不小于180°弯曲试验d=弯心直径，a=试样厚度特性和用途≤16510~66034522d=2a＞16~25490~64032521d=3a＞25~36470~62031521d=3a＞30~50470~62029521d=3a16Mn＞50~100方、圆钢470~62027520d=3a综合力学性能、焊接性及低温韧性、冷冲压及切削性均好，与Q235-A钢相比，强度提高50%，耐大气腐蚀提高20%~38%，低温冲击韧性也优越，但缺口敏感性较碳钢大，价廉，应用广泛。用于起重机的臂架、转台等及承受动负荷的焊接结构。可用于－40℃以下寒冷地区的各种结构件。热轧或正火状态下使用15MnTi≤25530~68039020d=3a性能与15MnV基本相同，在正火状态下的焊接性，冷卷及冷冲压加工性能优于15MnV，可代替15MnV的钢板，其塑性韧性均差，正火状态下使用。原标距为0l拉断时总伸长量为lΔ，则其引伸率d为%1000llΔ=d（2-1）标准试件的标距有两种，一种取直径的5倍，称为短试件，另一种取直径的10倍，称为长试件。同一种钢材用短试件测得的延伸率5d要比用长试件测得的延伸率10d大。延伸率是说明钢材塑性的指标，延伸率大则钢的塑性好，加工容易，承载时虽出现较大变形而并不破坏。常用钢材的延伸率d在20~30%之间（表2-3）。对钢材进行冷弯试验，可从另一方面考查其塑性，它反映了钢材的冷加工性PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建能。冷弯试验通常用宽度等于两倍厚度的板条进行，按规定的直径绕弯心弯曲180°，要求弯曲处不出现裂缝或分层现象。钢材的韧性表征材料破坏前吸受机机械能量的能力。测定冲击韧性的试件带有缺口，试件各部分尺寸如图2—2所示。我国目前用带U形缺口的梅氏试件，国外则用却贝V形缺口试件。由于却贝试件的缺口较尖锐，故其试验结果较能说明实际结构中钢材的脆性断裂倾向。试验时将试件放在试验机的支架上，让摆锤冲击没有缺口的一面。用却贝试件时，摆锤冲断试件所耗的功（N·m）即为材料的冲击韧性Cu，用梅氏试件，则以此功除以试件缺口截面积所得的商为钢材的冲击韧性ka)/(2mmmN⋅。图2-2钢材的韧性试验钢材在低温下的冲击韧性列于表2-4。根据对起重机金属结构材料所进行的研究和实践。在低温下（－20℃以下）工作的起重机金属结构材料其冲击韧性不得低于302/mmmN⋅。三、钢的脆性断裂钢的破坏形式有两种。即塑性破坏和脆性断裂。塑性破坏之前有明显的塑性变形，人能及