第一章　安装工程材料

第一节　建设工程材料

　　一般将工程材料按化学成分划分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。

　　一、金属材料

　　工业上把金属及其合金分为黑色金属材料和有色金属材料两大部分。

　　(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。

　　钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料。

　　钢中主要化学元素为铁，另外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧和氮等。根据使用性能和工艺性能的需要，在其生产过程中适量添加的合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等。

　　含碳量小于 2.11%(重量)的铁合金称为钢，大于 2.11%(重量)的称为生铁。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、脆性大且不易加工。

　　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。

　　钢材的力学性能(如抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等)取决于钢材的成分和金相组织。钢材的成分一定时，其金相组织主要取决于钢材的热处理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影响最大。

　　【例题】钢中含有碳、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%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

　　『正确答案』C

　　『答案解析』本题考查的是黑色金属。选项 A 错误，含碳量高的钢材强度高(当含碳量超过 1%时，钢材强度下降)，塑性小、硬度大且不易加工;选项 B 错误，硫、磷均为有害元素，含量较多就会严重影响钢材的塑性和韧性;选项 D 错误，锰为有益元素，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。参见教材 P2。

　　1.钢的分类和用途

　　(1)钢的分类：工程中，按化学成分分类，可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。

　　(2)钢牌号的表示方法

　　1)碳素结构钢和低合金结构钢的牌号通常由四部分组成：

　　第一部分：前缀符号+强度值(以 N/mm2或 MPa 为单位)，通用结构钢为代表屈服强度的拼音字母“Q”。

　　第二部分(必要时)：钢的质量等级，英文字母 A、B、C、D、E、F……表示。

　　第三部分(必要时)：脱氧方式，沸腾钢(F)、镇静钢(Z)、特殊镇静钢(TZ)。

　　第四部分(必要时)：产品用途、特性和工艺方法表示符号。锅炉和压力容器用钢—R，锅炉用钢-G，桥梁用钢—Q。

　　例：Q235AF：最小屈服强度 235MPa、质量等级为 A 级的沸腾钢;Q355ND：最小上屈服强度 355MPa、质量等级为 D 级、正火或正火轧制的低合金高强度结构钢。16Mn 钢，桥梁专用钢种为“16MnQ”，压力容器专用钢种为“16MnR”。

　　补充内容：Q195，Q215，Q235，Q275;Q345，Q390，Q420，Q460，Q500，Q550，Q620，Q690。

　　2)优质碳素结构钢牌号由五部分组成：

　　第一部分：二位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计);

　　第二部分(必要时)：较高含锰量的优质碳素结构钢，加锰元素符号 Mn;

　　第三部分(必要时)：钢材冶金质量，高级优质钢 A、特级优质钢 E、优质钢不用表示;

　　例：08F 表示碳含量为 0.085%～0.11%，锰含量为 0.25%～0.50%的沸腾钢;50MnE 表示碳含量为 0.48%～0.56%，锰含量为 0.70%～1.00%的特级优质镇静钢。中碳钢 40#，45#，50#。

　　3)合金结构钢牌号通常由四部分组成：

　　第一部分：二位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计);

　　第二部分：合金元素含量，以化学元素符号及阿拉伯数字表示。平均含量小于 1.50%时，牌号中仅

　　标明元素，一般不标明含量;平均含量为

　　1.50%～2.49%、2.50%～3.49%、3.50%～4.49%、4.50%～5.49%……时，在合金元素后相应写成2、3、4、5……

　　第三部分：钢材冶金质量，优质钢不用字母表示;

　　第四部分(必要时)：产品用途、特性或工艺方法表示符号。

　　(3)工程中常用钢及其合金的性能和特点。

　　1)碳素结构钢

　　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，某些性能如低温韧性和时效敏感性较差。

　　普通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。

　　Q195 钢强度不高，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等;

　　Q215 钢主要用于制作管坯、螺栓等;

　　Q235 钢强度适中，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。Q235 钢大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等;

　　Q275 钢强度和硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，主要用于制造轴类、耐磨零件和垫板等。

　　②优质碳素结构钢。含碳小于 0.8%的碳素钢，钢中所含硫、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，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。

　　2)低合金结构钢：Q345，Q390，Q420，Q460，Q500，Q550，Q620，Q690 八个强度等级。

　　①普通低合金钢：比碳素结构钢具有较高韧性，同时有良好焊接性、冷热压力加工性能和耐蚀性，部分钢种具有较低脆性转变温度。用于制造各种容器、螺旋焊管、建筑结构等;

　　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良好的特性，可用于建筑结构、化工容器和管道、起重机械和鼓风机等。

　　②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。形状复杂或截面尺寸较大或要求韧性高的淬火零件，一般为优质低合金钢。15MnVg，70Mn，20MnSiV。

　　【例题】碳素结构钢中，强度适中，具有良好的承载性，又具有较好的塑性、韧性、可焊性和可加工性，大量用来制成钢筋、型钢和钢板，此种钢的牌号为( )。

　　A.Q215

　　B.Q235

　　C.Q255

　　D.Q275

　　『正确答案』B

　　『答案解析』本题考查的是黑色金属。Q235 钢强度适中，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，大量制作成钢筋、型钢和钢板，用于建造房屋和桥梁等。参见教材 P5。

　　3)不锈耐酸钢

　　按使用状态的金相组织，不锈耐酸钢可分为铁素体、马氏体、奥氏体、铁素体加奥氏体和沉淀硬化型不锈钢五类。

　　①铁素体型不锈钢。铬是主加元素，通常含铬的质量分数≥13.00%。高铬钢(17.0%～30.0%Cr)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，在硝酸和氮肥工业中广泛使用，0Cr13 不锈钢在弱腐蚀介质中，如淡水中，也有良好的耐蚀性。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。

　　②马氏体型不锈钢。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，如海水、淡水和水蒸气中;在温度≤580℃的环境中使用，通常作为受力较大的零件和工具的制作材料。焊接性能不好，一般不用作焊接件。

　　③奥氏体型不锈钢。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。这类钢的屈服强度低，不能采用热处理方法强化，只能进行冷变形强化。

　　④铁素体-奥氏体型不锈钢。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。

　　⑤沉淀硬化型不锈钢。突出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。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。

　　【例题】与奥氏体不锈钢相比，马氏体型不锈钢的优点是( )。

　　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

　　『正确答案』A

　　『答案解析』本题考查的是黑色金属。马氏体型不锈钢具有较高的强度、硬度和耐磨性。奥氏体型不锈钢，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。参见教材 P6。

　　2.铸铁的分类和用途

　　铸铁是含碳量大于 2.11%的铁碳含金，含有较多量的硅、锰、硫和磷等杂质元素，杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，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。

　　(1)铸铁的分类

　　按碳存在的形式，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。

　　白口铸铁中的碳完全以渗碳体的形式存在，很难切削加工，主要作炼钢原料使用。硬度和耐磨性高，可以铸成表面为白口组织的铸件，如轧辊、球磨机的磨球等。白口铸铁属于耐磨铸铁。

　　(2)铸铁牌号的表示方法

　　(3)工程中常用铸铁的性能和特点(共 7 种)

　　2)球墨铸铁。抗拉强度远超灰铸铁，与钢相当。承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，重量更轻，并具有较好的耐疲劳强度。实际工程中常用球墨铸铁代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等，也可用于高层建筑室外进入室内给水的总管或室内总干管。

　　3)蠕墨铸铁。强度接近于球墨铸铁，具有一定韧性和较高耐磨性;又有灰铸铁良好铸造性能和导热性。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。具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。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。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低，质量稳定，处理工艺简单等优点。

　　【例题】石墨对铸铁的性能影响很大，影响铸铁韧性和塑性的最大因素是( )。

　　A.石墨的数量

　　B.石墨的大小

　　C.石墨的分布

　　D.石墨的形状

　　『正确答案』D

　　『答案解析』本题考查的是铸铁的分类和用途。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。参见教材 P7。

　　(二)有色金属材料

　　有色金属是指黑色金属以外的所有金属及其合金。

　　1.有色金属及其合金牌号表示方法

　　2.工程中常用有色金属的性能和特点

　　(1)铝及铝合金。

　　(2)铜及铜合金。纯铜呈紫红色，常称紫铜，主要用于制作电导体及配制合金。

　　(3)镍及镍合金。用于化学、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的比较理想的金属材料。

　　由于镍的标准电势大于铁，可获得耐蚀性优异的镍基耐蚀合金。镍力学性能良好，尤其塑性、韧性优良，能适应多种腐蚀环境。广泛应用于化工、制碱、冶金、石油等行业中的压力容器、换热器、塔器、蒸发器、搅拌器、冷凝器、反应器和储运容器等。

　　(4)钛及钛合金。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。

　　(5)铅及铅合金。铅对硫酸、磷酸、亚硫酸、铬酸和氢氟酸等有良好的耐蚀性。铅不耐硝酸的腐蚀，在盐酸中也不稳定。

　　(6)镁及镁合金。比强度和比刚度可以与合金结构钢相媲美，镁合金能承受较大的冲击、振动荷载，并有良好的机械加工性能和抛光性能。