第二节　金属结构常用钢材的性能

衡量结构钢性能的主要指标有强度（抗拉强度、屈服强度）、塑性、韧性、脆性断裂和可焊性等。

一、强度

图2-1是起重运输机金属结构常用碳素结构钢的拉伸应力-应变曲线图。由图可知，当应力值小于比例极限σp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σe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。当应力到达屈服点时，应力即使不再增加，应变也会继续增加，应力-应变曲线呈水平段，称为屈服台阶。常用Q235钢的σs=235MPa，Q345钢的σs=345MPa。屈服点σs低于460MPa的钢材，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，则钢材可视为理想的弹塑性材料进行分析。σs是确定钢材强度设计值的主要指标。

应变超过屈服台阶之后，钢材由于应变硬化，应力-应变曲线开始上升，应力与应变之间不再呈线性关系，应变增加较快，最后达到曲线的最高点σb，材料出现颈缩而破坏，σb称为抗拉强度或极限强度，也是钢材的主要强度指标之一。常用碳素结构钢和低合金结构钢的屈服强度、抗拉强度见表2-3及表2-4，钢材的屈服强度随钢材的厚度增大而减小。

二、塑性

塑性是指构件在外力作用下，能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力。钢材的塑性用静力拉伸试验中的断后伸长率、断面收缩率等来衡量。若试件的原标距为L0，拉断时总伸长量为ΔL，则其断后伸长率A为

伸长率大则钢材的塑性好，易加工，承载时虽出现较大变形但并不破坏，能避免突然的脆性断裂。常用钢材的断后伸长率见表2-3、表2-4。

对钢材进行冷弯试验可从另一方面考查其塑性，它反映了钢材的冷弯加工性能，冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲而不破裂的能力。由于冷弯试验时试件中部受弯部位受到冲头挤压以及弯曲和剪切的复杂作用，因此也是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力的一项指标。冷弯性能一般用弯曲角度α（外角）或弯心直径d对材料厚度a的比值表示，α越大或d/a越小，则材料的冷弯性越好。表2-3及表2-4冷弯试验要求钢材按规定的直径绕弯心弯曲180°，弯曲处不出现裂缝或分层现象。

三、韧性

钢材的韧性是表征材料在冲击载荷作用下破坏前吸收机械能的能力。根据冲击试验标准GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，测定冲击韧性的试件采用夏比V形缺口和夏比U形缺口试件，所测得的冲击吸收能量分别用KV和KU表示，试件尺寸如图2-2所示。V形缺口比U形缺口尖锐，主要用于韧性较好的材料，如低碳钢、低合金钢、有色金属等，其试验结果更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，摆锤刀刃半径有2mm和8mm两种，对应冲击吸收能量表示为KV2和KV8。

常用结构钢的冲击韧性见表2-3及表2-4。钢材的冲击韧性随温度而变化，低温时冲击韧性将明显降低。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）工作的起重运输机结构材料其冲击吸收能量不得低于34J。

四、脆性断裂

钢材的破坏形式分为塑性破坏与脆性断裂两类。塑性破坏之前构件有明显的塑性变形，能被及时发现并采取措施而防止事故发生。脆性破坏前构件的变形很小，应力很低（只有屈服限的1/3左右）。由于钢材内部在冶炼、轧制、热处理等各种制造过程中不可避免地产生某种微裂纹，在使用过程中由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因，裂纹会进一步扩展。当裂纹尺寸达到临界尺寸时，断裂进展的速度极快，裂纹扩展速度达2000m/s，结构破坏于顷刻之间。由于事先没有任何破坏的预兆，故脆性断裂破坏比塑性破坏危害大得多。与铆接结构相比，焊接结构发生脆性破坏的比例较大。

脆性断裂的主要原因决定于应力状态、化学成分、应力集中、钢材厚度和焊接工艺等。在起重运输机金属结构中为防止脆性断裂，在材料方面，当工作温度高于-20℃而加载速度较高时，应采用保证常温冲击韧性的钢材；当工作温度低于-20℃时，则应选择保证低温冲击韧性的钢材。在加工工艺方面，要防止出现坑痕和裂纹。确定焊接工艺时，应尽量减小热影响区范围并防止焊接中出现裂纹等缺陷。在设计方面，应尽量避免或减小应力集中，并避免出现三向受拉应力状态（如交叉焊接），尽可能选用较薄的钢材等。

五、可焊性

钢材的可焊性是衡量其焊接工艺好坏的指标，通常用焊缝及热影响区的抗裂性和使用性能来说明材料可焊性的优劣。

钢材的焊接性能主要取决于它的化学组成，尤其是含碳量。含碳量高时容易产生焊接裂纹，合金元素含量增加也容易产生开裂现象。钢的可焊性可以粗略地用碳当量来表示，即把钢中包括碳在内的对淬硬、冷裂纹及脆化等有影响的合金元素含量换算成碳的相当含量。低合金高强度钢的碳当量按式（2-2）计算（GB/T 1591-2008）：

CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15　（％）　　（2-2）

式中的元素符号表示该元素的质量分数。可焊性随碳当量百分比的增高而降低，当碳当量小于0.45％时，认为钢材的可焊性良好。常用低合金钢的最大碳当量应符合GB/T 1591-2008中的规定。

起重机金属结构常用的Q235钢及Q345钢均有良好的可焊性。