第一节 起重运输机金属结构常用材料的分类及特性
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Ak（J）和断裂韧性
；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材料为结构钢，包括普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢。起重机金属结构的支座常用铸钢。起重机金属结构的连接主要采用焊接、螺栓连接和销轴连接。起重机常用钢材的分类和表示方法见表2-1。
表2-1 起重机常用钢材的分类和表示方法
续上表
起重运输机金属结构主要承载结构的构件宜采用力学性能不低于GB/T 700-2006中的Q235钢和GB/T 699-2015中的20钢材。当结构需要采用高强度钢材时，可采用力学性能不低于GB/T 1591-2008中的Q345、Q390和Q420钢材。钢铸件宜采用符合GB/T 11352-2009或GB/T 14408-2014规定的铸钢。
一、起重运输机金属结构常用结构钢的分类
1.按冶炼方法分类
按冶炼方法的不同，结构钢分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。平炉钢的质量较好，其机械性能和化学成分比较稳定，但冶炼时间长，耗能大，成本高，已逐渐被淘汰。转炉钢按炉衬的耐火材料性质分为酸性转炉钢和碱性转炉钢；按气体吹入炉内的部位分为顶吹转炉钢、底吹转炉钢和侧吹转炉钢等。目前已普遍使用纯氧顶吹转炉炼钢，其生产效率高，成本低，质量好，已被广泛应用并成为主要炼钢方法。转炉钢的主要品种有碳素钢、低合金钢和少量合金钢。电炉钢质量最好，但价格较贵，由于我国电力和废钢不足，目前主要用于冶炼优质钢和合金钢，起重机金属结构较少采用。
2.按脱氧程度分类
根据冶炼时脱氧程度的不同，结构钢可以分成沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ），镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去。镇静钢脱氧充分，成分均匀，塑性、韧性及质量均较好。起重机主要承载构件或低温下工作的起重机结构应采用镇静钢。沸腾钢由于脱氧不完全，材质不均，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纹。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。因其省去大量昂贵的脱氧剂，冶炼时间短，所以成本较低。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，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。特殊镇静钢比镇静钢脱氧程度更充分彻底，质量最好，适用于特别重要的结构。半镇静钢性能介于沸腾钢和镇静钢之间，在GB/T 700-2006《碳素结构钢》中取消了半镇静钢。
3.按化学成分分类
按化学成分可分为碳素钢和合金钢。碳素钢又分为低碳钢[（w（C）<0.25％）]、中碳钢[（0.25％≤w（C）≤0.60％）]和高碳钢[（w（C）>0.60％）]。合金钢分为低合金钢（合金元素总含量<5％）、中合金钢（5％≤合金元素总含量≤10％）和高合金钢（合金元素总含量>10％）。起重运输机金属结构常用的碳素结构钢为低碳钢。
二、起重运输机金属结构常用钢材的牌号及特性
1.碳素结构钢
碳素结构钢属于低碳钢，应符合GB/T 700-2006《碳素结构钢》的相关要求。用于起重机金属结构的低碳钢含碳量不超过0.22％。
钢的牌号由代表屈服强度的字母Q、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧方法符号（F、Z、TZ，Z、TZ可以省去）四个部分按顺序组成，如Q235AF。根据钢材厚度（或直径）不大于16mm时的屈服点数值，碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235、Q275等牌号。
质量等级由A到D，含S、P等杂质的量依次降低，钢材质量依次提高。A级钢只要求保证抗拉强度、屈服点、伸长率，冲击韧性不作为要求条件，对冷弯试验只在需方有要求时才进行。B、C、D级钢要求保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（冲击吸收能量KV不小于27J）等力学性能，冲击试验温度分别为B级+20℃、C级0℃、D级-20℃。
碳素结构钢的牌号及化学成分见表2-2，力学性能见表2-3。
普通碳素结构钢Q235是制造起重运输机金属结构最常用的材料。根据化学成分、脱氧方法以及对冲击韧性的要求，Q235分为A、B、C、D四个质量等级，为了满足以上性能要求，不同等级的Q235钢化学成分略有区别。
优质碳素结构钢中的20钢等也常用于起重运输机金属结构的主要承载构件，其性能见GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》。
表2-2 碳素结构钢的牌号及化学成分（GB/T 700-2006）
注：①——表中为镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）牌号的统一数字，沸腾钢（F）牌号的统一数字代号为：Q195F——U11950；Q215AF——U12150；Q215BF——U12153；Q235AF——U12350；Q235BF——U12353；Q275AF——U12750。
②——经需方同意，Q235B的碳含量可“不大于0.22％”。
表2-3 碳素结构钢的力学性能（GB/T 700-2006）
注：①——Q195的屈服强度值仅供参考，不作为交货条件。
②——厚度或直径大于100mm的钢材，抗拉强度下限允许降低20N/mm2，宽带钢抗拉强度上限不作为交货条件。
③——厚度小于25mm的Q235B级钢，如供方能保证冲击吸收能量值合格，经需方同意，可不做检验。
④——冷弯实验中B为试样宽度，a为试样厚度（或直径）。
⑤——钢材厚度或直径大于100mm时，弯曲试验由双方协商确定。
2.低合金结构钢
低合金钢也是一种低碳钢，是在碳素钢的基础上添加少量合金元素使其具有高强度、高韧性以及较好的可焊性、耐腐蚀性等特征。它含有不超过2.5％的合金元素（锰、硅、钒、铌、钛、铜、镍、硼等），碳的质量分数不超过0.2％。
低合金钢牌号的表示方法同碳素结构钢（见表2-1），质量等级分A、B、C、D、E五级，由A到E，含S、P等杂质的量依次降低，钢材质量依次提高。不同的质量等级对冲击韧性的要求不同，A级钢无冲击吸收能量要求；B、C、D、E级钢冲击试验温度分别为B级+20℃、C级0℃、D级-20℃、E级-40℃，低合金高强度结构钢的力学性能见表2-4。
低合金结构钢Q345是制造起重运输机金属结构最常用的材料，用于起重机的臂架、转台和大吨位桥、门式起重机主梁等承受动负荷的焊接结构，适用于-40℃以下寒冷地区的各种结构件。
与碳素结构钢相比，低合金钢具有更高的屈服强度与抗拉强度，更好的低温冲击韧性、耐磨性、防腐蚀性及较好的可焊性。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Q345低合金钢效果最好。
对于一般起重运输机金属结构，当设计温度高于-20℃时，允许采用平炉或氧气顶吹转炉沸腾钢Q235BF。工作级别为E7和E8的起重运输机金属结构采用平炉镇静钢Q235C或特殊镇静钢Q235D。当由强度控制并需减轻重量时，可采用低合金钢Q345或Q390。
3.铸钢
起重运输机金属结构的支座常用铸钢制造，铸钢牌号表示方法见表2-1，各类铸钢的化学成分、力学性能及用途见表中所列相应标准中的规定。
常用结构钢和铸钢的物理性能指标为（GB 50017-2003《钢结构设计规范》）：
弹性模量E=2.06×105MPa；剪切模量G=7.9×104MPa；泊松比μ≈0.3；线膨胀系数α=1.2×10-5℃-1；质量密度=7850kg/m3。
表2-4 低合金高强度结构钢的力学性能（GB/T 1591-2008）
续上表
注：1.宽度不小于600mm的扁平材，拉伸试验取横向试样；宽度小于600mm的扁平材，型材及棒材取纵向试样，断后伸长率最小值相应提高1％（绝对值）。
2.厚度>250～400mm的数值适用于扁平材。
3.冲击试验取纵向试样。
4.B、C、D、E级对应冲击试验温度分别为20℃、0℃、-20℃及-40℃。
三、连接材料
起重运输机常用的连接方法有：焊接连接、螺栓连接及销轴连接。
1.焊条、焊丝和焊剂材料
电弧焊在起重运输机金属结构中应用广泛，包括：手工电弧焊、埋弧自动焊和气体保护焊。各种焊接方法所用焊条、焊丝和焊剂的型号应与主体金属的综合机械性能相适应，对工作级别高、承受动载荷的结构焊缝，必须保证焊条或焊丝材料有足够的强度、韧性和塑性。
采用手工电弧焊时，所用焊条应符合GB/T 5117-2012《非合金钢及细晶粒钢焊条》和GB/T 5118-2012《热强钢焊条》的规定。采用埋弧自动焊时，焊丝及焊剂应符合GB/T 5293-1999《埋弧焊用碳钢焊丝及焊剂》及GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》的相关规定，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，焊丝应符合GB/T 8110-2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》的相关规定，应选用能保证焊缝质量与主体金属材料性能相适应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、焊丝及焊剂的型号及用途见表2-5。
表2-5 起重运输机金属结构常用焊条、焊丝及焊剂
焊条型号如碳钢焊条E4315中各符号的意义为：“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值（kgf/mm2），即430MPa；第三、四位数字的组合表示药皮类型、焊接位置和电流类型。
埋弧自动焊的焊丝和焊剂应按规定配套使用才能得到规范中规定的熔敷金属的力学性能。如碳素钢焊剂-焊丝型号：F4A2-H08MnA；低合金钢焊剂-焊丝型号：F55A0-H08MnMoA。
2.螺栓副材料
螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。
螺栓按照性能等级分为3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢（如棚、锰或铬）或中碳钢并经热处理（淬火并回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。螺栓材料及机械性能应符合GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的规定；螺母材料及机械性能应符合GB/T 3098.2-2000《紧固件机械性能螺母粗牙螺纹》的规定。
（1）普通螺栓
普通螺栓、螺母材料采用碳素结构钢或优质碳素结构钢。
常温下（-20℃以上）工作的起重运输机采用非铰制孔的螺栓和螺母时，可使用Q235碳素结构钢。在-20℃以下工作时，应选用优质碳素结构钢20钢为螺栓螺母材料。
铰制孔的螺栓可用优质碳素结构钢20钢制作，螺母材料可用碳素结构钢Q235。对于承载大的重要螺栓连接，宜采用优质碳素结构钢35或45钢，并经调质处理。
（2）高强度螺栓
高强度螺栓、螺母和垫圈材料应符合GB/T 1231-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》或GB/T 3633-2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》的规定。大于M24的扭剪型高强度螺栓和大于M30的高强度螺栓副，应符合GB/T 3098.1、GB/T 3098.2等的规定。各种规格的螺栓副除选用GB/T 1231-2006规定的材料外，还可采用GB/T 3077-2015《合金结构钢》规定的用于8.8级的40Cr和用于10.9级以上的35CrMo、42CrMo等钢材，以及GB/T 6478-2015《冷镦和冷挤压用钢》中的部分材料。
起重机用高强度螺栓、螺母和垫圈的材料及使用组合见表2-6。
表2-6 起重机用高强度螺栓、螺母及垫圈（GB/T 1231-2006）
（3）销轴材料
主要承载连接销轴的材料，宜采用符合GB/T 699的45钢及符合GB/T 3077的40Cr、35CrMo、42CrMo等钢材，并进行必要的热处理。