游乐设施常用钢材 Q235B 的性能参数及应用

游乐设施常用钢材

1.Q235B

Q235B为碳素结构钢，屈服强度σs=235MPa，当厚度超过16mm时σs=225MPa，质量等级为B级。由于游乐设施的强度设计以抗拉强度为依据，因此无需太过关注此数值（下同，不再赘述）。

Q235B主要用作结构件，是大多数游乐设施使用量最大的钢材品种。但厚度超过40mm的钢板在焊接时有层状撕裂的风险，而且需要采用Z型钢，这是相对苛刻的条件。游乐行业很少使用40mm钢板，因此不再提供厚度超过40mm钢板的性能参数。

Q235B的强度设计值（拉伸、压缩、弯曲）及屈服强度值来源于GB50017《钢结构设计标准》第4.4.1条：

Q235B的抗拉强度值为σb=375MPa，并未采用GB50017《钢结构设计标准》，主要基于当前钢材性能的不断提高，其375MPa来自于《机械设计手册》、GB/T 700《碳素结构钢》、大学教材《工程力学》中的数据：

Q235B低碳钢淬火后不能完全形成马氏体，所以淬火回火没有意义，所以不需要淬火回火。Q235B不适合做轴的材料，因为轴对耐磨性要求很高，所以游乐设施上重要的轴不要选用45号钢以下的材料。

由于轴的疲劳校核采用安全系数法，Q235B在游乐设施设计制造中不适用于轴，因此其弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限的数值在游乐行业中不被采用。但其参数值仍然存在。

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

2.45钢

45钢是优质碳素结构钢。“45#钢”是错误的写法。这方面的国家相关标准多年来都是错误的。你不能仅凭百度判断。你应该以《机械设计手册》和大学教科书作为标准依据。

45钢是优质碳钢，平均含碳量为0.45%，钢号为“45”，不是序列号，所以不能读成45号钢。

45钢（代号U20452）是我国游乐行业最常用、用量最大的调质钢，大量用来制造游乐设施的轴类。优质碳素结构钢（例如：45）必须经过热处理（例如：调质），否则就是废品。45钢的调质硬度为“217~255 HB”，不能写成“HB 217~255”，这也是目前很多标准、设计图纸容易出错的地方。

45钢的屈服强度为σs=600MPa，经调质处理后达到650MPa，但游乐设施检测时需要提供材质证明书，俗称材质清单。

材料合格证书由钢厂（或经销商）提供，材料证书上标注的数据均为未回火处理的数据，若以650MPa的数据进行计算，企业往往无法提供法律依据，为了与材料证书上的数据一致，均采用600MPa的数据。

轴类采用45钢，小件采用调质处理，大件适合正火处理。所以以轴径200mm为分界点，小于200mm的轴采用调质数据，大于200mm的轴采用正火数据。游乐设施很少用到直径大于100mm的轴，主要用于个别B级摩天轮的中心轴（锻件）。

其他大型摩天轮常常采用圆柱形结构作为中心轴。

45钢材料的力学性能数据来源于《机械设计手册》：

3.40Cr

40Cr不是碳钢，而是低合金结构钢，是含碳量为0.40%的合金结构钢，是在40号碳素结构钢基础上，适当添加Cr，以Cr为主要元素。

45钢与40Cr是轴的常用材料，45钢为（优质）碳素结构钢，40Cr为合金结构钢，二者含碳量相近，热处理硬度也相近，但40Cr比45钢耐磨，40Cr的耐磨性是45钢的1.7倍以上。45钢强度较高，强韧性结合较好，淬透性较低，水淬时易产生裂纹。

游乐设施上的轴大部分采用45钢，一些受力较大的轴类零件采用40Cr。直径大于100mm的40Cr轴很少使用。所有40Cr轴必须进行淬火回火处理。仅列出100mm以下40Cr轴的材料力学性能。

同样由于材料单一，屈服强度和抗拉强度值都是未经热处理的数值。

数据来源于《机械设计手册》：

4.20 钢

20钢是一种优质碳素钢，平均含碳量为0.20%，20钢的物理机械性能和化学成分与Q235接近，按照无缝钢管产品标准，无缝管采用的20钢与Q235钢接近。

20钢为优质碳钢，当Q235钢使用也没有问题，Q235B与20钢同为低碳钢，金相组织均为珠光体+铁素体，因此Q235B与20钢的焊接不属于异形焊接。

20钢和Q235B都是低碳钢，所以焊接性能优良，适合各种焊接方法和多种焊接材料，是焊接游乐设施的“通用品”，使用最为普遍。例如大摆锤、海盗船的腿部，一些小型大摆锤的摆臂，都是采用20钢无缝钢管制作的。优点是没有焊缝，减少了生产工序和探伤要求，力学性能指标也比Q235B钢好。

焊接时一般不需预热或缓冷，只有当板厚很大（大于30mm）或环境温度很低（-10℃以下）时，焊接时才需要考虑预热，预热温度一般为100-150℃。

同样，20号钢在游乐设施中不作为重要轴类使用。因此，它的弯曲疲劳极限值和扭转疲劳极限值在游乐行业中不被使用。在做与游乐设施相关的设计计算时，只采用它的抗拉强度值。

其屈服强度、抗拉强度的数值来源于GB/T 8162-2018《结构用无缝钢管》；弯曲疲劳极限、扭转疲劳极限取自《机械设计手册》：

5.304不锈钢

304不锈钢是不锈钢中比较常见的一种材料，是含铬18%，含镍8%，具有良好耐腐蚀性能和加工性能的通用型不锈钢材料。

304不锈钢的标记方法有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表示日本标准生产。

在游乐设施中，由于其美观、力学性能好，常用于制作压条、护栏、护栏，由于其耐腐蚀性能好，常用于水上游乐设施中。

磁粉检测无法检测奥氏体不锈钢材料以及用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝，因此采用的无损检测是渗透检测（PT）。

其屈服强度和抗拉强度的数值来源于《机械设计手册》；弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限按下式取：

σ-1≈0.27(σb+σs)=0.27×725=196兆帕

τ-1≈0.156(σb+σs)=0.156×725=113MPa