第一節　起重運輸機金屬結構常用材料的分類及特性

金屬結構是起重運輸機的重要組成部分之一。金屬結構材料的選用直接關系到起重運輸機的工作是否安全、經濟。起重運輸機工作非常繁重，經常承受變化的動力載荷和沖擊載荷，而且工作環境一般較差，因此，要求金屬結構的材料有較高的強度和耐久限，材質均勻而且有良好的塑性；當起重運輸機金屬結構在低溫下工作時，材料還必須有足夠的沖擊韌性Ak（J）和斷裂韌性；由于起重運輸機金屬結構多采用焊接結構，故要求材料具有良好的可焊性。此外，還要求起重運輸機金屬結構的材料有較好的時效性和防腐性。

目前，起重運輸機金屬結構主要構件所用材料為結構鋼，包括普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、合金結構鋼。起重機金屬結構的支座常用鑄鋼。起重機金屬結構的連接主要采用焊接、螺栓連接和銷軸連接。起重機常用鋼材的分類和表示方法見表2-1。

續上表

起重運輸機金屬結構主要承載結構的構件宜采用力學性能不低于GB/T 700-2006中的Q235鋼和GB/T 699-2015中的20鋼材。當結構需要采用高強度鋼材時，可采用力學性能不低于GB/T 1591-2008中的Q345、Q390和Q420鋼材。鋼鑄件宜采用符合GB/T 11352-2009或GB/T 14408-2014規定的鑄鋼。

一、起重運輸機金屬結構常用結構鋼的分類

1.按冶煉方法分類

按冶煉方法的不同，結構鋼分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼。平爐鋼的質量較好，其機械性能和化學成分比較穩定，但冶煉時間長，耗能大，成本高，已逐漸被淘汰。轉爐鋼按爐襯的耐火材料性質分為酸性轉爐鋼和堿性轉爐鋼；按氣體吹入爐內的部位分為頂吹轉爐鋼、底吹轉爐鋼和側吹轉爐鋼等。目前已普遍使用純氧頂吹轉爐煉鋼，其生產效率高，成本低，質量好，已被廣泛應用并成為主要煉鋼方法。轉爐鋼的主要品種有碳素鋼、低合金鋼和少量合金鋼。電爐鋼質量最好，但價格較貴，由于我國電力和廢鋼不足，目前主要用于冶煉優質鋼和合金鋼，起重機金屬結構較少采用。

2.按脫氧程度分類

根據冶煉時脫氧程度的不同，結構鋼可以分成沸騰鋼（F）、半鎮靜鋼（b）、鎮靜鋼（Z）和特殊鎮靜鋼（TZ），鎮靜鋼和特殊鎮靜鋼的代號可以省去。鎮靜鋼脫氧充分，成分均勻，塑性、韌性及質量均較好。起重機主要承載構件或低溫下工作的起重機結構應采用鎮靜鋼。沸騰鋼由于脫氧不完全，材質不均，塑性和韌性較差，用這種材料制成的焊接結構受動力載荷作用時接頭易出現裂紋。沸騰鋼還有時效硬化現象，不宜用在低溫下工作的起重機金屬結構上。因其省去大量昂貴的脫氧劑，冶煉時間短，所以成本較低。用沸騰鋼軋制成型材和板材時，其內部的氣泡可能被壓合，并形成堅實的外殼。所以在一般情況下，強度并不比鎮靜鋼低太多。因此，在常溫下工作的起重機金屬結構也可用沸騰鋼制造。特殊鎮靜鋼比鎮靜鋼脫氧程度更充分徹底，質量最好，適用于特別重要的結構。半鎮靜鋼性能介于沸騰鋼和鎮靜鋼之間，在GB/T 700-2006《碳素結構鋼》中取消了半鎮靜鋼。

3.按化學成分分類

按化學成分可分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼又分為低碳鋼[（w（C）<0.25％）]、中碳鋼[（0.25％≤w（C）≤0.60％）]和高碳鋼[（w（C）>0.60％）]。合金鋼分為低合金鋼（合金元素總含量<5％）、中合金鋼（5％≤合金元素總含量≤10％）和高合金鋼（合金元素總含量>10％）。起重運輸機金屬結構常用的碳素結構鋼為低碳鋼。

二、起重運輸機金屬結構常用鋼材的牌號及特性

1.碳素結構鋼

碳素結構鋼屬于低碳鋼，應符合GB/T 700-2006《碳素結構鋼》的相關要求。用于起重機金屬結構的低碳鋼含碳量不超過0.22％。

鋼的牌號由代表屈服強度的字母Q、屈服強度數值、質量等級符號（A、B、C、D）、脫氧方法符號（F、Z、TZ，Z、TZ可以省去）四個部分按順序組成，如Q235AF。根據鋼材厚度（或直徑）不大于16mm時的屈服點數值，碳素結構鋼分為Q195、Q215、Q235、Q275等牌號。

質量等級由A到D，含S、P等雜質的量依次降低，鋼材質量依次提高。A級鋼只要求保證抗拉強度、屈服點、伸長率，沖擊韌性不作為要求條件，對冷彎試驗只在需方有要求時才進行。B、C、D級鋼要求保證抗拉強度、屈服點、伸長率、冷彎和沖擊韌性（沖擊吸收能量KV不小于27J）等力學性能，沖擊試驗溫度分別為B級+20℃、C級0℃、D級-20℃。

碳素結構鋼的牌號及化學成分見表2-2，力學性能見表2-3。

普通碳素結構鋼Q235是制造起重運輸機金屬結構最常用的材料。根據化學成分、脫氧方法以及對沖擊韌性的要求，Q235分為A、B、C、D四個質量等級，為了滿足以上性能要求，不同等級的Q235鋼化學成分略有區別。

優質碳素結構鋼中的20鋼等也常用于起重運輸機金屬結構的主要承載構件，其性能見GB/T 699-2015《優質碳素結構鋼》。

2.低合金結構鋼

低合金鋼也是一種低碳鋼，是在碳素鋼的基礎上添加少量合金元素使其具有高強度、高韌性以及較好的可焊性、耐腐蝕性等特征。它含有不超過2.5％的合金元素（錳、硅、釩、鈮、鈦、銅、鎳、硼等），碳的質量分數不超過0.2％。

低合金鋼牌號的表示方法同碳素結構鋼（見表2-1），質量等級分A、B、C、D、E五級，由A到E，含S、P等雜質的量依次降低，鋼材質量依次提高。不同的質量等級對沖擊韌性的要求不同，A級鋼無沖擊吸收能量要求；B、C、D、E級鋼沖擊試驗溫度分別為B級+20℃、C級0℃、D級-20℃、E級-40℃，低合金高強度結構鋼的力學性能見表2-4。

低合金結構鋼Q345是制造起重運輸機金屬結構最常用的材料，用于起重機的臂架、轉臺和大噸位橋、門式起重機主梁等承受動負荷的焊接結構，適用于-40℃以下寒冷地區的各種結構件。

與碳素結構鋼相比，低合金鋼具有更高的屈服強度與抗拉強度，更好的低溫沖擊韌性、耐磨性、防腐蝕性及較好的可焊性。但有效應力集中系數較高，若結構主要由最大強度控制，而不由疲勞強度控制，則采用Q345低合金鋼效果最好。

對于一般起重運輸機金屬結構，當設計溫度高于-20℃時，允許采用平爐或氧氣頂吹轉爐沸騰鋼Q235BF。工作級別為E7和E8的起重運輸機金屬結構采用平爐鎮靜鋼Q235C或特殊鎮靜鋼Q235D。當由強度控制并需減輕重量時，可采用低合金鋼Q345或Q390。

3.鑄鋼

起重運輸機金屬結構的支座常用鑄鋼制造，鑄鋼牌號表示方法見表2-1，各類鑄鋼的化學成分、力學性能及用途見表中所列相應標準中的規定。

常用結構鋼和鑄鋼的物理性能指標為（GB 50017-2003《鋼結構設計規范》）：

彈性模量E=2.06×105MPa；剪切模量G=7.9×104MPa；泊松比μ≈0.3；線膨脹系數α=1.2×10-5℃-1；質量密度=7850kg/m3。

續上表

三、連接材料

起重運輸機常用的連接方法有：焊接連接、螺栓連接及銷軸連接。

1.焊條、焊絲和焊劑材料

電弧焊在起重運輸機金屬結構中應用廣泛，包括：手工電弧焊、埋弧自動焊和氣體保護焊。各種焊接方法所用焊條、焊絲和焊劑的型號應與主體金屬的綜合機械性能相適應，對工作級別高、承受動載荷的結構焊縫，必須保證焊條或焊絲材料有足夠的強度、韌性和塑性。

采用手工電弧焊時，所用焊條應符合GB/T 5117-2012《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》和GB/T 5118-2012《熱強鋼焊條》的規定。采用埋弧自動焊時，焊絲及焊劑應符合GB/T 5293-1999《埋弧焊用碳鋼焊絲及焊劑》及GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》的相關規定，應采用能保證焊縫性能與主體金屬材料性能相同的焊絲及對應的焊劑。采用氣體保護焊時，焊絲應符合GB/T 8110-2008《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》的相關規定，應選用能保證焊縫質量與主體金屬材料性能相適應的實心焊絲或藥芯焊絲。焊接碳素鋼和低合金結構鋼時，可采用二氧化碳（CO2）氣體保護焊。金屬結構常用焊條、焊絲及焊劑的型號及用途見表2-5。

焊條型號如碳鋼焊條E4315中各符號的意義為：“E”表示焊條；前兩位數字表示熔敷金屬抗拉強度的最小值（kgf/mm2），即430MPa；第三、四位數字的組合表示藥皮類型、焊接位置和電流類型。

埋弧自動焊的焊絲和焊劑應按規定配套使用才能得到規范中規定的熔敷金屬的力學性能。如碳素鋼焊劑-焊絲型號：F4A2-H08MnA；低合金鋼焊劑-焊絲型號：F55A0-H08MnMoA。

2.螺栓副材料

螺栓連接分為普通螺栓連接和高強度螺栓連接。

螺栓按照性能等級分為3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10個等級，其中8.8級及以上螺栓材質為低碳合金鋼（如棚、錳或鉻）或中碳鋼并經熱處理（淬火并回火），通稱為高強度螺栓，其余通稱為普通螺栓。螺栓材料及機械性能應符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》的規定；螺母材料及機械性能應符合GB/T 3098.2-2000《緊固件機械性能螺母粗牙螺紋》的規定。

（1）普通螺栓

普通螺栓、螺母材料采用碳素結構鋼或優質碳素結構鋼。

常溫下（-20℃以上）工作的起重運輸機采用非鉸制孔的螺栓和螺母時，可使用Q235碳素結構鋼。在-20℃以下工作時，應選用優質碳素結構鋼20鋼為螺栓螺母材料。

鉸制孔的螺栓可用優質碳素結構鋼20鋼制作，螺母材料可用碳素結構鋼Q235。對于承載大的重要螺栓連接，宜采用優質碳素結構鋼35或45鋼，并經調質處理。

（2）高強度螺栓

高強度螺栓、螺母和墊圈材料應符合GB/T 1231-2006《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》或GB/T 3633-2008《鋼結構用扭剪型高強度螺栓連接副》的規定。大于M24的扭剪型高強度螺栓和大于M30的高強度螺栓副，應符合GB/T 3098.1、GB/T 3098.2等的規定。各種規格的螺栓副除選用GB/T 1231-2006規定的材料外，還可采用GB/T 3077-2015《合金結構鋼》規定的用于8.8級的40Cr和用于10.9級以上的35CrMo、42CrMo等鋼材，以及GB/T 6478-2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》中的部分材料。

起重機用高強度螺栓、螺母和墊圈的材料及使用組合見表2-6。

（3）銷軸材料

主要承載連接銷軸的材料，宜采用符合GB/T 699的45鋼及符合GB/T 3077的40Cr、35CrMo、42CrMo等鋼材，并進行必要的熱處理。