水工机械结构件采用Q345钢时的许用应力取值

黄河勘测规划设计有限公司工程设计院   孙鲁安 丁正中 侯庆红

    摘  要：  通过分析Q345钢和16Mn钢在新旧材料标准中存在的差异，根据现行行业标准确定的安全系数和Q345钢的厚度尺寸分组及对应的材料屈服极限，推算出Q345钢的许用应力，并与16Mn钢的许用应力进行对比。结果显示，材料厚度尺寸相同时，二者的许用应力并不完全相同。说明不能直接将16Mn钢的许用应力无条件的套用在Q345钢上。

    关键词：  许用应力     材料标准     Q345钢    16Mn钢

1概述

目前水利水电工程的钢闸门和启闭机设计中已用Q345钢替代了老牌号的16Mn钢，但由于水电行业标准的更新滞后于国家材料标准，现有的《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 41-95）和《水利水电工程启闭机设计规范》（SL 41-93）两个标准均缺乏对Q345材料的许用应力的规定。因此工作中发现一些设计人员将16Mn钢与Q345钢等同看待，直接将16Mn钢的许用应力用于Q345钢，而忽视了二者在某些方面的不同。实际上， Q345钢是老牌号的12MnV、14MnNb、18Nb、16MnRE、16Mn等多个钢种的替代，而并非仅替代16Mn钢一种材料。在化学成分上，16Mn与Q345也不尽相同。更重要的是两种钢材按屈服强度的不同而进行的厚度分组尺寸存在较大差异，而这必将引起某些厚度的材料的许用应力的变化。因此，简单地将16Mn钢的许用应力套用在Q345钢上是不合适的，而应根据新的钢材厚度分组尺寸重新确定许用应力。

2 Q345与16Mn钢的一些不同点

2.1 厚度分组不同

16Mn与Q345钢的厚度尺寸分组见表1。

2.2 化学成分的差异

16Mn与Q345钢的化学成分见表2。Q345钢的主要组成元素比例与16Mn钢基本相同，区别是增加了V、Ti、Nb微量合金元素。V、Ti、Nb合金元素对钢的主要影响及作用见表3。

表2    16Mn与Q345钢材的化学成分

表3    合金元素V、Ti、Nb对钢的主要影响和作用

从表3可以看出，加入V、Ti、Nb合金元素能细化晶粒，提高钢的韧性。虽然V、Ti有增大碳化物形成的倾向，但由于加入量不大，综合来看，其利大于弊，即钢的综合机械性能得到较大提高。也正因为如此，钢板的厚度才可以做得更大一些。因此，Q345钢的综合机械性能应当优于16Mn钢。

2.3 力学性能的变化

新材料标准的另一变化是镇静钢的屈服强度已不再高于沸腾钢，而是取值相同。且各钢号的抗拉强度最小值与厚度已没有关系。而旧标准的抗拉强度最小值随不同分组厚度而取值不同。这种区别在表4中很容易看出。

表4    16Mn与Q345的主要力学性能对比

3  Q345钢的许用应力

若仍采用现行规范推荐的安全系数，则Q345钢材的许用应力可按表5取值，焊缝的许用应力可按表6取值，采用铆钉、螺栓和销轴连接时的许用应力可按表7取值。对启闭机的结构件，表中给出的许用应力应为第Ⅰ类荷载情况时的许用应力，若为第Ⅱ类荷载情况时可将表中给定值提高15%。

表5  Q345钢材的许用应力（N／mm2）

表6   构件为Q345钢的焊缝的许用应力（N／mm2）

表7    铆钉、螺栓和销轴与构件为Q345钢连接时的许用应力（N／mm2）

4  Q345与16Mn在相同分组下的许用应力对照

Q345与16Mn在相同分组下的许用应力对照见表8。从表8可以看出，在相同组别下，除第1、2组外，其他组中Q345钢的许用应力值均低于同组下的16Mn钢。似乎Q345钢的许用应力值还低于16Mn钢，其实不然。这主要是因为Q345钢的某些分组厚度尺寸比16Mn钢大很多的缘故。以厚度为25～35mm的钢材为例，对16Mn钢，尺寸分组为第3组，许用抗拉、压、弯应力应为205 N／mm2；而对Q345钢，25～35mm的尺寸分组为第2组，从表8可知其许用抗拉、压、弯应力应为220 N／mm2，许用应力高于16Mn钢，其间的差别所在不言自明。而目前就有不少人将Q345钢与16Mn钢划了等号，直接将16Mn钢的许用应力套用在Q345钢上，比如将处于25～35mm 范围内的Q345的许用抗拉、压、弯应力也取值为205 N／mm2。这显然是不合适的，这样就过于保守，限制了这种材料的优良性能的发挥，造成不必要的浪费。 

表8   Q345与16Mn钢材的许用应力对照（N／mm2）

4  结语

Q345钢和16Mn钢既有相同点，又有不同点，不能简单地将二者划等号，其许用应力更不能无条件地套用16Mn钢的数值，这样做很可能会造成浪费。鉴于目前新的钢闸门和启闭机设计规范尚在修订中，在新版规范发布实施之前，本文期望提醒部分设计人员注意Q345与16Mn在新旧标准中的某些变化，并对合理确定这种材料的许用应力有所帮助。表5至表7列出的许用应力值，是按现行的行业规范中的安全系数进行推算得出的，可供设计中参考。 

从表1可以看出，旧标准分了5组，新标准则只有4组。在钢板的厚度尺寸上，除第1组相同外，第2～4组均发生了较大变化。而且Q345钢在相同组别下，其厚度尺寸的范围比16Mn钢均有所加大。以第2组为例，其最大尺寸几乎已达到了16Mn钢的第3组的尺寸。而第4组的尺寸已由原来的50mm扩大至100mm。新标准之所以扩大相同组别下钢材的尺寸范围，是根据我国近年来厚钢板的应用越来越多的实际情况而作出的相应调整。