造价工程师安装工程讲义：建设工程材料

　　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。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。

　　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。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。

　　②在牌号中一般不标注常规元素碳、硅、锰、硫和磷的符号，但当它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。

　　③牌号中代号后面的一组数字表示其抗拉强度值(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QT400—18)，两组数字之间用“—”隔开。

　　3)工程中常用铸铁的性能和特点。

　　①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是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。影响灰口铸铁组织和性能的因素主要是化学成分和冷却速度。

　　②球墨铸铁。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%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45号钢。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制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。

　　③蠕墨铸铁。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。

　　④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。

　　⑤耐磨铸铁。

　　⑥耐热铸铁。

　　⑦耐蚀铸铁。

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　　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。

　　(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)铝及其合金。

　　铝及铝合金在电气工程、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980%～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度地改善性能。因此铝合金可用于制造承受较大荷载的机器零件和构件。

　　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。

　　①变形铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金等。

　　a.防锈铝合金(LF)。防锈铝合金中主要合金元素是锰和镁。

　　b.硬铝合金(LY)。硬铝合金为Al—Cu—Mg系合金。

　　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。

　　②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。一般铜合金分黄铜、青铜和白铜三大类。

　　①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。

　　②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。

　　3)镍及其合金。镍及镍合金是化学、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，可获得耐蚀性优异的镍基耐蚀合金。镍力学性能良好，尤其塑、韧性优良，能适应多种腐蚀环境。

　　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，易氧化和氢化，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;钛具有较好的低温性能，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。

　　5)铅及其合金。

　　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与合金结构钢相媲美，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。

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　　(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。

　　(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。

　　①耐火度。

　　②荷重软化温度。

　　③高温化学稳定性。

　　④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。

　　⑤抗压强度要好。

　　⑥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。

　　⑦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。

　　①耐火砌体材料。

　　②耐火水泥及混凝土。

　　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，以及它们的制品如板、管、砖等。

　　(1)硅藻土耐火隔热保温材料。

　　(2)硅酸铝耐火纤维。

　　(3)微孔硅酸钙保温材料。

　　(4)矿渣棉制品。

　　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。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。铸石具有极优良的耐磨与耐化学腐蚀性、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。

　　(2)石墨

　　关键知识点二：耐蚀(酸)非金属材料及其特性——其中的石墨是重点

　　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、发烟硫酸和卤素)之外，在所有的化学介质中都很稳定，甚至在熔融的碱中也很稳定。

　　石墨按来源不同可分为天然石墨和人造石墨。

　　【2009年单选题】在熔融的碱液中仍具有良好化学稳定性的非金属材料为(　)。

　　A.铸石

　　B.玻璃

　　C.石墨

　　D.水玻璃型耐蚀石料

　　[答疑编号502008010103]

　　『正确答案』C

　　『答案解析』参见教材P15。

　　(3)玻璃。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。

　　(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。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。

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　　4.陶瓷材料

　　陶瓷材料属于硅酸盐材料。陶瓷材料有着许多区别于其他材料的物理化学性能。比如高温化学稳定性、超硬的特点和极好的耐腐蚀性能。

　　(1)陶瓷材料的分类。它们可用于制造某些工业构件、零件和工具。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。

　　(2)常用的陶瓷材料。在工程中常用的陶瓷有电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、结构陶瓷和耐酸陶瓷等。

　　关键知识点三：高分子材料的特性及其中的各种塑料的特性(2009年没有考，以前常考)

　　1.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。

　　高分子材料的基本性能及特点：

　　(1)质轻。

　　(2)比强度高。

　　(3)有良好的韧性。

　　(4)减摩和耐磨性好。

　　(5)电绝缘性好。

　　(6)耐蚀性。

　　(7)导热系数小。

　　(8)易老化。

　　(9)易燃。

　　(10)耐热性。

　　(11)刚度小。

　　2.塑料是一种以树脂为主要成分的多组分材料，但也有少部分塑料制品例外。

　　①树脂。有合成树脂和天然树脂之分，在所有的塑料制品中几乎都是采用合成树脂。

　　树脂是塑料组成材料中的基本组分，在一般塑料中约占30%～60%，有的甚至更多。

　　树脂在塑料中主要起胶结作用，通过胶结作用把填充料等胶结成坚实整体。因此，塑料的性质主要取决于树脂的性质。

　　②填料。又称填充剂，其作用是提高塑料的强度和刚度，减少塑料在常温下的蠕变(又称冷流)现象及提高热稳定性，对降低塑料制品的成本、增加产量有显著的作用，提高塑料制品的耐磨性、导热性、导电性及阻燃性，并可改善加工性能。

　　③增塑剂。其作用是提高塑料加工时的可塑性及流动性，改善塑料制品的柔韧性。

　　④着色剂。无机颜料不仅对塑料具有着色性，同时又兼有填料和稳定剂的作用。

　　⑤稳定剂。为延长塑料制品的使用寿命，通常在其组分中加入稳定剂。

　　2)工程中常用塑料制品。

　　①热塑性塑料。

　　a.低密度聚乙烯(LDPE)又称为高压聚乙烯，低密度聚乙烯具有质轻、吸湿性小、良好的电绝缘性、延伸性和透明性强、较好的耐寒性和化学稳定性，但强度和耐环境老化性较差。一般用作耐蚀材料、小荷载零件(齿轮、轴承)及一般电缆包皮和农用薄膜等。

　　b.高密度聚乙烯(HDPE)。又称为低压聚乙烯，它是乙烯在催化剂存在下聚合制得，可采用注射、挤出、吹塑等方法成型。高密度聚乙烯具有良好的耐热性和耐寒性;力学性能优于低密度聚乙烯，介电性能优良，但略低于低密度聚乙烯;耐磨性及化学稳定性良好，能耐多种酸、碱、盐类腐蚀，吸水性和水蒸气渗透性很低，但耐老化性能较差;表面硬度高，尺寸稳定性好。主要用于制作单口瓶、运输箱、安全帽、汽车零件、储罐、电缆护套、压力管道及编织袋等。

　　c.聚丙烯(PP)。聚丙烯具有质轻、不吸水，介电性、化学稳定性和耐热性良好(可在100%以上使用。若无外力作用，温度达到150℃时也不会发生变形)，力学性能优良，但是耐光性能差、易老化、低温韧性和染色性能不好。聚丙烯主要用于制作受热的电气绝缘零件、汽车零件、防腐包装材料以及耐腐蚀的(浓盐酸和浓硫酸除外)化工设备，如法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、接头、把手和汽车方向盘调节盖、各种化工容器、管道、阀门配件、泵壳等。

　　d.聚氯乙烯(PVC)聚氯乙烯刚度和强度比聚乙烯高，常见制品有硬、软两种。

　　加入增塑剂的为软聚氯乙烯。未加的为硬聚氯乙烯。后者密度很小，抗拉强度较好，有良好的耐水性、耐油性和耐化学药品侵蚀的件能，许多性能优于聚乙烯。

　　e.聚四氟乙烯(PTFE，F—4)俗称塑料王，它是由四氟乙烯用悬浮法或分散法聚合而成，具有优良的耐高、低温性能，可在-180～260℃的范围内长期使用。几乎耐所有的化学药品，在侵蚀性极强的王水中煮沸也不起变化，摩擦系数极低，仅为0.04。它也不粘、不吸水、电性能优异。是目前介电常数和介电损耗最小的固体绝缘材料。

　　缺点是强度低、冷流性强。主要用于制作减摩密封零件、化工耐蚀零件、热交换器及管、棒、板制品和各种零件，以及高频或潮湿条件下的绝缘材料;分散法聚四氟乙烯可制成薄壁管、细棒、异型材、电线和电缆包覆层。

　　f.聚苯乙烯(PS)。是苯乙烯经本体或悬浮法聚合制得的均聚物。可采用注射、挤出、吹塑和发泡等方法成型，能切削加工和胶接。聚苯乙烯具有较大的刚度。聚苯乙烯密度小、常温下较透明、几乎不吸水、具有优良的耐蚀性、电阻高，是很好的隔热、防振、防潮和高频绝缘材料。

　　缺点是耐冲击性差、不耐沸水、耐油性有限，但可改性。

　　可用于制造纺织工业中的纱管、纱锭和线轴，电子工业中的仪表零件、没备外壳，化工中的储槽、管道、弯头等，是隔声、包装、打捞和救生等极好的材料。

　　g.ABS。普通ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。可采用注射、挤出、压延、吹塑、发泡和真空成型等方法成型。其具有“硬、韧、刚”的混合特性，所以综合机械性能良好。同时尺寸稳定，容易电镀和易于成型，耐热和耐蚀性较好，在-40℃的低温下仍有一定的机械强度。此外，它的性能可以根据要求由改变单体的含量来进行调整。

　　h.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。俗称有机玻璃。

　　②热固性塑料。

　　a.酚醛模塑料(PF)。酚醛模塑料是以酚醛树脂为基材，加入填料或添加剂制成的热固性塑料。通常采用压缩模塑热成型。酚醛模塑料具有一定的机械强度(抗拉强度约 40MN/㎡)和硬度、耐磨性好、绝缘性良好、击穿电压在l0kV以上、耐热性较高、耐蚀性优良、尺寸基本稳定，但不耐强碱和酚类物质的侵蚀。

　　b.酚醛玻璃纤维增强塑料。

　　c.环氧树脂(EP)

　　环氧树脂强度较高，韧性较好;尺寸稳定性高和耐久性好;具有优良的绝缘性能，耐热、耐寒，可在-80～155℃温度范围内长期工作;化学稳定性很高，成型工艺性能好。

　　缺点是有毒性。

　　环氧树脂是很好的胶粘剂，对各种材料(金属及非金属)都有很强的胶粘能力。环氧树脂可用于制作塑料模具、精密量具、灌封电器和电子仪表装置、配制油船漆和罐头涂料等。

　　d.呋喃树脂。

　　它能耐强酸、强碱和有机溶剂腐蚀，并能适用于其中两种介质的结合或交替使用的场合。

　　(2)橡胶。是一种具有良好耐酸、碱性能的高分子防腐蚀材料。橡胶分天然橡胶和合成橡胶两大类。

　　(3)合成纤维。

　　工程中常用塑料制品分为热塑性塑料和热固性塑料。

　　常用的热塑性塑料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE，F—4)俗称塑料王、聚苯乙烯(PS)、ABS(是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，俗称有机玻璃)等。

　　常用的热固性塑料有酚醛模塑料(PF)(不耐强碱和酚类物质的侵蚀)、酚醛玻璃纤维增强塑料、环氧树脂(EP)、呋喃树脂、不饱和聚酯树脂。

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　　(四)复合材料

　　1.复合材料组成、分类和特点

　　复合材料中至少包括基体相和增强相两大类。基体相起粘结、保护增强相并把外加荷载造成的应力传递到增强相上去的作用，基体相可以由金属、树脂和陶瓷等构成，在承载中，基体相承受应力作用的比例不大;增强相是主要承载相，并起着提高强度(或韧性)的作用，增强相的形态各异，有纤维状、细粒状和片状等。

　　按增强相体类型可分为：颗粒增强型、纤维增强型和板状增强型复合材料三大类。

　　与普通材料相比，复合材料具有许多特性，可改善或克服单一材料的弱点，充分发挥它们的优点，并赋予材料新的性能;可按照构件的结构和受力要求，给出预定的分布、合理的配套性能，进行材料的最佳设计等。具体表现在：

　　(1)高比强度和高比模量。

　　(2)耐疲劳性高。

　　(3)抗断裂能力强。

　　(4)减振性能好。

　　(5)高温性能好，

　　(6)耐腐蚀性好。

　　(7)复合材料还具有较优良的减摩性、耐磨性、自润滑性和耐蚀性等特点。

　　2.复合材料增强体

　　(1)纤维增强体。

　　(2)颗粒增强体。

　　(3)片状增强体。

　　3.复合材料基体

　　(1)树脂基体。

　　(2)金属基体。

　　(3)陶瓷基体。

　　4.复合材料应用

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