机械结构金属装备设计 课件 第二章

二向、三向应 力状态？
第二章 材料
第 第四强度理论2 2 2 2 2 2 red x y z ( x y y z z x ) 3( xy yz zx ) 一 节 1 2 2 2

钢 材 的 力 学 特 性 及 影 响 因 素
钢 材 的 力 2 2 2 平面应力状态 red x y x y 3 xy 学 特 实腹梁腹板中 red 2 3 2 性 及 fy 2 影 纯剪时 red 3 f y 0.58 f y 响 3 因 素 钢材的抗剪强度设计值取为0.58f
加载速度的提高（如撞击），能降低钢材的塑性和断裂韧性， 增大脆性，其作用相当于温度的降低。当加载速度增大到— 定值时，钢材呈现脆性，这时的加载速度称为临界加载速度。
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第 一 节 钢 材 的 力 学 特 性 及 影 响 因 素
4、影响钢材性能的主要因素
焊接过程中，焊缝和主体金属都经过了高温和冷却的变化， 靠近焊缝的主体金属结晶组织和力学性能都起了变化。
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第 二 节 钢 材 的 力 学 特 性 及 影 响 因 素
第二章 材料
第 二 节 材 料 的 类 别 和 特 征 及 选 择
钢材名称 钢材牌号 Q195 Q215B Q235A Q275 Q345E Q390B Q420A Q460B Q500C Q550D Q620B Q690C 原牌号 16Mn 15MnTi 30CrMnSi 38CrMoAlA 表示方法说明 举例Q235A.F Q——代表“屈服点”的汉语拼音第一个字母 235——屈服点的数值 A——质量等级代号（A、B、C、D共4级） F——脱氧方法符号（F、b、Z、TZ），Z、TZ可不标 举例Q345E Q——代表“屈服点”的汉语拼音首第一个字母 345——屈服点的数值 E——质量等级代号（A、B、C、D、E共5级） 举例16Mn 16——万分之平均含碳量，即0.16%的平均含碳量 Mn——化学元素代号，锰的代号 碳素结构钢
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第 1、钢材的力学性能 一 （1） 静强度特性 节 右图所示为在单向静拉力作用下钢 钢 材的应力-应变关系 -曲线。 材 的 a、比例极限从坐标原点0到P点呈线性关 力 系，是钢材工作的弹性阶段。 学 b、屈服点从P点到S点，随着载荷的增加，曲 特 线近似线性关系，有少量的塑性变形，钢材处 性 于弹塑性阶段。 及 影 C、抗拉强度在S点后的微段，应力无明显增加 响 而出现较大的塑性变形，称为屈服，其产生塑 因 性变形的水平段称为流幅或屈服平台，这是钢 素 材的塑性阶段。
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第 一 节 钢 材 的 力 学 特 性 及 影 响 因 素
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第 一 节 钢 材 的 ， 力 学 特 性 及 影 响 因 素
（3）塑性特性 钢材被拉断时塑性变形的大小，反映了钢材塑性的优 劣。 钢材的塑性常用拉伸试验的伸长率δ和截面收缩率Ψ 来衡量。若试件原标距为L，原截面面积为A，拉断时 总伸长量为ΔL ，截面面积收缩量为ΔA ，则 钢材的伸长率和截面收缩率分别为：
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4、影响钢材性能的主要因素
温度变化直接影响着钢材的性能，温度升高，强度下降， 温度在200℃以内时，钢材强度基本不变。超过300℃， 钢材的屈服点和强度极限明显下降，会发生蠕滑现象， 超过600℃时，钢材强度几乎等于零。当温度下降时， 钢材的强度显著提高，而塑性、韧性下降，
钢材时效的敏感程度与加载性质、时效温度、所含杂质、 钢材晶粒度等有关。对于承受动载荷的结构，使用时效的 钢材容易发生脆性破坏，所以设计时应有足够的安全度。
钢材的锈蚀与钢材的类别和环境有关，选用耐腐蚀的钢材， 可延长结构的使用期限。
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L 100% L0
A 100% A0
通常Ψ比δ能更好地表达钢材的塑性性质。
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由于钢材的伸长率容易测量，通常以计算长度 （标距）为5d或10d（为试件直径）的试件进行 拉伸试验，并用或表示钢材的塑性。 Ψ或δ值越大，钢材塑性越好，对局部应力集中 的敏感性越小。由于塑性变形能使局部应力趋于 均匀，所以使结构突然断裂的危险性变小。
当 red
2 f y 时为弹性状态；当 red f y 时为塑性状态
[( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 1 ) ]
第二章 材料
第 一 节 三向均为拉应力时，直到破坏也没有明显塑性变形，属脆 性破坏 三向均为压应力且数值相近时，材料既不进入塑性，也不 断裂 当有异号应力，且同号应力相差较大时，较易进入塑性状 态
第 一 节
应力循环次数—疲劳寿命N
连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数
疲劳极限
钢 应力循环无限次，不发生疲劳破坏 材 依据国际有关标准建议，规定=5×106次为疲劳极限对应 的 的循环次数 力 学 《钢结构设计规范》：N>=5×104次，应进行疲劳计算 特 性 及 影 响 因 素
4、影响钢材性能的主要因素
影 响 因 素
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4、影响钢材性能的主要因素
化学成分 碳素结构钢中除铁、碳以外，还有锰、硅、硫、磷等元 素和氧、氮等气体。低合金结构钢中还含有铜、铝、钛等 少量元素。它们的质量分数影响着钢材的性能。 增加碳的质量分数可提高钢的强度，但却降低了塑性和可 焊性，因此在焊接结构钢材中，碳的质量分数应在0.2％以 下。 适量的锰和硅，可提高钢的强度，硅的作用更大，但质量 分数增大时会降低钢的塑性、可焊性和抗锈蚀性，故应对 锰、硅的质量分数加以限制。 硫、磷是钢的有害成分，硫和铁的化合物硫化铁熔点较低， 它在高温下易变脆。磷在低温下使钢变得更脆，因此应严 格限制硫、磷的质量分数。
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（2）冷弯性能——钢材的冷弯性能表示其在常温 下作180°冷弯变形试验而不出现裂缝的性能。按 照钢材牌号和厚度（直径）规定出弯心直径与试 件厚度的不同比值，此比值越小，表明钢材的冷 弯性能越好，塑性越大。
（4）韧性特性 钢材的韧性是表征材料破坏前吸收机械能（冲击吸 收功）的能力。 目前，对普通结构钢常用冲击试验来确定钢材韧 性的大小。钢材的冲击试验应按GB/T 229-2007 《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》的规定进行。 根据断裂力学分析钢材裂纹扩展的基础，通过实验 数据，建立了断裂应力和裂纹深度α 和钢材韧性之 间的关系为：
2、钢材的加工性能 钢材的加工性能是指焊接性能和冷弯性能。 （1） 可焊性——钢材在焊缝冷却后，连接具有完整 性（无裂缝）和坚固性，即在各种静、动载荷长期作 用和低温下，连接具有足够的强度和完整性的能力。 常以连接的抗裂性和力学性能来检验钢材可焊性的好 坏。主要影响因素是焊接工艺和钢材的含碳量。
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机械装备结构的主要材料是普通碳素结构钢 和低合金结构钢，常温下这些材料的断裂破坏往 往由疲劳引起，在低温下材料更容易发生裂纹断 裂（脆断），因此需要掌握材料在低温下的断裂 韧性才能更合理地使用材料。
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（2）疲劳强度特性 疲劳破坏——钢材在连续变化载荷作用下，开始是 其组织发生晶粒间的滑移使材料强度降低而丧失继 续抵抗外载荷的能力，继而转变为个别晶粒的撕裂 而出现裂纹，在连续变化载荷继续作用下，钢材的 裂纹扩展加速直至断裂。 疲劳强度——钢材疲劳破坏之前 所能承受的最大应力，即在钢材 的标准试件上施加一定循环特性 的等幅（交变r = -1或脉动r = 0）应力，由实验得到经过N次循 环后不发生疲劳破坏的最大应力。 远小于抗拉强度。（屈服）
第二章 材料
机械装备金属结构通常承受变载荷和冲击载 荷，且工作环境一般较恶劣，因此要求金属结构 材料具有强度高、塑性好、足够的抗冲击性能和 良好的韧性。机械装备金属结构主要为焊接结构， 故又要求具有良好的可焊性、时效性和防腐性。
概
由于普通结构钢（普通碳素钢、 优质碳素结构钢、低合金钢和合 金结构钢）；机械性能良好、规 述 格齐全、价格便宜并能满足结构 要求，故得到广泛应用。
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金属结构
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起机教研室—安林超
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一 本 章 教 学 内 容 概述
二
钢材的力学特性及影响因素
三
材料的类别和特征及选择
第二章 材料
本节教学要求：
了解机械装备金属结构使用钢材的力学特性及 影响因素，材料的类别和特征以及相关国家和 行业标准。
本 节 理解普通结构钢和低合金钢的特点及适用场合， 教 环境温度、工作级别对材料的影响度，设计组 学 合截面时配置材料的原则。 要 掌握材料的选用原则、依据和规定材料的标准 求 表示方法及考虑影响脆性破坏因素评价的钢材 质量组别选择方法。