游乐设施常用钢材参数详解

游乐设施常用钢材参数详解

游乐设施的安全性和可靠性直接关系到游客的生命安全，而材料的选择和参数的准确应用是设计的关键。本文详细介绍了游乐设施中常用的几种钢材，包括Q235B、45钢、40Cr、20钢和304不锈钢，分析了它们的力学性能参数及其在实际应用中的注意事项。这些信息对于从事游乐设施设计、制造和检验的专业人士具有重要参考价值。

游乐设施常用钢材

游乐设施的安全系数，是以材料的极限应力为计算依据，游乐设施的主要材料为钢材，极限应力即为材料的破断强度，因此游乐设施的主体钢结构的计算是以钢材的破断强度为依据进行的。

1、Q235B

Q235B是碳素结构钢，屈服强度是σs=235MPa，厚度超过16mm，σs=225MPa，质量等级为B级。由于游乐设施的强度设计依据指标为抗拉强度，所以，此值无需过分关注（下同，不再另行解释）。

Q235B主要用作结构件，是大部分游乐设施上用料最大的一种钢材。但厚度超过40mm的钢板，存在焊接层状撕裂的风险，需要用Z型钢，条件较为苛刻。游乐行业几乎用不到40mm的钢板，所以超过40mm的钢板不再提供性能参数。

Q235B的强度设计值（拉、压、弯）和屈服强度值来自GB50017《钢结构设计标准》4.4.1节：

Q235B的抗拉强度值σb=375MPa，并未采取GB50017《钢结构设计标准》，主要依据当前钢材性能不断提高，其375MPa来源于《机械设计手册》（机械工业出版社）、GB/T 700《碳素结构钢》、大学教材《工程力学》中的数据：

注：虽然Q235B的抗拉强度值区间是375～500MPa，在这个区间内的钢材都是合格钢材，设计计算时，应该取抗拉强度值下限，这样，只要买回来的钢材Q235B是合格钢材，就满足设计要求。

Q235B低碳钢，淬火后不能完全形成马氏体，所以调质没有任何意义,故无需调质。Q235B不宜用作轴材料，因为轴对耐磨性要求较高，所以游乐设施上的重要轴不宜选取低于45钢的材质。

因为轴的疲劳校核采用的是安全系数法，Q235B在游乐设施的设计制作中不宜用来做轴，因此其弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限的数值，在游乐行业，也用不到。但其参数数值还是存在的。

Q235B的弯曲疲劳极限σ-1=180MPa，扭转疲劳极限τ-1=105MPa，其取值于《机械设计手册》：

注：试想一下，如果Q235B的抗拉强度，计算时采用400MPa以上，下面的材质单不能用了（σb=380 MPa）？但下面提供材质清单（质量证明书）的Q235B 是合格的。

2、45钢

45钢是一种优质碳素结构钢，“45号钢”是一种错误的写法，这方面国家的有关标准，历年来都搞错了，不能从百度上去判断，应该以《机械设计手册》和大学教材为标准依据。

45钢是平均碳含量为0.45%的优质碳素钢，钢牌号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。

45钢（代号U20452）是我国游乐行业应用最普遍、使用量最大的调质钢。广泛用于制造游乐设施的轴。采用了优质碳素结构钢（例如：45）一定要热处理（例如：调质），否则就是浪费。45钢的调质硬度是“217255 HB”，不能写作“HB 217255”。这也是当前不少标准规范和设计图纸容易出错的地方。

45钢的屈服强度是σs=600MPa，调质后达到650MPa。但游乐设施型式试验时会要求提供材料合格证明，即俗称材质单。

材料合格证明由钢厂（或经销商）提供，材质证明中标注的都是未经过调质的数据，如果采用650MPa的数据去计算，企业往往又无法提供法理依据，为了和材质证明上的数据保持一致，就采用了600MPa的数据。

45钢做轴，小型件采用调质处理，大型件宜采用正火处理。所以以轴直径200mm为分界点，小于200mm的轴，采用调质处理的数据，大于200mm的轴采用正火处理的数据。游乐设施很少用到直径超过100 mm的轴，主要用在个别B级摩天轮上的中心轴（锻造）。

其他大型摩天轮，中心轴部位多采用的是筒状结构。

45钢材料力学性能数据来源于《机械设计手册》：

3、40Cr

40Cr不是碳素钢，是低合金结构钢。含碳量0.40%的合金结构钢，它是在碳素结构钢40号的基础上，适当的添加Cr元素，Cr为主加元素。

45钢和40Cr是轴的常用材料，45钢属于（优质）碳素结构钢，40Cr属于合金结构钢。两者碳含量相近，热处理硬度也相近，但是40Cr比45钢耐磨，40Cr耐磨性是45号钢的1.7倍以上。45钢强度较高，有较好的强韧性配合，淬透性低，水淬时易产生裂纹。

游乐设施上大部分的轴类用45钢进行加工制造，个别受力大些的轴类零件，用40Cr进行加工制造。

40Cr调质后，耐磨性好、综合力学性能要更好，但抗拉强度和屈服强度下降。在游乐设施上，多采用40Cr的轴，都经过调质处理，其屈服强度和抗拉强度的值，采用调质后的值，即抗拉强度σb=750 MPa，不采用未经调质的40Cr材质力学参数σb=980 MPa。

数据来源于《机械设计手册》：

《机械设计手册》（机械工业出版社）截图

《机械设计手册》（化工机械出版社）截图

4、20钢

20钢平均含碳量为0.20%的优质碳素钢。20钢物理力学性能及化学成分与Q235接近。按照无缝钢管的产品标准，无缝管采用的是与Q235钢接近的是20钢。

20钢是优质碳素钢，当Q235钢用没什么问题。Q235B和20钢，两种钢材都属于低碳钢，两者的金相组织都是珠光体+铁素体。所以Q235B和20钢焊接不是异型焊。

20钢和Q235B都是属于低碳钢，因此，焊接性能优良，适合于各种焊接方法及多种焊接材料，是游乐设施焊接用钢的“大路货”，应用最为普遍，如大摆锤、海盗船的支腿，有些小型大摆锤的摆臂等，都是采用20钢的无缝钢管制作。优点是没有焊缝，减少了制作工艺和探伤要求，力学性能指标又优于Q235B钢。

焊接时一般不用采取预热或缓冷等工艺措施，只有在板厚很大（大于30mm)，或环境温度很低（-10℃以下）时，焊接时需考虑预热，预热温度一般为100-150℃。

同样，20钢不用来做游乐设施上的重要轴。因此，其弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限的数值，在游乐行业也用不到。再做游乐设施相关设计计算时，仅用到其抗拉强度值。

其屈服强度和抗拉强度的值来源于GB/T 8162-2018 《结构用无缝钢管》；弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限取值于《机械设计手册》：

5、304不锈钢

304不锈钢是不锈钢中常见的一种材质，是一种通用型的不锈钢材料，含有18%的铬和8%的镍，具有良好的耐腐蚀性和加工性能。

304不锈钢的标示方法中有0Cr18Ni9（0Cr19Ni9， 06Cr19Ni9），SUS304，其中0Cr18Ni9一般表示国标标准生产，304一般表示ASTM标准生产，SUS304表示日标标准生产。

游乐设施中，由于其美观性和良好的力学性能，常用来制作压杠、挡杆和护栏，由于其耐腐蚀性，常用在水上游乐设施中。

磁粉检测不能检测奥氏体不锈钢材料和用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝，因此用到的无损检测为渗透检测(PT)。

其屈服强度和抗拉强度的值来源于《机械设计手册》；弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限按照公式取值：

σ-1≈0.27（σb+σs）=0.27×725=196 MPa

τ-1≈0.156（σb+σs）=0.156×725=113 MPa

6、小结

在结构计算中，合理选取一些重要参数是非常关键的，这些参数的选择直接影响到计算结果的准确性和可靠性。材料参数的最初来源是通过材料试验来获取材料参数，例如拉伸试验、压缩试验等。过去几百年，无数前辈进行了无数试验，最后的试验结果进行汇总，成为国家标准，因此可以直接采用国家标准的数据作为参考，选择合适的材料参数。

在机械设计领域，有一部工具书不能不提—《机械设计手册》，1969年至今已修订到第6版，传承半个世纪，成为我国在机械领域最具权威和影响力的大型工具书，因此，游乐设备的设计计算，材料参数可直接从《机械设计手册》获取。

附：硬度的单位在数字前还是在数字后？

个人观点，仅供参考

本文原文来自360doc.com