一级建造师《机电工程》教材知识点：1H411011常用金属材料的类型及应用

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　　金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。机电工程常用的金属材料主要是制造各种大型金属构件的用钢，如建筑、机电、冶金、石化、电力以及锅炉压力容器、压力管道等工程的用钢。本条主要知识点是：黑色金属材料的类型及应用;有色金属材料的类型及应用。

　　一、黑色金属材料的类型及应用

　　(一)碳素结构钢

　　1.碳素结构钢的分级。碳素结构钢又称为普碳钢，在国家标准《碳素结构钢》GB/工700--2006中，按照碳素结构钢屈服强度的下限值将其分为四个级别，其钢号对应为Q195,Q215,Q235和Q275，其中Q代表屈服强度，数字为屈服强度的下限值，数字后面标注的字母A、B、C、D表示钢材质量等级，即硫、磷质量分数不同，A级钢中硫、磷含量最高，D级钢中硫、磷含量最低。

　　2.碳素结构钢的特性及用途

　　(1)Q195,Q215,Q235A和Q235B塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等;Q235C,Q235D可用于重要的焊接件;Q235和Q275强度较高，通常轧制成型钢、钢板作构件用。

　　(2)碳素结构钢具有良好的塑性和韧性，易于成型和焊接，常以热轧态供货，一般不再进行热处理，能够满足一般工程构件的要求，所以使用极为广泛。

　　例如，机电工程中常见的各种型钢、钢筋、钢丝等，优质的碳素钢还可以制成钢丝、钢绞线、圆钢、高强螺栓及预应力锚具等。

　　例如，武汉长江大桥是使用碳素结构钢Q235制造的。

　　(二)低合金结构钢

　　1.低合金结构钢的分级。低合金结构钢也称为低合金高强度钢，按照国家标准《低合金高强度结构钢》GB/T 1591--2008，根据屈服强度划分，其共有Q345,Q390、Q420,Q460,Q500,Q550,Q620和Q690八个强度等级。

　　2.低合金结构钢的特性及用途

　　(1)低合金结构钢是在普通钢中加入微量合金元素，而具有高强度、高韧性、良好的冷成形和焊接性能、低的冷脆转变温度和良好的耐蚀性等综合力学性能，如，Q345强度比普碳钢Q235高约20%～30%，耐大气腐蚀性能高20%～38%，用它制造工程结构，重量可减轻20%～30%。

　　(2)低合金结构钢主要适用于桥梁、钢结构、锅炉汽包、压力容器、压力管道、船舶、车辆、重轨和轻轨等制造，用它来代替碳素结构钢，可大大减轻结构质量，节省钢材。

　　例如，2008年北京奥运会主会场一国家体育场“鸟巢”钢结构总重为4.6万工，最大跨度343m，所用的钢材就是Q460，屈服强度为460MPa，是由我国自主研发生产的，这是国内在钢结构上首次使用Q460钢材，这次使用的钢板厚度达到ll0mm。

　　例如，某600MW超超临界电站锅炉汽包使用的就是Q460型钢;机电工程施工中使用的起重机就是Q345型钢制造的。

　　(三)铸钢和铸铁

　　1.铸钢

　　(1)铸钢的分类

　　铸钢分碳素铸钢、合金铸钢等类型。

　　(2)铸钢的特性及用途

　　将钢铸造成形，即能保持钢的各种优异性能，又能直接制造成最终形状的零件。铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件。

　　例如，轧钢机机架是轧钢机组的重要结构件，要求有较好的强度和较好的塑性，以及较好的铸造性能、焊接性能和加工性能，轧钢机机架就是选择碳素铸钢制造加工的。

　　例如，吊车所用的齿轮有开式小齿轮、大齿轮、过渡齿轮三种不同尺寸的齿轮，一般均采用合金铸钢件。

　　2.铸铁

　　(1)铸铁的分类

　　铸铁是碳质量分数大于2.11%的铁碳合金，含有较多的Si,Mn,S、P等元素。常用铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、特殊性能铸铁等。

　　(2)铸铁的特性及用途

　　铸铁具有许多优良的使用性能和工艺性能，并且生产设备和工艺简单，可以用来制造各种机器零件。

　　例如，普通罩壳、阀壳等强度要求不高，可采用灰铸铁制造;液压泵壳体强度有较高要求，可采用孕育铸铁(经孕育处理后的灰铸铁);汽车发动机凸轮轴常用球墨铸铁制造。

　　(四)特殊性能低合金高强度钢

　　1.特殊性能低合金高强度钢分类

　　特殊性能低合金高强度钢也称特殊钢，是指具有特殊化学成分、采用特殊工艺生产、具备特殊的组织和性能、能够满足特殊需要的钢类。其中，工程结构用特殊钢主要包括：耐候钢、耐热钢、耐海水腐蚀钢、耐磨钢、表面处理钢材、汽车冲压钢板、石油及天然气管线钢、工程机械用钢与可焊接高强度钢、钢筋钢、低温用钢以及钢轨钢等。

　　2.特殊性能低合金高强度钢的特性及用途

　　例如，在桥梁、建筑、塔架、车辆和其他要求耐候性能好的螺栓连接等钢结构中使用的耐候钢，就是在钢中加入少量的合金元素，如Cu,Cr,Ni,P等，使其在金属基体表面形成保护层，提高了钢材的耐候性能，同时保持钢材具有良好的焊接性能。

　　例如，在加热炉、锅炉、燃气轮机等高温装置中的零件就是使用耐热钢，要求在高温下具有良好的抗蠕变、抗断裂和抗氧化的能力，以及必要的韧性。

　　例如，钢轨钢分为轻轨钢和重轨钢，轻轨钢主要用于使用临时运输线和中小型起重机轨道，重轨钢主要用于铁道、大型起重机轨和吊车轨道。

　　例如，车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机腭板、铁轨分道叉等使用的就是耐磨钢，耐磨钢常用于承受严重磨损和强烈冲击的零件。

　　(五)钢材的类型及应用

　　1.型钢。在机电工程中常用型钢主要有：圆钢、方钢、扁钢、H型钢、工字钢、T型钢、角钢、槽钢、钢轨等。

　　例如，电站锅炉钢架的立柱通常采用宽翼缘H型钢(HK300b);为确保炉膛内压力波动时炉墙有一定的强度，在炉墙上设有足够强度的刚性梁。一般每隔3m左右装设一层，其大部分采用强度足够的工字钢制成。

　　2.板材。按其厚度分为厚板、中厚板和薄板。按其轧制方式分为热轧板和冷轧板两种，其中冷轧板只有薄板。按其材质有普通碳素钢板、低合金结构钢板、不锈钢板、镀锌钢薄板等。

　　例如，油罐、电站锅炉中的汽包就是用钢板焊制成的圆筒形容器。其中，中、低压锅炉的汽包材料常为专用的锅炉碳素钢，高压锅炉的汽包材料常用低合金钢制造。

　　3.管材。在机电工程中常用的有普通无缝钢管、螺旋缝钢管、焊接钢管、无缝不锈钢管、高压无缝钢管等，广泛应用在各类管道工程中。

　　例如，锅炉水冷壁和省煤器使用的无缝钢管一般采用优质碳素钢管或低合金钢管，但过热器和再热器使用的无缝钢管根据不同壁温，通常采用15CrMo或12CrlMoV等钢材。

　　4.钢制品。在机电工程中，常用的钢制品主要有焊材、管件、阀门等。

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　　二、 皇金属的类型及应用

　　通常将钢铁以外的金属及其合金，统称为有色金属。有色金属具有钢铁所没有的许多特殊的力学和物理性能，为机电工程中不可缺少的材料。

　　有色金属的种类很多，密度大于4.5 g/cm3的金属称为重金属，如铜、锌、镍等;密度小于等于4.5 g/cm3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛等。

　　1.重金属

　　(1)铜及铜合金的特性及应用

　　工业纯铜密度为8.96g/cm3，具有良好的导电性、导热性以及优良的焊接性能，纯铜强度不高，硬度较低，塑性好。主要用于作导体、制造抗磁性干扰的仪器和仪表零件，如罗盘、航空仪表等零件。

　　在纯铜中加入合金元素制成铜合金，除了保持纯铜的优良特性外，还具有较高的强度，主要品种有黄铜、青铜和白铜，在机电工程中广泛使用的是铜合金。

　　例如，机电设备冷凝器、散热器、热交换器、空调器等就是使用黄铜制造的，黄铜是以锌为主要合金元素制成的铜合金。

　　(2)锌及锌合金的特性及应用

　　纯锌具有一定的强度和较好的耐腐蚀性，在室温下较脆，在100～150℃时变软，超过200℃后又变脆。

　　锌合金的特点是密度大、铸造性能好，可压铸形状复杂、薄壁的精密件，如压铸仪表、汽车零部件外壳等。锌合金分为变形锌合金、铸造锌合金和热镀锌合金。

　　(3)镍及镍合金的特性及应用

　　纯镍是银白色的金属，强度较高，塑性好，导热性差，电阻大。镍表面在有机介质溶液中会形成钝化膜保护层而有极强的耐腐蚀性，特别是耐海水腐蚀能力突出。

　　镍合金是在镍中加入铜、铬、钼等而形成的，耐高温，耐酸碱腐蚀。镍合金按其特性和应用领域分耐腐蚀镍合金、耐高温镍合金和功能镍合金等。

　　例如，在化工、石油、船舶等领域用作阀门、泵、船舶紧固件、锅炉热交换器等。

　　2.轻金属

　　(1)铝及铝合金的特性及应用

　　工业纯铝密度小，熔点低，具有良好的导电性和导热性，仅次于金、银和铜，塑性

　　好，但强度、硬度低，耐磨性差，不适合制作受力的机械零件，可进行各种冷、热加工。工业纯铝广泛应用于制造硝酸、含硫石油工业、橡胶硫化和含硫的药剂等生产所用设备，如反应器、热交换器、槽车和管件等。

　　在铝中加入铜、锰、硅、镁、锌等合金元素制成的铝合金，由于合金元素的强化作用，可用于制造承受荷载较大的构件。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。

　　例如，油箱、油罐、管道、铆钉等需要弯曲和冲压加工的零件就是使用变形铝合金，变形铝合金塑性好，易于变形加工。

　　(2)镁及镁合金的特性及应用

　　纯镁强度不高，室温塑性低，耐腐蚀性差，易氧化，可用作还原剂。

　　在镁中加入铝、锰、锌等可制成镁合金，镁合金可分为变形镁合金、铸造镁合金。许多镁合金既可做铸造镁合金，也可做变形镁合金。经过锻造和挤压后，变形镁合金比相同成分的铸造镁合金有更高的强度。

　　镁合金主要优点是密度小，强度高，刚度高，抗振能力强，可承受较大冲击荷载。如，镁合金弹性变形功效大，吸收能量多，减振性好，飞机的起落架轮毂很多就是采用镁合金制造，就是发挥其减振性好这一特性。但镁合金抗蚀性差，在使用时要采取防护措施，如氧化处理，涂装保护等。

　　例如，镁合金比强度比铝合金高，使用镁合金可减轻飞机、发动机、仪表等重量。目前，国外在汽车上应用镁合金零部件已经超过60种，已经大批量生产的如仪表盘、轮毂、桌椅框架、变速箱壳、发动机罩和汽缸盖等。

　　(3)钛及钛合金的特性及应用

　　纯钛的强度低，高熔点，但比强度高，塑性及低温韧性好，耐腐蚀性好，容易加工成型。纯钛在大气和海水中有优良的耐腐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸等介质中都很稳定。随着钛的纯度降低，强度升高r塑性大大降低。

　　在纯钛中加入合金元素对其性能进行改善和强化形成钛合金，其强度、耐热性、耐腐蚀性高，具有无磁性，声波和振动的低阻尼特性，生物相容性好，与碳复合材料的相容性好，具有超导特性、形状记忆和吸氢特性等优异性能，但也存在一些缺点，如热加工困难，冷加工性能差，切削加工性差，抗磨性差等。

　　目前，只有碳纤维增强塑料的比强度高于钛合金，钛合金是比强度最高的金属材料。所以，也被称为“太空金属”，这也是钛合金被广泛应用于航空工业的主要原因。例如，在飞机发动机上，钛合金常用做压气机盘、压气机叶片、发动机罩、燃烧室外壳及喷气管等。

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