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6.铝合金 铝合金是一种轻金属,它主要由铝、镁、铜、锰、锌、硅等元素炼成。在国外,已有很多起重机金属结构、建筑结构用铝合金制造。 铝合金的力学性能很好,与Q235钢相比,有如下优点: 1)铝合金密度小(质量密度为2.64~2.8g/cm3),铝合金的结构比钢结构自重减轻40%~60%。 2)铝合金强度与钢材(Q235)相近。但用于焊接结构的铝合金强度则低一些。 3)铝合金在低温下冲击韧度并不降低。 4)铝合金抗腐蚀性强,仅与其它金属接触处易腐蚀,不接触处则不易腐蚀。 铝合金主要有以下缺点: 1)铝合金弹性模量低,只为钢材的1/3,因此铝合金结构的弹性变形比钢结构大2倍,且受压杆件的临界应力较低,易于失稳。 2)线膨胀系数高,α=(2.2~2.4)×10-5,约为钢材的2倍,因此温度增高时产生的变形较大。 3)强度随温度增高而降低,焊接结构的焊缝处,由于焊接退火使强度显著降低。 4)铝合金应在保护气体中施焊(如氩气焊等),需要专用设备,或采用铆接结构。 5)铝合金疲劳强度低,对应力集中较敏感。 6)铝合金价格贵,比钢材贵10倍左右,但制造出金属结构的差价并不大;因为钢的密度比铝大2倍左右,一吨铝合金制造的构件要比钢材的多许多,所以尽管铝合金有许多缺点,但采用铝合金制造金属结构仍是减轻自重的有效方法之一。 二、材料的选择 (1)结构重要性 重要场合工作的结构材料要好些,主要受力构件比次要受力构件的材料要好些,格构式构件的材料不低于实腹构件。(2)载荷特征 一般受动载荷或交变载荷的结构材料应好些,有应力集中的构件材料应有良好的塑性。(3)工作级别 工作级别较高的结构材料要好些。(4)工作环境 要考虑工作环境温度及变化幅度、有无侵蚀性气体、物质等影响。 (5)钢材性能与厚度 不同标号的钢材其性能不同。(6)连接方式 焊接结构所用的材质要比铆接结构好些,否则难以保证焊接性。 (7)市场供应 钢材价格的波动性和市场现货、期货的供应周期与采购周期和生产周期的科学匹配情况,也是选材时必须考虑的因素。 三、影响脆性破坏因素的评价和钢材质量组别的选择 1.对影响脆性破坏因素的评价 2.所要求的钢材质量组别的确定 表2-9 与总评价系数有关的钢材质量组别的划分 表2-10 钢材质量组别及钢材牌号 表2-10 钢材质量组别及钢材牌号 第二章 材料 第一节 钢材的力学特性及影响因素第二节 材料的类别、特征和选择 第一节 钢材的力学特性及影响因素 焊接性 (1)焊接工艺 钢材的焊接过程使连接处受热不均匀,导致钢材的结晶组织发生变化,当温度在200~300℃之间时,钢材会发生蓝脆现象而提高了脆性。(2)碳的质量分数 钢材中碳含量过多,虽能提高钢材的强度,但却降低了钢材的塑性和焊接性,高碳钢的焊接性明显恶化。 图2-3 钢材的σ-ε曲线a)同号平面应力状态 b)异号平面应力状态 4.焊接 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。熔合缝处的金属韧性降低了,离开焊缝温度在1100~1400℃之间的金属为大粒组织,其韧性明显下降;位于900~1100℃之间的金属为细粒组织,其强度增大;位于200~350℃之间的金属则变为脆化区。 焊接金属凝固时,晶粒之间会产生不均匀的应力和收缩,容易引起裂缝和残余应力。 3.温度和加载速度 5.应力集中 结构中的应力分布通常都是不均匀的,三向应力可能由三向载荷所引起,但更多情况是由于结构不连续、截面形状突变形成的缺口效应所产生,在孔洞、凹角、裂缝、厚度改变和不平处主应力线将发生转折绕行,应力作用线比较密集和弯曲,出现局部高峰应力,产生应力集中现象(图2-4),其中σox为平均应力。 应力集中高峰点,总是存在着同号的三向拉应力场,它提高了钢材的强度,阻碍了塑性变形的发展,因而增加了脆性,如带突变缺口的试件,其破坏已呈现为脆性。 6.加工硬化 钢材经冷加工、冷弯和剪切会使其产生局部塑性变形,产生硬化或冷化现象,使材料强度提高,塑性、韧性降低,加速时效,材质变硬脆。 图2-4 应力集中现象 第二节 材料的类别、特征和选择 一、材料的类别和特征 1.碳素结构钢 表2-1 金属结构常用的材料分类、特点及表示方法 表2-1 金属结构常用的材料分类、特点及表示方法 表2-2 碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能(GB/T 700—2006) 表2-2 碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能(GB/T 700—2006) ① 表中为镇静钢、特殊
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