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第一章基础知识第一节安装工程常用材料基础知识一、工程材料的分类一般将工程材料按化学成分分为金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。（一）金属材料金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属和其合金分为两大部分：（1）黑色金属材料——铁和以铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）。（2）有色金属材料——黑色金属以外的所有金属及其合金。有色金属按照性能和特点可分为：轻金属、易熔金属、难熔金属、贵重金属、稀土金属和碱土金属。（二）非金属材料非金属材料包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀（酸）非金属材料和陶瓷材料等。（1）耐火材料。耐火材料是指能承受高温下作用而不易损坏的材料。常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土。（2）耐火隔热材料。耐火隔热材料又称为耐热保温材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛙石、玻璃纤维（又称矿渣棉）、石棉以及它们的制品。（3）耐蚀（酸）非金属材料。耐蚀（酸）非金属材料的组成主要是金属氧化物、氧化硅和硅酸盐等，在某些情况下它们是不锈钢和耐蚀合金的理想代用品。常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。（4）陶瓷材料。（三）高分子材料高分子材料种类很多，工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类：（1）塑料。分热塑性塑料和热固性塑料两种。（2）橡胶。（3）合成纤维。（四）复合材料复合材料就是用两种或两种以上不同材料组合的材料。二、常用工程材料的性能和特点（一）金属材料1、黑色金属含碳量小于2．11％（重量）的合金称为钢，合碳量大于2．11％（重量）的合金称为生铁。（1）钢及其合金的分类。钢的力学性能决定于钢的成分和金相组织。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响。在工程中更通用的分类为：l）按化学成分分类。可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。2）按主要质量等级分类：①普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳素钢；②普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢；③普通合金钢、优质合金钢和特殊质量合金钢。（2）钢牌号的表示方法。按照国家标准《钢铁产品牌号表示方法》规定，我国钢铁产品牌号采用汉语拼音字母、化学符号和阿拉伯数字相结合的表示方法，即：l）牌号中化学元素采用国际化学元素表示。2）产品名称、用途、特性和工艺方法等，通常采用代表该产品汉字的汉语拼音的缩写字母表示。3）钢铁产品中的主要化学元素含量（％）采用阿拉伯数字表示。合金结构钢的牌号按下列规则编制。数字表示含碳量的平均值。合金结构钢和弹簧钢用二位数宇表示平均含碳量的万分之几，不锈耐酸钢和耐热钢含碳量用千分数表示。平均含碳量＜0.1％（用“0”表示；平均含碳量＜0.03％，用“00”表示＝。合金工具钢平均含碳量＞1.00％时，不标合碳量，否则用千分数表示。高速工具钢和滚珠轴承钢不标含碳量，滚珠轴承钢标注用途符号“C”。平均合金含量＜1.5％者，在牌号中只标出元素符号，不注其含量。例：在钢的分类中,优质钢是按照（）来分类的。A.化学成分B.用途C.冶炼质量D.冶炼方法答案:C例：03考题：碳的含量对钢的性质有决定性的影响，当含碳量低时，其性能表现为()。A．强度高，塑性、韧性低B．塑性小，性脆，硬度大C．强度低，塑性、韧性高D．强度高，塑性、韧性也较高答案：C例：钢的成分确定后，其力学性能主要取决于()。A．钢的冲击韧性B．碳的含量C.有害元素含量D．钢的金相组织答案：D（3）工程中常用钢及其合金的性能和特点。l）碳素结构钢。碳素结构钢生产工艺简单，有良好工艺性能（如焊接性能、压力加工性能等）、必要的韧性、良好的塑性以及价廉和易于大量供应，通常在热轧后使用。在桥梁、建筑、船舶上获得了极广泛的应用。某些不太重要、要求韧性不高的机械零件也广泛选用。2）低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢比碳素结构钢具有较高的韧性，同时有良好的焊接性能、冷热压力加工性能和耐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。3）合金结构钢。合金结构钢广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。形状复杂或截面尺寸较大或要求韧性高的淬火零件，一般为合金结构钢。4）不锈耐酸钢。它在化工、石油、食品机械和国防工业中广泛应用。按不锈钢使用状态的金相组织，可分为铁素体、马氏体、奥氏体、铁素体加奥氏体和沉淀硬化型不锈钢五类。现将各类不锈钢的特点简述如下：①铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主要合金元素。高铬钢有良好的抗高温氧化能力，在氧化性酸溶液，如硝酸溶液中，有良好的耐蚀性，故其在硝酸和氮肥工业中广泛使用。高铬铁素体不锈钢的缺点是钢的缺口敏感性和脆性转变温度较高，钢在加热后对晶间腐蚀也较为敏感。例：（）是铁素体型不锈钢中的主要合金元素。A、铬B、镍C、锰D、硅答案：A②马氏体型不锈钢。铬是钢中的主要合金元素。通常用在弱腐蚀性介质，如海水、淡水和水蒸汽等中，使用温度小于或等于580℃、通常作为受力较大的零件和工具的制作材料，由于此钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。③奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬和镍。这类钢具有高的韧性、低的脆性转变温度、良好的耐蚀性和高温强度、较好的抗氧化性以及良好的压力加工和焊接性能。④铁素体—奥氏体型不锈钢。⑤沉淀硬化型不锈钢。这类钢主要用于制造要求高强度和耐蚀的容器、结构件零件，也可用作高温零件，如汽轮机零件。5）铸钢。铸钢具有较好的强度、塑性和韧性，可以铸成各种形状、尺寸和质量的铸钢件。（4）铸铁的分类和牌号表示方法。大部分机械设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件多用铸铁制造。某些承受冲击不大的重要零件，如小型柴油机的曲轴，多用球墨铸铁制造。其原因是铸铁价廉，切削性能和铸造性能优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。1）铸铁的分类。按照石墨的形状特征，铸铁可分为灰口铸铁（石墨成片状）、球墨铸铁（石墨成球状）和可锻铸铁（石墨成团絮状）三大类。按照铸铁成分中是否含有合金元素，可分为一般铸铁和合金铸铁两大类。一般铸铁可分为普通铸铁和变质（孕育）铸铁。例：03考题：对铸铁的韧性、塑性影响最大的因素为()。A．石墨的数量B．石墨的大小C．石墨的形状D．石墨的分布答案：c例：在碳素结构钢中，屈服点为235，质量等级为A的沸腾钢，其牌号应为()。A．CQ235-AFB．F235-ATC．GB／Q235-AFD．Q235-AF答案：D2）铸铁牌号的表示方法：①用各种铸铁相应汉语拼音字母的第一个大写字母作为铸铁的代号，当两种铸铁名称的代号字母相同时，可在大写字母后加小写字母表示。②在牌号中一般不标注常规元素C．Si、Mn、S和P的符号，但当它们有特殊作用时才标注其元素符号和含量。③牌号中代号后面的一组数字表示抗拉强度值（如灰口铸铁HT100），有两组数字时，第一组数字表示抗拉强度值，第二组数字表示伸长率值（如球墨铸铁QT400－18），两组数字之间用“－”隔开。3）工程中常用铸铁的性能和特点：①灰口铸铁。基体可以是铁素体，珠光体或铁素体加珠光体，相当于钢的组织。②球墨铸铁。球墨铸铁综合机械性能接近于钢。可用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。③蠕墨铸铁。蠕墨铸铁的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；同时又有灰口铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。④可锻铸铁。可锻铸铁可以部分代替碳钢。⑤耐磨铸铁。耐磨铸铁是在磨粒磨损条件下工作的铸铁，应具有高而均匀的硬度。⑥耐热铸铁。耐热铸铁是在高温下工作的铸件，如炉底板、换热器、钳锅、热处理炉内的运输链条等。⑦耐蚀铸铁。耐蚀铸铁是主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。例:按照石墨的形状特征，铸铁可分为()。A．灰口铸铁B．合金铸铁C．可锻铸铁D．球墨铸铁答案：ACD2、有色金属l）铝及其合金。工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。①防锈铝合金（LF）。主要用于焊接件、容器、管道或以及承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。②硬铝合金（LY）。低合金硬铝塑性好，强度低。主要用于制作铆钉，常称铆钉硬铝；标准硬铝合金强度和塑性属中等水平。主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉等重要零件；高合金硬铝合金元素含量较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。用于制作重要的销和轴等零件。③超硬铝合金（LC）。这类合金的抗蚀性较差，高温下软化快，多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。④锻铝合金（LD）。这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件。2）铜及其合金。铜合金具有较高的强度和塑性，具有高的弹性极限和疲劳极限，同时还具有较好的耐蚀性、抗碱性及优良的减摩性和耐磨性。一般铜合金分黄铜、青铜和白铜三大类。①黄铜（H）。以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。②青铜（Q）。青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝、硅、铅、锰等的铜基合金为青铜。3）镍及其合金。镍及镍合金是化学、石油、有色金属冶炼、高温、高压、高浓度或混有不纯物等各种苛刻腐蚀环境下比较理想的金属材料。4）钛及其合金。钛熔点高，热膨胀系数小，导热性差，强度低，塑性好。钛具有优良的耐蚀性和耐热性，其抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢，而在较高温度下钛材仍能保持较高的强度。常温下钛具有极好的抗蚀性能，在大气、海水、硝酸和碱溶液等介质中十分稳定，但在任何浓度的氢氟酸中均能迅速溶解。5）铅及其合金。铅在大气、淡水、海水中很稳定，铅对硫酸、磷酸、亚硫酸、铬酸和氢氟酸等则有良好的耐蚀性。铅不耐硝酸的腐蚀，在盐酸中也不稳定。6）镁及其合金。镁合金是航空工业的重要结构材料，它能承受较大的冲击、振动载荷，并有良好的机械加工性能和抛光性能。其缺点是耐蚀性较差、缺口敏感性大及熔铸工艺复杂。（二）非金属材料非金属材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀（酸）非金属材料和陶瓷材料等。1．耐火材料能承受高温作用而不易损坏的材料，称为耐火材料。常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土。（1）耐火材料的主要性能指标：l）耐火度。2）荷重软化温度。3）高温化学稳定性。4）抵抗温度变化的能力越好，则耐火材料在经受温度急剧变化时越不易损坏。5）抗压强度要好。6）密度和比热容。7）热导率要小，隔热性能要好，电绝缘性能要好。（2）耐火材料的分类：l）耐火砌体材料。按材质高低，分为普通耐火材料和特种耐火材料；按耐火材料的主要化学成分分为粘土砖、高铝砖、硅砖、氧化铝砖、石墨和碳制品以及碳化硅制品等。2）耐火水泥及混凝土。按照胶结料的不同，耐火混凝土分为水硬性耐火混凝土、火硬性耐火混凝土和气硬性耐火混凝土；按照密度的高低，可分为重质耐火混凝土和轻质耐火混凝土两类。2、耐火隔热材料耐火隔热材料，又称为耐热保温材料。它是各种工业用炉（冶炼炉、加热炉、锅炉炉膛）的重要筑炉材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛭石、玻璃纤维（又称矿渣棉）、石棉，以及它们的制品如板、管、砖等。（1）硅藻土耐火隔热保温材料。硅藻土砖、板广泛用于电力、冶金、机械、化工、石油、金属冶炼电炉和硅酸盐等工业的各种热体表面及各种高温窑炉、锅炉、炉墙中层的保温绝热方面。硅藻土管广泛用于各种化工、石油、气体、液体高温过热管道及其他高温设备的保温绝热方面。（2）硅酸铝耐火纤维。硅酸铝耐火纤维是轻质耐火材料之一。硅酸铝耐火纤维及其制品（毡、板、砖、管等）和复合材料，广泛地用于冶金、机械、建筑、化工和陶瓷工业中的热力设备，如锅炉、加热炉和导管等的耐火隔热材料。（3）微孔硅酸钙保温材料。微孔硅酸钙保温材料制品可用于高温设备热力管道的保温隔热工程。（4）矿渣棉制品。矿渣棉制品可用作保温、隔热和吸音材料。3．耐蚀（酸）非金属材料常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。（1）铸石。铸石具有极优良的耐磨与耐化学腐蚀性、绝缘性及较高的抗压性能。在各类酸碱设备中，其耐腐蚀性比不锈钢、橡胶、塑性材料及其他有色金属高得多，但铸石脆性大、承受冲击荷载的能力低。因此，在要求耐蚀、