建设工程技术与计量

建设工程技术与计量

第一章安装工程材料

第一节工程材料

一、工程材料极其分类

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）、石棉以及以此为原料生产的制品。

（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

高分子材料为有机合成材料，也称聚合物。

特性是：较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性能、很好的绝缘性能、重量轻等优良性能。

（1）塑料。一般指工程中强度、韧性和耐磨性较好，可制造某些机器零件或构件的工程塑料。

分热塑性塑料和热固性塑料两种。

——热塑性塑料

加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酪，聚酰胺、丙烯酸类塑料等都是热塑性塑料。热塑性塑料中树脂分子链都是线型或带支链的结构，分子链之间无化学键产生，加热时软化流动，冷却变硬的过程是物理变化。

——热固性塑料

第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。

正是借助这种特性进行成型加工，利用第一次加热时的塑化流动，在压力下充满型腔，进而固化成为确定形状和尺寸的制品。这种材料称为热固性塑料。

（2）橡胶。工程中通常指经硫化处理后弹性特别优良的聚合物，有通用橡胶和特种橡胶两种。

（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。

材料复合的目的是使为达到某种性能，如新材料的强度、刚度或耐蚀性能方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物优越。

二、常用工程材料的性能和特点

（一）金属材料

1、黑色金属

——黒色金属包括钢和生铁，区别是：

(1)含碳量小于2.11%(重量)的合金称为钢；而含碳量大于2.11%(重量)的合金称为生铁。

(2)钢及其合金的分类和牌号表示方法。

(1)钢材特性

高的强度和较好的塑性、韧性,可承受各种性质的荷载；

具有优良的可加工性：可焊、可铆、可制成各种形状的型材和零件。

(2)钢中主要化学元素对钢材性质影响

——钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响

含碳量低，钢的强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，钢质较软，易于冷加工、切削和焊接；

含碳量高,钢的强度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工。

——硫、磷、氢为钢中有害元素,含量稍多会严重影响钢的塑性和韧性,

磷使钢显著产生冷脆性；硫则产生热脆性；氢使钢产生氢脆，断口处呈现“白点”。——硅、锰为有益元素,它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。

(3)钢的力学性能：抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等，决定于钢的成分和金相组织。钢的成分一定时，其金相组织主要决定于钢的热处理，如退火、正火（冷却速度快于退火）、淬火加回火（调质）等，其中淬火加回火的影响最大。

(4)钢的分类

我国现行国家标准《钢分类》gⅳ/tl3304是参照国际标准1so4948/1和1so4948/2钢分类而制定的。

在工程中更通用的分类为:

①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:

a.普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳素钢；

b.普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢；

c.普通合金钢、优质合金钢和特殊质量合金钢。

(5)钢牌号的表示方法

按照国家标准《钢铁产品牌号表示方法》gb/t 221一2000的规定,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:

①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；

——炭素结构钢按现行国家标准《碳素结构钢》(gb/t700)规定，碳素结构钢牌号由代表屈服点的字母“q”、屈服点等级、质量等级和脱氧程度四部分按顺序组成：

屈服点数值共分为ql95、q215、q235、q255和q275n/mm2五种；

质量等级以硫、磷杂质含量多少,分别用a、b、c、d符号表示；

如q235一af表示屈服点为235n/mm2、质量等级为a的沸腾钢。

——优质碳素钢的牌号以两位数字表示，数字代表含碳量的百分之几(以0.ol%为单位), 如钢号为20,表示平均含碳量为0.20%的优质碳素钢；

钢号为45,表示平均含碳量为o.45%的优质碳素钢。

——合金钢是在炼钢过程中人为地加入一种或几种合金元素而制成，常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钛和钒等,它们可使钢材的某些性质得到显著改善。

低合金高强度结构钢合金元素含量的质量分数不超过5.o%，一般不大于3.0%。低合金高强度结构钢以屈服点等级为主,划分为五个牌号,其表示方法如下:屈服点等级加质量等级。

屈服点等级:q295、q345、q390、q420和q460。

质量等级:e、d、c、b、a。

由于合金元素的强化作用,使低合金结构钢不但具有较高的强度,且具有较好的塑性、韧性和可焊性。低合金高强度结构钢主要用于焊接结构,其制造工艺主要是冷、热压力加工和焊接。

合金结构钢的牌号按下列规则编制:用两位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计),标注在牌号头部。

范例１：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

范例２：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

范例３：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

范例４：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-af b．f235-at c．gb／q235-af d．q235-af

答案：d

(6)工程中常用钢及其合金的性能和特点

①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。

如：

——ql95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钢大量用作管坯、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；

——q255钢强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工,可焊性较差，主要用作铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋；

——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、农具、耐磨零件和垫板等。

②优质碳素结构钢

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。

根据含碳量的不同，优质碳素钢分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

——低碳钢强度和硬度低,但塑性和韧性高,压力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。常用调质钢为40#、45#和50#钢。但由于碳素钢的淬透性不高，零件的尺寸越大，调质处理的强化效果越差，因此只有中、小型零件采用调质处理才能获得较好的强化效果。

③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。

——q295(o9mnv,o9mnnb)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；

——q295(12mn)具有良好的综合力学性能、焊接性能、冷弯性能和冷热压力加工性能,

已大量用于制造低压锅炉、车辆、容器、油罐和造船等焊接结构；

——q345(18nb)综合力学性能和低温冲击韧性良好,焊接性能和冷热压力加工性能良好,用于建筑结构、化工容器、管道、起重机械和鼓风机等；

——q345(16mn)具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性、冷冲压、切削加工性、焊接性能等，但缺口敏感性较大，广泛用于受动荷载作用的焊接结构,如桥梁、车辆、船舶、管道、锅炉、大容器、油罐、重型机械设备、矿山机械和低温压力容器等。

④合金结构钢

合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上加入适量的一种或数种合金元素而形成的,它的

综合力学性能优于优质碳素结构钢。

当零件的形状复杂、截面尺寸较大、要求韧性高时,采用合金结构钢可使复杂形状零件的淬火变形和开裂倾向降到最小。因此,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。

合金结构钢的主要特性如下:

——20mnv钢可以代替20cr,20crni钢使用,其强度、韧性及塑性均优于15cr和20mn2,淬透性也好,切削加工性尚可。用于制造高压容器、锅炉、大型高压管道等的焊接构件。

——20simnvb具有良好的综合力学性能,低温冲击韧性较好,宜于渗碳后直接淬火,渗碳淬火后缺口强度、韧性和抗弯强度均较好,常用以代替20crmnti,20crmnmo钢，用于制造较高荷载、强度和耐磨性或高速冲击的渗碳零件和非渗碳零件,如齿轮轴、齿圈、齿轮、主轴、蜗杆和离合器(机床用)等。

⑤不锈耐酸钢

不锈耐酸钢简称不锈钢。它是指在空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质中具有高稳定性的钢种。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:

a.铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主要合金元素,通常含铬量的质量分数大于或等于13.00%，不含镍。某些钢种还添加有铝、钛和硫等。

高铬钢(17.0%一30.0%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,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。如0crl3不锈钢在弱腐蚀介质中,如淡水中,有良好的耐蚀性。

b.马氏体型不锈钢。铬是钢中的主要合金元素,钢在淬火一回火状态使用,有较高的强度、硬度和耐磨性。

通常用在弱腐蚀性介质,如海水、淡水和水蒸气等中,使用温度小于或等于580０ｃ,通常作为受力较大的零件和工具的制作材料,

马氏体型不锈钢由于此钢焊接性能不好,故一般不用作焊接件。

c.奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬和镍,其次是钛、铌、钼、氮和锰等。

此钢具有奥氏体组织,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。

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。

d.铁素体一奥氏体型不锈钢。这类钢是在奥氏体不锈钢基础上,添加更多的铬、钼和硅等有利于形成铁素体的元素,或降低钢的含碳量而获得的。

铁素体一奥氏体型不锈钢其屈服强度约为奥氏体型不锈钢的2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。

范例：（）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：a

ｅ．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。

⑥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。

ａ．碳素钢铸钢。根据现行国家标准《铸钢牌号表示方法》gb/t5613,铸钢牌号有两种表示方法,即以强度表示的铸钢牌号和以化学成分表示的铸钢牌号。

以强度表示的是碳素钢铸钢牌号,即在zg后面加两组力学性能数字,第一组数字表示该钢的屈服强度最低值(mpa),第二组数字表示该钢的抗拉强度最低值(mpa),

例如：zg200一400。

以化学成分表示的是合金钢铸钢牌号,即在zg后面依次加上表示铸钢的名义万分含碳量及合金元素的名义百分含量,

例如zgl5crlmolv。

ｂ．低合金钢铸钢。根据国家现行标准《大型低合金钢铸件》jb/t6402低合金钢铸钢牌号表示方法,以化学成分表示低合金钢铸钢牌号,即在zg后面依次加上表示铸钢的名义万分含碳量及合金元素的名义百分含量,

例如zg35crmnsi。

铸造低合金钢的化学成分质量分数与合金结构钢相似,其力学性能与铸造碳素钢类似,其韧性优于铸造碳素钢,可用作重要的铸钢件。如 zg35simnmo用于中等负载或高负载的零件及耐磨零件,也可用于较大铸件。

(3)铸铁的分类和牌号表示方法。

铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金,并且还含有较多量的硅、锰、硫和磷等元素。它具有生产设备和工艺简单、价格便宜等优点。

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、吸振性和低的缺口敏感性等。

(1)铸铁的分类

铸铁是铁碳合金的一种,与钢相比,其成分特点是碳、硅含量高,杂质含量也较高。但是,杂质在钢和铸铁中的作用完全不同,如磷在耐磨磷铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素,锰、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的质量分数小于0.80%钢的组织,故称铸铁的组织为石墨加钢的基体。

石墨对铸铁的影响：

——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。

范例：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

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。

(2)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牌号中代号后面的有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两组数字之间用“－”隔开。

如：球墨铸铁qt400－18

(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。

范例: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：acd