第一章 安装工程材料

第一节建设工程材料

　　一、金属材料

　　(一)黑色金属

　　黑色金属材料一般是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料。

　　钢：含碳量<2.0%的铁合金;

　　生铁：含碳量>2.0%的铁合金称。

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　　1. 钢的分类和用途

　　(1)含碳量高的钢材强度高(当含碳量超过1.00%时，钢材强度开始下降)、塑性小、硬度大、脆性大和不易加工。

　　有害元素：硫、磷。磷：冷脆性，硫：热脆性。

　　有益元素：硅、锰。钢材强度、硬度提高，塑性、韧性不显著降低。

　　钢材的力学性能取决于钢材的成分和金相组织。

　　【例2】(2015)钢中含有的碳、硅、锰、硫、磷等元素对钢材性能影响正确的为( )。

　　A.当含碳量超过1.00%时，钢材强度下降，塑性大、硬度小、易加工

　　B.硫、磷含量较高时，会使钢材产生热脆和冷脆性，但对其塑性、韧性影响不大

　　C.硅、锰能够在不显著降低塑性、韧性的情况下，提高钢材的强度和硬度

　　D.锰能够提高钢材的强度和硬度，而硅则会使钢材塑性、韧性显著降低

　　【答案】C

　　【解析】钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响，含碳量低的钢材强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接;含碳量高的钢材强度高(当含碳量超过1.00%时，钢材强度开始下降)、塑性小、硬度大、脆性大和不易加工。硫、磷为钢材中有害元素，含量较多就会严重影响钢材的塑性和韧性，磷使钢材显著产生冷脆性，硫则使钢材产生热脆性。硅、锰等为有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。

　　2.工程中常用钢及其合金的性能特点

　　1)普通碳素结构钢。

　　普通碳素结构钢的碳、磷、硫及其他残余元素的含量控制较宽。

　　生产工艺简单，良好工艺性能、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。

Q195	强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘条。
Q215	主要用于制作管坯、螺栓。
Q235	强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也好，是钢结构常用的牌号。
Q275	强度和硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差。

　　2)优质碳素结构钢。

　　优质碳素结构钢是含碳小于0.8%的碳素钢，含硫、磷及非金属夹杂物比碳素结构钢少。

　　与普通碳素结构钢相比，优质碳素结构钢塑性和韧性较高，并可通过热处理强化，多用于较重要的零件，广泛应用于机械制造。分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

　　低碳钢强度和硬度低，但塑性和韧性高，加工性和焊接性能优良，用于制造承载较小和要求韧性高的零件以及小型渗碳零件;

　　中碳钢强度和硬度较高，塑性和韧性较低，切削性能良好，但焊接性能较差，冷热变形能力良好，主要用于制造荷载较大的机械零件。

　　3)普通低合金钢。

　　普通低合金钢比碳素结构钢具有较高的韧性，良好的焊接性能、冷热压加工性能和耐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。

　　Q295具有良好的塑性、韧性、冷弯性能、冷热压力加工性能和焊接性能，且有一定的耐蚀性能。用于制造各种容器、螺旋焊管、建筑结构、车辆用冲压件和船体等;

　　Q345具有综合力学性能、耐低温冲击韧性、焊接性能和冷热压加工性能，用于建筑结构、化工容器和管道、起重机械和鼓风机等。

　　4)优质低合金钢。优质低合金钢广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。

　　5)不锈耐酸钢。

　　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。

　　铁素体 奥氏体

铁素体	主加元素铬，质量分数≥13.00%。高铬钢有良好的抗高温氧化能力，耐蚀性，在硝酸和氮肥工业中广泛使用。缺点：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敏感。
马氏体	具有较高的强度、硬度和耐磨性。通常用于弱腐蚀性介质环境以及使用温度≤580℃的环境中，可作为受力较大的零件和工具的制作材料。缺点：焊接性能不好，一般不用作焊接件。
奥氏体	主要合金元素为铬、镍、钛、铌、钼、氮和锰等。具有较高的韧性、良好的耐蚀性、高温强度、抗氧化性、良好的压力加工和焊接性能。缺点：屈服强度低，不能采用热处理方法强化，而只能进行冷变形强化。
铁素体-奥氏体	其屈服强度约为奥氏体型不锈钢的两倍，可焊性良好，韧性较高，应力腐蚀、晶间腐蚀及焊接时的热裂倾向均小于奥氏体型不锈钢。
沉淀硬化型	优点是经沉淀硬化热处理以后具有高的强度，耐蚀性优于铁素体型不锈钢。它主要用于制造高强度和耐蚀的容器、结构和零件，也可用作高温零件。

　　【例3】(2015真题)某种钢材，其塑性和韧性较高，可通过热处理强化，多用于制作较重要的、荷载较大的机械零件，是广泛应用的机械制造用钢。此种钢材为( )。

　　A.普通碳素结构钢

　　B.优质碳素结构钢

　　C.普通低合金钢

　　D.奥氏体型不锈钢

　　【答案】B

　　【解析】优质碳素结构钢是含碳小于0.8%的碳素钢，这种钢中所含的硫、磷及非金属夹杂物比碳素结构钢少。与普通碳素结构钢相比，优质碳素结构钢塑性和韧性较高，并可通过热处理强化，多用于较重要的零件，是广泛应用的机械制造用钢。

　　【例4】(2014真题)按不锈钢使用状态的金相组织分类，除包括铁素体、奥氏体不锈钢外，还有( )。

　　A.马氏体不锈钢

　　B.铁素体加奥氏体不锈钢

　　C.马氏体加奥氏体不锈钢

　　D.沉淀硬化型不锈钢

　　【答案】A,B,D

　　【解析】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。

　　【例5】(2015真题)与奥氏体型不锈钢相比，马氏体型不锈钢的优点是具有( )。

　　A.较高的强度、硬度和耐磨性

　　B.较高的韧性、良好的耐腐蚀性

　　C.良好的耐腐蚀性和抗氧化性

　　D.良好的压力加工和焊接性能

　　【答案】A

　　【解析】奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬、镍、钛、铌、钼、氮和锰等。此钢具有较高的韧性、良好的耐蚀性、高温强度和较好的抗氧化性，以及良好的压力加工和焊接性能。但是这类钢的屈服强度低，且不能采用热处理方法强化，而只能进行冷变形强化。马氏体型不锈钢。此钢具有较高的强度、硬度和耐磨性。通常用于弱腐蚀性介质环境中，如海水、淡水和水蒸气中;以及使用温度≤580℃的环境中，通常也可作为受力较大的零件和工具的制作材料。但由于此钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。

　　3.铸铁的分类和用途

　　铸铁与钢相比，特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。磷：提高耐磨性;硫：有害元素;锰和硅都是铸铁中的重要元素。铸铁的组织特点是含有石墨。(1)铸铁分类

　　按碳存在的形式分类，铸铁可分为灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁三大类。

　　按照石墨的形状特征，灰口铸铁可分为普通灰铸铁(石墨呈片状)、蠕墨铸铁(石墨呈蠕虫状)、可锻铸铁(石墨呈团絮状)和球墨铸铁(石墨呈球状)四大类。

　　(2)工程中常用铸铁的性能和特点

类型	特点
灰铸铁	灰铸铁的组织由石墨和基体两部分组成；影响灰铸铁组织和性能的因素主要是化学成分和冷却速度。灰铸铁中的碳、硅含量一般控制在碳2.5%～4.0%，硅1.0%～3.0%。
球墨铸铁	铸造性能好，含碳量4.5%～4.7%，抗拉强度高，抗疲劳强度高。在实际工程中常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。
蠕墨铸铁	具有一定的韧性和较高的耐磨性、铸造性能和导热性。 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。
可锻铸铁	具有较高的强度、塑性和冲击韧性，常用来制造形状复杂、承受冲击和振动荷载的零件，如管接头和低压阀门等。

　　【例6】铸铁的基体组织是影响其性能的主要因素，受其影响的性能有( )。

　　A.硬度

　　B.韧性和塑性

　　C.抗压强度

　　D.耐磨性

　　【答案】ACD

　　【解析】铸铁与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，如磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，锰和硅都是铸铁中的重要元素，唯一有害的元素是硫。铸铁的组织特点是含有石墨，组织的其余部分相当于碳含量<0.80%钢的组织。铸铁的韧性和塑性主要决定于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。铸铁的其他性能也与石墨密切相关。基体组织是影响铸铁硬度、抗压强度和耐磨性的主要因素。

　　【例7】强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性;同时又有灰铸铁良好的铸造性能和导热性，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的铸铁是( )。

　　A.蠕墨铸铁

　　B.可锻铸铁

　　C.耐磨铸铁

　　D.耐蚀铸铁

　　【答案】A

　　【解析】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;同时又有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂经处理而炼成的，其方法和程序与球墨铸铁基本相同。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。

　　(二)有色金属材料

合金名称	主要特性
铝及其合金	密度小（ρ=2.7g/cm3），比强度高、耐蚀性好、导电、导热、反光性能良好、磁化率极低、塑性好、易加工成型和铸造各种零件
镁及其合金	密度小（ρ=1.7g/cm3）、比强度和比刚度高、能承受大的冲击荷载、有良好的机械加工性能和抛光性能。缺点：耐蚀性较差，缺口敏感性大。
铜及其合金	有优良的导电性和导热性、较好的耐蚀性和抗磁性、优良减摩性和耐磨性、较高的强度和塑性、高的弹性极限和疲劳极限、易加工成型和铸造各种零件
镍及其合金	有良好的力学性能、耐热性和耐蚀性好、具有特殊的电、磁和热膨胀性能
钛及其合金	耐低温性强，高温下活泼，540℃以下使用；常温下，抗蚀性强（除氢氟酸）
铅及其合金	熔点低、耐磨性好；耐蚀性高，对硫酸、磷酸、亚硫酸、铬酸和氢氟酸等则有良好的耐蚀性；塑性好、强度低。

　　【例8】(2014真题)具有良好的低温性能，可作为低温材料，常温下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，多用于化工行业，如500℃以下的热交换器。此种金属材料为( )。

　　A.铝及铝合金

　　B.钛及钛合金

　　C.镍及镍合金

　　D.铅及铅合金

　　【答案】B

　　【解析】钛在高温下化学活性极高，非常容易与氧、氮和碳等元素形成稳定的化合物，所以在大气中工作的钛及钛合金只在540℃以下使用;钛具有良好的低温性能，可做低温材料;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。