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第一章 安装工程材料第一节 工程材料一、工程材料及其分类工程材料有各种不同的分类方法。一般都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。应用最广的是黑色金属。以铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的90%以上。黑色金属的工程性能比较优越，价格也较便宜，是最重要的工程金属材料。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、贵金、稀土金属和碱土金属。它们是重要的有特殊用途的材料。（二）非金属材料非金属材料也是重要的工程材料，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，它是炼钢、炼铁、熔化铁及其他冶炼炉和加热炉炉衬的基础材料之一。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，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。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，它们的耐蚀性能高于金属材料（包括耐酸钢和耐蚀合金），并具有较好的耐磨性和耐热性能，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、陶瓷材料陶瓷材料主要是以粘土为主要成分的烧结制品，它具有结构致密、表面平整光洁、耐酸性能良好等特点，常用的有日用陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、结构陶瓷和耐酸陶瓷等。（三）高分子材料高分子材料为有机合成材料，也称聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性和重量轻等优良性能，在工业上是发展最快的一类新型结构材料。高分子材料结构很多，工程上通常根据机械性能和使用状态分为三大类：1、塑料主要指强度、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，一般分为热塑性塑料和热固性塑料两种。2、橡胶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合成纤维指由单体聚合而成且强度很高，通过机械处理所获得的聚合物纤维材料。（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，其性能是其他单质材料所不具备的。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成。它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。二、常用工程材料当前常用的工程材料分类如表1.1.1所示。 表1.1.1常用的工程材料分类金属材料黑色金属铁、碳素钢、合金钢有色金属铝、铅、铜、镁和镍等及其合金非金属材料耐火材料耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土耐火隔热材料硅藻土、蛭石、玻璃纤维（矿渣棉）、石棉以及它们的制品耐蚀（酸）非金属材料铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等陶瓷材料日用陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、结构陶瓷和耐酸陶瓷等高分子材料橡胶天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等塑料聚四氟乙烯、ABS、聚丙烯、聚酚和聚乙烯等合成纤维聚脂纤维、含氯纤维和聚酰胺纤维等复合材料无机-有机材料非金属-金属材料其他复合材料玻璃纤维增强塑料、聚合物混凝土、沥青混凝土等；钢筋混凝土、钢丝网水泥、塑铝复合管、铝箔面油毡等；水泥石棉制品和不锈钢包覆钢板等（一）金属材料1黑色金属黑色金属一般是指钢铁材料，钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料，它们是以铁为基的合金。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。工程实际中用的钢和铸铁除含铁、碳以外，还含有其他元素，其中一类是杂质元素，如硫、磷、氢等；另一类是根据使用性能和工艺性能的需要，有意加入的合金元素，常见的有铬、镍、锰和钛等。铁碳合金中加入上述元素就成了合金钢或合金铸铁。（1）钢及其合金的分类和牌号表示方法。钢材具有很多重要的优良特性，如材质均匀、性能可靠；有高的强度和较好的塑性、韧性，可承受各种性质的载荷；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。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，这些少量元素对钢材性质影响很大。钢中的碳的含量对钢的性质有决定性的影响，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、磷为钢中的有害元素，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。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。钢的力学性能（如抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等）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、淬火加回火等，其中淬火加回火的影响最大。1）钢的分类。我国现行国家标准钢分类GB/T13304是参照国际标准ISO4948/1和ISO4948/2钢分类而制定的。为了便于选用，钢的一般分类如图1.1.1所示。图1.1.1 钢的分类在工程中更通用的分类为：按化学成分分类：可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。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。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GB/T2212000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：牌号中化学元素采用国际化学元素表示。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。钢铁产品中的主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。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Q195、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；脱氧程度如上所述，Z和ZT在表示钢的牌号时可以忽略。如Q235-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，数字代表含碳量的白分之几（以0.01%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0.45%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、钛等，它们可以使钢材的某些性质得到显著改善。低合金高强度结构钢原名为普通低合金钢。由于这类钢种的迅速发展，其生产工艺、化学成分、力学性能和用途均已超出普通低合金钢的范畴，故在新标准中更名为低合金高强度结构钢（GB/T-1591）。低合金高强度结构钢中合金元素含量的质量分数不超过5.0%，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，而且有较好的塑性、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。合金元素含量为1.50%-2.49%、2.50%-3.49%、3.50%-4.49%、4.50%-5.49%，相应的标注为2、3、4、5平均合金含量1.50%者，在牌号中只标出元素符号，不标注其含量。如30CrMnSi表示碳、铬、锰、硅平均含量分别为0.30%、0.95%、0.85%、1.05%的合金结构钢。高级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号“A”表示，如“30CrMnSiA”;特级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号“E”表示，如“30CrMnSiE”.3)工程中常用钢及其合金的性能和特点。碳素结构钢。碳素结构钢包括普通碳素结构钢（GB/T221）和优质碳素结构钢（GB/T221-2000）。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。碳素结构钢生产工艺简单，有良好的工艺性能（如焊接性能、压力加工性能等）、必要的韧性、良好的塑性以及廉价和易于大量供应，通常在热扎后使用。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应用。如Q195钢强度不高，塑性韧性加工性能和焊接性能较好，主要用于扎制薄板和盘条等；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，可焊接性和可加工性也好，是结构钢常用的牌号；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，主要用做铆接和栓接结构，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。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，主要用于制造载荷较大的机械零件。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。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。而低合金高强度结构钢的生产工艺与碳素结构钢类似，故低合金高强度结构钢的价格与碳素结构钢相近。低合金高强度结构钢的主要特点如下：Q295（09MnV、09MnNb）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-40低温压力容器等。合金结构钢。合金结构刚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。合金结构钢是合金钢中用量最多的一类钢，广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。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，形状复杂和截面尺寸较大和要求韧性高的淬火零件，一般为合金结构刚。合金结构刚的主要特点如下：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，切削加工性能尚可。用于制造高压容器、锅炉、大型高压管道等的焊接构件（工作温度不超过450-475），还用于制造冷扎、冷拉和冷冲压加工的零件，如齿轮和活塞销等。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。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。按不锈钢使用状态和金相组织，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。某些钢种还填加有铝、钛和硫等。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，故其在硝酸和氮肥工业中广泛使用。高铬铁素体不锈钢的特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0Cr13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。合是钢种的主要合金元素，钢在淬火回火状态使用，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，故一般不用做焊接件。c.奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素是铬和镍，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.铁素体奥氏体型不锈钢。这类刚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。其屈服强度越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。e.沉淀硬化型不锈钢。这类钢的突出优点是经沉淀硬化热处理后具有高的强度，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，如汽轮机零件。铸钢。铸钢具有较高的强度、塑性和韧性，可以铸成各种形状、尺寸和质量的铸钢件。某些冷热性能差或难切削加工的钢，则能由铸造成型。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）,第二组数字该钢的抗拉强度最低值（MPa），例如ZG200400。以化学成分表示的是合金钢铸钢牌号，即在ZG后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ZG15Cr1Mo1V。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相似，其韧性优于铸造碳素钢，可用作重要的铸钢件。如ZG35SiMnMo用于中等负荷或高负载的零件即耐磨零件，也可用于较大铸件。（2）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成。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，杂质在刚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，铸铁的主要特点是含有石墨，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。铸铁的塑性和韧性，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。按照石墨的形状特征，铸铁可分为灰口铸铁（石墨呈片状）、球墨铸铁（石墨呈球状）和可锻铸铁（石墨成团絮状）三大类。按照铸铁成分是否含有合金元素，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。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。同一名称铸铁需要细分时，取其细分特点的汉语拼音字母第一个大写字母排在后面。各种铸铁的名称代号和牌号如表1.1.2所示。表1.1.2 铸铁名称、代号和牌号铸铁名称代号牌号表示方法实例铸铁名称代号牌号表示方法实例灰口铸铁HTHT100耐磨铸铁MTMTCu1PTi150蠕墨铸铁RuTRuT380耐磨球墨铸铁MQTMQTMn6球墨铸铁QTQT40018耐蚀球墨铸铁STQSTQA15Si5黑心可锻铸铁KTHKTH30006耐热铸铁RTRTCr2白心可锻铸铁KTBKTB35004耐蚀铸铁STSTSi15R珠光体可锻铸铁KTZKTZ45006冷硬铸铁LTLTCrMoR 注：本表摘自现行国家标准铸铁牌号表示方法GB/T5612在牌号中一般不标注常规元素碳、硅、锰、硫和磷的符号，但当他们有特殊作用时才标注其元素符号和含量。合金元素的质量分数大于或等于1.0%时，用整数表示；小于1.0%时，一般不标注。只有当该合金元素有较大影响，才予以标注。合金元素按其含量递减次序排列，含量相同者，按元素字母的顺序排列。牌号中代号后面的一组数字表示抗拉强度值（如灰铸铁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QT40018），两组数字之间用“-”隔开。当牌号中标注了元素符号及含量还要标注抗拉强度时，抗拉强度值置于元素符号和含量之后，其间用“-”隔开。铸铁牌号示例。 3）工程中常用铸铁的性能和特点。灰口铸铁。灰口铸铁的组织由石墨和基体两部分组成。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。因此铸铁的组织可以看成钢基体上分布着石墨。灰口铸铁包括普通灰口铸铁和孕育铸铁两种。灰口铸铁价格便宜、应用最广泛，在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占80.0%以上。影响灰口铸铁的组织和性能的因素主要是化学成分和冷却速度。灰口铸铁中的碳、硅含量一般控制在碳2.5%4.0%，硅1.0%3.0%。球墨铸铁。球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合机械性能接近于钢，因铸造性能很好、成本低廉生产方便，在工业中得到了广泛的应用。球墨铸铁的成分要求比较严格，与灰口铸铁相比，它的含碳量较高，通常在4.5%4.7%的范围内变动，以利于石墨球化。球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰口铸铁，而与钢相当。因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还要节省材料，而且重量更轻。不同基体的球墨铸铁，性能差别很大，球墨铸铁具有较好的疲劳强度，实验表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过了45#钢。在实际应用中，大多数承受动载的零件是带孔或带台肩的，因此用球墨铸铁来代替钢来制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。蠕墨铸铁。蠕墨铸铁是近十几年发展起来的一种新型高强铸铁材料。它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。蠕化剂目前主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套钢锭摸和液压阀等铸件。可锻铸铁。可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。按退火方法不同，这种铸铁有黑心和白心两种类型。黑心可锻铸铁依靠石墨化退火来获得；白心可锻铸铁利用氧化脱碳退火来制取。可锻铸铁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。这些零件用铸钢生产时，因铸造性能不好，工艺上困难较大，而用灰口铸铁时，又存在性能不能满足要求的问题。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、工艺处理简单等优点。尤其对于薄壁件，球墨铸铁还容易生成白口，需要进行高温退火，这时采用可锻铸铁更为适宜。耐磨铸铁。在铸铁中加入某些合金元素而得到。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。白口铸铁就属这类耐磨铸铁。但白口铸铁脆性较大不能承受冲击载荷，因此在生产上常采用激冷的办法来获得耐磨铸铁。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、坩埚、热处理炉内的运输链条等。在灰口铸铁中加入铝、硅和镉等元素，一方面在铸件表面形成致密的氧化膜，阻碍继续氧化；另一方面提高了铸铁的临界温度，使基体变为单项铁素体，不发生石墨化过程，因此铸铁的耐热性得到改善。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。在铸铁中加入硅、铬、铝、钼、铜和镍等元素，在铸件表面形成保护膜，或使基体电极电位升高，可以提高铸铁的耐蚀性能。常用耐蚀铸铁有高硅、高硅钼、高铝和高铬等耐蚀铸铁。2.有色金属铁基合金以外的金属统称为有色金属，其种类繁多，性能多样，与钢铁比较，其突出的优良性能主要在物理性能和化学性能方面。常用的有色金属主要特性如表1.1.3所示。如表1.1.3 常用的有色金属主要特性合金名称主要特性铝及其合金密度小（=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类零件镁及其合金密度小（=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，对有机酸、碱类和液体燃料有较高的耐蚀性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、优良的减磨性和耐磨性、有较高的强度和塑性、高的弹性极限和疲劳极限、易加工成型和铸造各类零件镍及其合金有高的力学性能和耐热性、耐蚀性好，具有特殊的电、磁和热膨胀性能钛及其合金密度小（=4.5g/cm3）、比强度高、高温强度高、硬度高、耐蚀性优良铅及其合金熔点低、耐磨和减磨性能好、耐蚀性高、抗X射线和射线穿透能力强、塑性好、强度低（1）有色金属及其合金牌号表示方法如表1.1.4所示。产品种类牌号表示方法产品名称牌号黄铜用“H”加基元素铜的含量表示，三元以上黄铜用“H”加第二个主加元素符号及除鋅以外的成分数字组表示68黄铜591铅黄铜772铅黄铜H68HPb591HAl77-2青铜用“Q”加第一个主加元素符号及除基元素铜以外的成分数字组表示6.50.1锡青铜1.9铍青铜QSn6.50.1QBe1.9白铜用“B”加镍含量表示，三元以上白铜用“B”加第二个主加元素符号及除基元素铜以外的成分数字组表示312锰白铜3011铁白铜1520锌白铜BMn312BFe3011BZn15-20镍合金用“N”加第一个主加元素符号及除基元素镍以外的成分数字组表示9镍铬合金0.19镍硅合金NCr9NSi0.19钛及其合金用“T”加金属或合金组织类型的字母及顺序号表示，A、B、C分别表示型、型和+型钛合金1号型钛5号型钛合金4号+型钛合金TA1TA5TC4铝合金用“L”加合金组织类型的汉语拼音字母及顺序符号表示2号防锈铝4号超硬铝LF2LC4镁合金用“M”加表示变形加工的汉语拼音字母“B”及顺序号表示2号变形镁合金MB2其他合金除上述合金外的其他合金用基元素的化学元素符号加第一个主加元素符号及除基元素外的成分数字组表示2铅锑合金13.5-2.5锡铅合金 1.5锌铜合金PbSb2SnPb13.5-2.5 ZnCu1.5注：摘自国家现行标准变形铝及铝合金化学成分GB/T3190（2）工程中常用有色金属的性能和特点。1）铝及其合金。铝及其合金在采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比一般高强钢高得多。铝及其铝合金在电气工程、一般机械和轻工业中都有广泛的用途。纯铝材料按纯度可分为三类，有高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝。工业纯铝纯度为98.0%-99.0，牌号有L1、L2、L3、L4、L5五种，编号越大，纯度越低。工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。纯铝的强度很低，不能作为结构材料使用。铝合金是在铝中加入合金元素后，可获得较高的强度，并保持良好的加工性能。许多铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅地改善性能。因此铝合金可用于制造承受较大荷载的机器零件和构建。按照制造工艺，铝合金还可分为变形（加工）铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金等。a.防锈铝合金（LF）。防锈铝合金中主要合金元素是锰和镁。锰的主要作用是提高抗蚀性能，并起固溶强化作用。防锈铝合金抗蚀性能高，塑性和焊接性好，但因太软而切削加工性能不良。主要用于焊接件、容器、管道以及承受中等荷载的零件和制品，也可用作铆钉。b.硬铝合金（LY）.硬铝合金为Ai-Cu-Mg系合金。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、冲压件和螺旋桨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。c.超硬铝合金（LC）超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金，是强度最高的一类铝合金。但这类合金的抗腐蚀性较差，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。d.锻铝合金（LD）。锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。有良好的热塑性Al-Mg-Zn-Cu铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。这类合金主要用于承受重荷载的锻件和模锻件。铸造铝合金（ZL）分为Al-Si铸造铝合金、Al-Cu铸造铝合金、AL-Mg铸造铝合金和AL-Zn铸造铝合金。2）铜及其合金。纯铜呈紫红色，常称紫铜，主要用于制作电导体及配制合金。根据杂质含量的不同，工业纯铜分为T1、T2、T3、T4四种。编号越大，纯度越低。纯铜的强度低，不宜用作结构材料。在铜中加入合金元素后，可获得较高的强度，同时保持纯铜的某些优良性能。一般铜合金分为黄铜、青铜和白铜三大类。黄铜（H）。以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。按照化学成分，黄铜分普通黄铜和复杂黄铜两种。为了获得更高的强度、抗腐蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加入铝硅锰镍等元素，形成各种复杂黄铜，如铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铁黄铜和镍黄铜等。铅黄铜主要用于要求良好切削性能和耐磨性能的零件，铸造铅黄铜可以制造轴瓦和衬套；锡黄铜广泛用于制造海船零件；铝黄铜可制作海船零件及其他机器的耐蚀零件，还可用于制造大型蜗杆、海船用螺旋桨等重要零件；硅黄铜中硅显著提高了黄铜的机械性能、耐磨性和耐蚀性，硅黄铜主要用于制造船舶及化工机械零件；锰黄铜常用于制造海船零件及轴承等耐磨件；铁黄铜可制造受摩擦及海水腐蚀的零件；镍黄铜在造船和电机制造工业中广泛应用。青铜（Q）。青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝硅铅铍锰等的铜基合金为青铜，包括有锡青铜、铝青铜、铍青铜和硅青铜等。如锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用，主要制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件，以及抗腐蚀、抗磁零件等；铝青铜可制造齿轮、轴套和涡轮等在复杂条件下工作的高强度抗磨零件，以及弹簧和其他高耐蚀性弹性元件；铍青铜主要用于制作精密仪器的重要弹簧和其他弹性元件、钟表齿轮、高速高压下工作的轴承和衬套等耐磨零件，以及电焊机电极、防爆工具和航海罗盘等重要零件；硅青铜用于航空工业，硅青铜可制作弹簧、齿轮、涡轮、蜗杆等耐蚀和耐磨零件。3）镍及其合金。镍基镍合金是化学、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的比较理想的金属材料。由于镍的标准电位大于铁，可获得耐蚀性优越的镍基耐蚀合金。镍力学性能良好，尤其塑韧性优良，能适应多种腐蚀环境。多用于食品加工设备、化学品装运容器、电气与电子部件、处理苛性碱设备、耐海水腐蚀设备和换热器，如海船中的阀门、泵、轴、夹具和紧固件等，也常用于制作接触浓CaCl2 溶液的冷冻机零件以及化学加工设备、石油炼制设备，特别是发电厂给水加热器的管子等。4）钛及其合金。钛有许多优异的性能是其他材料所不及的，且资源丰富，储量仅次于铝、铁和镁，成为四大元素之一。钛合金不仅在飞机、导弹、航天和舰船等方面广泛应用，而且也正向民用领域推广。钛在高温下化学活性极高，非常容易和氧、氮和碳等元素形成稳定的化合物。工业纯钛中的杂质主要是氧、氮、氢和碳。但由于钛在高温下极不稳定，易氧化或氢化，所以在大气中工作的钛及其合金仅在540以下具有良好的耐热性；钛具有良好的低温性能，可作为低温材料，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。工业纯钛的棒材、板材和挤压型材用于飞机、船舶和化工等行业，制造各种耐蚀、500以下耐热零件，如热交换器等。5）铅及其合金。在铅中加入锑、铜、锡和砷等元素，可提高铅的再结晶温度、细化晶粒，提高硬度和强度等，并保持合金的良好耐蚀性。硬铅的密度比铅高，可作为结构材料，在化工防腐蚀设备中被广泛应用，但硬铅的耐腐蚀性比纯铅略有降低。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。铅与硫酸作用时，在其表面产生一层不溶解的硫酸铅，它可保护内部铅不再被继续腐蚀。铅不耐硝酸的腐蚀，在盐酸中也不稳定。6）镁及其合金。主要特性是密度小、化学活性强、强度低。纯镁强度低，不能用于结构材料，主要用镁合金。镁合金是以镁为基体材料，添加少量合金元素铝锰锌锆和铍等可以提高镁合金的强度，其中铝和锌是主要的合金元素。锰可提高合金的耐蚀性，锆可细化铸造合金的晶粒和提高抗热裂倾向，稀土金属除有类似锆的作用外，还可以改善合金的铸造性能、焊接性能、耐热性和消除应力腐蚀倾向。镁合金的优良性能是相对密度小，因而其强度虽然不高，但是它的比强度和比刚度却可以和合金结构钢相媲美，故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荷载，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。按照制造工艺，镁合金可分为加工镁合金和铸造镁合金两类。（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和分类：1）耐火材料的主要性能指标。耐火度。耐火度是耐火材料受热后软化到一定程度的温度。耐火度高，表示耐火材料承受高温作用的能力强。他不是材料的熔化温度，也不是材料的许用温度。耐火材料的耐火度通常高于1580。荷重软化温度。荷重软化温度是耐火材料在给定负荷（例如20MPa）作用下，以给定速度加热到试样开始塑性变形或产生给定变形量的温度，又称为材料的荷重软化点。荷重软化温度越高，则材料的高温强度越好。粘土耐火砖的耐火度约为1730，荷重软化温度约为1350，而它的长期使用温度约为1000左右。高温化学稳定性。高温化学稳定性是耐火材料抗炉气和炉料腐蚀的能力。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。抗压强度要好。密度和比热容。密度和比热容要小，这样可以减少耐火材料加热时吸收的热量，使加热速度加快，但是密度小时，耐火材料的强度较低。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。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；按材料密度，分为重质耐火材料和轻质耐火材料；按耐火材料的主要化学成分，分为粘土砖、高铝砖、硅砖、氧化铝转、石墨和碳制品以及碳化硅制品等。普通耐火材料是用量最多，应用面最宽的耐火材料。如多数炼铁高炉、炼钢炉、加热炉的炉衬，均采用这类耐火材料砌成。耐火水泥及混凝土。低钙铝酸盐耐火水泥是用优质铝矾土和石灰石，按一定比例配合经烧结、磨细制成。低钙铝酸盐水泥与耐火砖细块掺和，可制成耐火混凝土，用于某些高温窖炉和加热炉的内衬；也可与轻质耐火砖细块掺和制成耐火隔热材料，或与石棉掺和制成石棉耐火水泥制品。耐火混凝土与普通耐火砖比较，具有施工简单、廉价和炉衬整体密封性强等优点，但强度较低。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，又称为耐火保温材料。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、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。硅藻土耐火隔热保温材料是目前应用最多、最广的耐火隔热保温材料。硅藻土耐火保温砖、板、管，具有气孔率高、耐高温及保温性能好、密度小等特点。使用这种材料，可以减少热损失、降低燃料消耗、减薄炉墙厚度、减轻炉体质量、降低工程造价、缩短窖炉周转时间、提高生产率，而且还有用于900以下热工设备保温时永不变质等优点。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窖炉、锅炉、炉墙中层的保温绝热方面。硅藻土管广泛用于各种石油、化工、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。它形似棉花，呈白色纤维状，具有密度小、耐高温、热稳定性好、热导率低、比热容小、抗机械振动好、体胀系数小和优良的隔热性能。因此，硅酸铝耐火纤维及其制品（毡板砖管等）和复合材料，广泛用于冶金、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是用硅藻土、石灰、石棉和水玻璃等混合材料压制而成。其表观密度小、强度高、传热系数低且不燃烧、不腐蚀、无毒和无味，可用于高温设备热力管道的保温隔热工程。（4）矿渣棉制品。可用作保温、隔热和吸声材料。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。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.铸石是以辉绿岩、玄武岩、页岩等天然岩石为主要原料,经溶化、浇注、结晶、退火而成的一种硅酸盐结晶材料.铸石具有极优良的耐磨和耐化学腐蚀性、绝缘性及较高的抗压性能.其耐磨性能比钢铁高十几倍至几十倍.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,但脆性大、承受冲击荷载的能力低.因此,在要求耐蚀、耐磨或高温条件下,当不受冲击振动时,铸石是钢铁(包括不锈钢)的理想代用材料,不但可节约金属材料、降低成本,而且能有效地提高设备的使用寿命.可用铸石加工生产各类板材、管材、异型和特型材,也可用铸石粉制作铸石复合制品和调制耐酸胶泥.采用铸石粉调制的胶泥吸水性小、收缩性小、耐腐蚀性能高和粘结力强.(2)石墨.按来源不同可分为天然石墨和人造石墨.防腐材料中应用的主要是人造石墨.人造石墨经过不透性处理,即通过浸渍、压型浇注等方法制的的新型结构材料称为不透性石墨.它不仅具有高度的化学稳定性,还具有极高的导热性能.石墨材料具有高熔点(3700),在高温下有高的机械强度.当温度增加时,石墨的强度随之提高.石墨在3000以下具有还原性,并且在中性介质中有很好的热稳定性.在急剧改变温度的条件下,石墨比其他结构材料都稳定,不会炸裂破坏,石墨的导热系数比碳钢大2倍多,所以,石墨材料常用来制造传热设备.石墨具有良好的化学稳定性.除了强氧化性的酸(如硝酸、铬酸、发烟硝酸和卤素)之外,在所有的化学介质当中都很稳定,甚至在熔融的碱中都很稳定.不透性石墨作为耐腐蚀的非金属无机材料,用于制造各种类型的热交换器、盐酸合成炉、膜式吸收器、管道、管件、阀门、塔及附件、泵类以及衬里用的砖板等.(3)玻璃.按形成玻璃的氧化物分为硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等,其中硅酸盐玻璃是应用最为广泛的玻璃品种.硅酸盐玻璃的化学稳定性很高,抗酸性强,组织紧密而不透水,但它若长期在某些介质作用下,也会受侵蚀.玻璃长时期在温水或水汽作用下,能使硅酸盐水解,玻璃表面分离出二氧化硅凝胶和苛性碱,是玻璃浑浊变色、表面粗糙.硅酸盐玻璃具有较好的光泽和透明度、化学稳定性和热稳定性好(石英玻璃使用温度达（1000-1100)、机械强度高（如块状玻璃的抗压强度约为600-1600MPa,玻璃纤维抗拉强度约为1500-4000MPa）、硬度大（莫氏硬度为5.5-6.5）和电绝缘性强，但不耐氢氟酸、热磷酸和热浓碱液的腐蚀。一般用作制造化学仪器和高级玻璃制品、无碱玻璃纤维、耐热用玻璃和绝缘材料等。(4)天然耐蚀石料。天然耐蚀石料的组成含二氧化硅的质量分数一般大于55%，且其含量越高耐酸性能越好。含氧化镁、氧化钙的质量分数在50%以上的石料，有较好的或好的耐碱性能，但不耐酸侵蚀。而某些耐酸石料含二氧化硅虽然很高，由于结构致密也能耐碱侵蚀。如花岗岩强度高、耐寒性好，但热稳定性较差；石英岩强度高、耐久性好、硬度高、难以加工；辉绿岩及玄武岩密度高、耐磨性好、脆性大、轻度极高、加工较难；石灰岩热稳定性好、硬度较低。(5)水玻璃型耐酸水泥。具有能抗大多数无机酸和有机酸腐蚀的能力，但不耐碱。水玻璃型耐酸水泥是将耐酸填料(一般采用石英岩、熔融辉岩或陶瓷碎片)和硬化剂(一般采用氟硅酸钠)，按适当配比粉磨后再混合均匀制得的粉状物料。使用时再用适量的水玻璃溶液搅匀，能在空气中硬化，具有抵抗大多数无机酸和有机酸腐蚀的能力。用于硫酸、盐酸、磷酸(除30以上热磷酸)、醋酸、氯气、二氧化硫、三氧化硫、蚁酸和草酸等生产设备。4陶瓷材料陶瓷材料属于硅酸盐材料。目前陶瓷的应用已渗透到各类工业、各种工程和各个技术领域。陶瓷材料有着许多区别于其他材料的物理化学性能。比如高温化学性能、超硬的特点和极好的耐腐蚀性能。(1)陶瓷材料的分类。工程陶瓷材料的分类如图1.1.2所示。它们可用于制造某些工业零件、构件和工具。陶瓷的种类很多，但缺乏统一的分类方法，按照习惯，陶瓷一般分为普通陶瓷和新型陶瓷两大类。图1.1.2 工程陶瓷材料分类(2)常用的陶瓷材料。在工程中常用的陶瓷材料有电气绝缘陶瓷、化工陶瓷、结构陶瓷和耐酸陶瓷等。如耐酸陶瓷制品，具有结构致密、表面平整光洁、耐酸性能良好、形状种类繁多(砖板罐管及其他)和使用范围广等优点，但性脆、抗冲击能力差、急冷急热时易开裂。从表面是否施釉可分为无釉耐酸陶瓷制品和带釉耐酸陶瓷制品两种。从使用功能上耐酸陶瓷制品可分为耐酸瓷砖、耐酸瓷板、耐酸瓷粉、耐酸陶砖、耐酸陶板和耐酸陶管。耐酸瓷砖、耐酸瓷板具有结构致密、气孔率低和吸水率较小等优点。耐酸陶砖、耐酸陶板和耐酸陶管气孔率和吸水率较大，强度和耐酸性低于瓷制品，表面较粗糙，主要用于铺地面、砌沟槽和储罐及其容器。（三）高分子材料1.高分子材料的基本概念高分子材料具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性能、很好的绝缘性和重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。高分子材料一般分天然和人工合成两大类。天然高分子材料有蚕丝、羊毛、纤维素和橡胶以及存在于生物组织中的淀粉和蛋白质等。工程上的高分子材料主要是人工合成的各种有机材料，通常根据机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和合成纤维三大类。人工合成的高分子材料，就是把低分子材料(单体)聚合起来所形成的。其聚合工程称为聚合反应。最常用的聚合反应有加成聚合反应(简称加聚反应)和缩合聚合反应(简称缩聚反应)两种。聚合后后材料的分子量多数在5000-1000000之间。一般把分子量大于5000的定为高分子材料。常用的加聚树脂有聚乙烯(PE) 、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、ABS树脂、聚醋酸乙烯(PVAC)、聚丙烯(PP)和聚甲基丙烯酸碱甲酯(PMMA)等。常用的缩聚树脂有酚醛树脂(PF)、脲醛树脂(UF)、环氧树脂(EP)、不饱和聚酯树脂(UP)和聚酯树脂(PES)等。2高分子材料的基本性能及特点(1)质轻。密度平均为1.45g/cm2,约为钢的1/5、铝的1/2。(2)比强度高。接近或超过钢材，是一种优良的轻质高强材料。(3)有良好的塑性。即高分子材料在断裂前能吸收较大的能量。(4)减磨和耐磨性好。有些高分子材料在无润滑和少润滑的摩擦条件下，它们的耐磨、减磨性能是金属材料无法比拟的。(5)电绝缘性好。可与陶瓷、橡胶媲美。(6)耐蚀性。化学稳定性好，对一般的酸、碱、盐及油脂有较好的耐腐蚀性。(7)导热系数小。如泡沫塑料的导热系数只有0.02-0.046W/(m*K)，约为金属的1/1500，是理想的绝缘材料。(8)易老化