第二節　金屬結構常用鋼材的性能

衡量結構鋼性能的主要指標有強度（抗拉強度、屈服強度）、塑性、韌性、脆性斷裂和可焊性等。

一、強度

圖2-1是起重運輸機金屬結構常用碳素結構鋼的拉伸應力-應變曲線圖。由圖可知，當應力值小于比例極限σp時，應力與應變之間成正比例關系，其比值即為鋼材的彈性模量E。當應力不超過彈性極限σe時，卸載后不出現殘余變形。應力在彈性極限與屈服強度之間時，開始出現塑性變形，卸載后有殘余變形。當應力到達屈服點時，應力即使不再增加，應變也會繼續增加，應力-應變曲線呈水平段，稱為屈服臺階。常用Q235鋼的σs=235MPa，Q345鋼的σs=345MPa。屈服點σs低于460MPa的鋼材，其比例極限、彈性極限和屈服點往往很接近，實用上可不加區分。在進行結構計算時，可近似地認為鋼材在應力達到屈服點之前是彈性體，而在屈服點之后是塑性體，則鋼材可視為理想的彈塑性材料進行分析。σs是確定鋼材強度設計值的主要指標。

應變超過屈服臺階之后，鋼材由于應變硬化，應力-應變曲線開始上升，應力與應變之間不再呈線性關系，應變增加較快，最后達到曲線的最高點σb，材料出現頸縮而破壞，σb稱為抗拉強度或極限強度，也是鋼材的主要強度指標之一。常用碳素結構鋼和低合金結構鋼的屈服強度、抗拉強度見表2-3及表2-4，鋼材的屈服強度隨鋼材的厚度增大而減小。

二、塑性

塑性是指構件在外力作用下，能穩定地產生永久變形而不破壞其完整性的能力。鋼材的塑性用靜力拉伸試驗中的斷后伸長率、斷面收縮率等來衡量。若試件的原標距為L0，拉斷時總伸長量為ΔL，則其斷后伸長率A為

伸長率大則鋼材的塑性好，易加工，承載時雖出現較大變形但并不破壞，能避免突然的脆性斷裂。常用鋼材的斷后伸長率見表2-3、表2-4。

對鋼材進行冷彎試驗可從另一方面考查其塑性，它反映了鋼材的冷彎加工性能，冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲而不破裂的能力。由于冷彎試驗時試件中部受彎部位受到沖頭擠壓以及彎曲和剪切的復雜作用，因此也是考察鋼材在復雜應力狀態下發展塑性變形能力的一項指標。冷彎性能一般用彎曲角度α（外角）或彎心直徑d對材料厚度a的比值表示，α越大或d/a越小，則材料的冷彎性越好。表2-3及表2-4冷彎試驗要求鋼材按規定的直徑繞彎心彎曲180°，彎曲處不出現裂縫或分層現象。

三、韌性

鋼材的韌性是表征材料在沖擊載荷作用下破壞前吸收機械能的能力。根據沖擊試驗標準GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，測定沖擊韌性的試件采用夏比V形缺口和夏比U形缺口試件，所測得的沖擊吸收能量分別用KV和KU表示，試件尺寸如圖2-2所示。V形缺口比U形缺口尖銳，主要用于韌性較好的材料，如低碳鋼、低合金鋼、有色金屬等，其試驗結果更能說明實際結構中鋼材的脆性斷裂傾向。

試驗時將試件放在試驗機的支架上，讓擺錘沖擊沒有缺口的一面，擺錘刀刃半徑有2mm和8mm兩種，對應沖擊吸收能量表示為KV2和KV8。

常用結構鋼的沖擊韌性見表2-3及表2-4。鋼材的沖擊韌性隨溫度而變化，低溫時沖擊韌性將明顯降低。根據對起重機金屬結構材料所進行的研究和實踐，在低溫下（-20℃以下）工作的起重運輸機結構材料其沖擊吸收能量不得低于34J。

四、脆性斷裂

鋼材的破壞形式分為塑性破壞與脆性斷裂兩類。塑性破壞之前構件有明顯的塑性變形，能被及時發現并采取措施而防止事故發生。脆性破壞前構件的變形很小，應力很低（只有屈服限的1/3左右）。由于鋼材內部在冶煉、軋制、熱處理等各種制造過程中不可避免地產生某種微裂紋，在使用過程中由于應力集中、疲勞、腐蝕等原因，裂紋會進一步擴展。當裂紋尺寸達到臨界尺寸時，斷裂進展的速度極快，裂紋擴展速度達2000m/s，結構破壞于頃刻之間。由于事先沒有任何破壞的預兆，故脆性斷裂破壞比塑性破壞危害大得多。與鉚接結構相比，焊接結構發生脆性破壞的比例較大。

脆性斷裂的主要原因決定于應力狀態、化學成分、應力集中、鋼材厚度和焊接工藝等。在起重運輸機金屬結構中為防止脆性斷裂，在材料方面，當工作溫度高于-20℃而加載速度較高時，應采用保證常溫沖擊韌性的鋼材；當工作溫度低于-20℃時，則應選擇保證低溫沖擊韌性的鋼材。在加工工藝方面，要防止出現坑痕和裂紋。確定焊接工藝時，應盡量減小熱影響區范圍并防止焊接中出現裂紋等缺陷。在設計方面，應盡量避免或減小應力集中，并避免出現三向受拉應力狀態（如交叉焊接），盡可能選用較薄的鋼材等。

五、可焊性

鋼材的可焊性是衡量其焊接工藝好壞的指標，通常用焊縫及熱影響區的抗裂性和使用性能來說明材料可焊性的優劣。

鋼材的焊接性能主要取決于它的化學組成，尤其是含碳量。含碳量高時容易產生焊接裂紋，合金元素含量增加也容易產生開裂現象。鋼的可焊性可以粗略地用碳當量來表示，即把鋼中包括碳在內的對淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素含量換算成碳的相當含量。低合金高強度鋼的碳當量按式（2-2）計算（GB/T 1591-2008）：

CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15?。ǎィ　。?-2）

式中的元素符號表示該元素的質量分數?？珊感噪S碳當量百分比的增高而降低，當碳當量小于0.45％時，認為鋼材的可焊性良好。常用低合金鋼的最大碳當量應符合GB/T 1591-2008中的規定。

起重機金屬結構常用的Q235鋼及Q345鋼均有良好的可焊性。