建設(shè)工程材料

工程材料及其分類(熟悉)

工程材料有各種不同的分類方法。一般都將工程材料按化學(xué)成分分為金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類。

工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分：黑色金屬材料【鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)】和有色金屬材料【黑色金屬以外的所有金屬及其合金】。

非金屬材料包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。

高分子材料為有機(jī)合成材料，也稱聚合物。它具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較強(qiáng)的耐腐蝕性能，很好的絕緣性和重量輕等優(yōu)良性能。工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將其分為塑料、橡膠和合成纖維三大類。

復(fù)合材料就是用兩種或兩種以上不同材料組合的材料。

(一)金屬材料

1.黑色金屬

關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)一：鋼及其合金的特性、用途(注意對(duì)比區(qū)分)

鋼是以鐵為基的合金，鋼中主要化學(xué)元素為鐵，另外還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷、氧和氮等，這些少量元素對(duì)鋼材性質(zhì)影響很大。

含碳量小于2.11%(重量)的合金稱為鋼;而含碳量大于2.11%(重量)的合金稱為生鐵。鋼中含碳量對(duì)鋼的性質(zhì)有決定性影響，含碳量低，鋼的強(qiáng)度低、塑性大、延伸率和沖擊韌性高，鋼質(zhì)較軟，易于冷加工、切削和焊接;含碳量高，鋼的強(qiáng)度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工。(以前考過)

(1)鋼及其合金的分類和牌號(hào)表示方法

鋼的力學(xué)性能(如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊韌度和硬度等)決定于鋼的成分和金相組織。鋼的成分一定時(shí)，其金相組織主要決定于鋼的熱處理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影響最大。(以前考過)

1)鋼的分類。

2)鋼牌號(hào)的表示方法。

我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)采用漢語拼音字母、化學(xué)符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的表示方法，即：

①牌號(hào)中化學(xué)元素采用國(guó)際化學(xué)元素表示。

②產(chǎn)品名稱、用途、特性和工藝方法等，通常采用代表該產(chǎn)品漢字的漢語拼音的縮寫字母表示。

③鋼鐵產(chǎn)品中的主要化學(xué)元素含量(%)采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

碳素結(jié)構(gòu)鋼“Q”——屈服點(diǎn)字母，屈服點(diǎn)數(shù)值共分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275N/mm2五種。

Q195鋼強(qiáng)度不高，塑性、韌性、加工性能與焊接性能較好，主要用于軋制薄板和盤條;

Q215鋼大量用作管坯、螺栓;

Q235鋼強(qiáng)度適中，具有良好的承載性，又具有較好的塑性、韌性、可焊性、加工性，是鋼結(jié)構(gòu)常用的牌號(hào)，大量用來制成鋼筋、型鋼和鋼板;

3)工程中常用鋼及其合金的性能和特點(diǎn)

①碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，有良好的工藝性能(如焊接性能、壓力加工性能等)、必要的韌性、良好的塑性以及價(jià)廉和易于大量供應(yīng)，通常在熱軋后使用。在橋梁、建筑、船舶上獲得了極廣泛的應(yīng)用。

②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼塑性和韌性較強(qiáng)高，并可通過熱處理強(qiáng)化，多用于較重要的零件，是廣泛應(yīng)用的機(jī)械制造用鋼。

③低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼比碳素結(jié)構(gòu)鋼具有較高的韌性，同時(shí)有良好的焊接性能、冷熱壓力加工性能和耐蝕性，部分鋼種還具有較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

④合金結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入適量的一種或數(shù)種合金元素而形成的，它的綜合力學(xué)性能優(yōu)于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼是合金鋼中用量最多的一類鋼，廣泛用于制造各種要求韌性高的重要機(jī)械零件和構(gòu)件。

⑤不銹(耐酸)鋼。——重點(diǎn)

按不銹鋼使用狀態(tài)的金相組織，可分為鐵素體、馬氏體、奧氏體、鐵素體加奧氏體和沉淀硬化型不銹鋼五類。各類不銹鋼的特點(diǎn)如下：

a.鐵素體型不銹鋼。鉻是鐵素體型不銹鋼中的主要合金元素，通常含鉻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于13.00%，不含鎳。

b.馬氏體型不銹鋼。鉻是鋼中的主要合金元素，鋼在淬火—回火狀態(tài)使用有較高屈服強(qiáng)度、硬度和耐磨度，常用在弱腐蝕性介質(zhì)，如海水、淡水和水蒸氣等中，使用溫度小于或等于580℃，通常作為受力較大的零件和工具的制作材料，由于此鋼焊接性能不好，故一般不用作焊接件。

c.奧氏體型不銹鋼。鋼中主要合金元素為鉻和鎳，其次是鈦、鈮、鉬、氮和錳等。

此鋼具有奧氏體組織，具有高的韌性、低的脆性轉(zhuǎn)變溫度、良好的耐蝕性和高溫強(qiáng)度、較好的抗氧化性以及良好的壓力加工和焊接性能。但屈服強(qiáng)度低，且不能采用熱處理方法強(qiáng)化，而只能進(jìn)行冷變形強(qiáng)化。

鑄鐵是碳含量大于2.11%的鐵碳合金，并且還含有較多量的硅、錳、硫和磷等元素。它具有生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。大部分機(jī)械設(shè)備的箱體、殼體、機(jī)座、支架和受力不大的零件多用鑄鐵制造。某些承受沖擊不大的重要零件，如小型柴油機(jī)的曲軸，多用球墨鑄鐵制造。其原因是鑄鐵價(jià)廉，切削性能和鑄造性能優(yōu)良，有利于節(jié)約材料，減少機(jī)械加工工時(shí)，且有必要的強(qiáng)度和某些優(yōu)良性能，如高的耐磨性、吸振性和低的缺口敏感性等。

1)鑄鐵的分類。

鑄鐵是鐵碳合金的一種，與鋼相比，其成分特點(diǎn)是碳、硅含量高，雜質(zhì)含量也較高。但是，雜質(zhì)在鋼和鑄鐵中的作用完全不同，如磷在耐磨磷鑄鐵中是提高其耐磨性的主要合金元素，錳、硅都是鑄鐵中的重要元素，唯一有害的元素是硫。

鑄鐵的組織特點(diǎn)是含有石墨。鑄鐵的韌性和塑性，主要決定于石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布，其中石墨形狀的影響最大。鑄鐵的其他性能也與石墨密切相關(guān)，基體組織是影響鑄鐵硬度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性的主要因素。

按照石墨的形狀特征，鑄鐵可分為灰口鑄鐵(石墨成片狀)、球墨鑄鐵(石墨成球狀)　和可鍛鑄鐵(石墨團(tuán)絮狀)三大類。

按照鑄鐵成分中是否含有合金元素，可分為一般鑄鐵和合金鑄鐵兩大類。一般鑄鐵可分為普通鑄鐵和變質(zhì)(孕育)鑄鐵。

2)鑄鐵牌號(hào)的表示方法。

①用各種鑄鐵相應(yīng)漢語拼音字母的第一個(gè)大寫字母作為鑄鐵的代號(hào)，當(dāng)兩種鑄鐵名稱的代號(hào)字母相同時(shí)，可在大寫字母后加小寫字母表示。同一名稱鑄鐵需要細(xì)分時(shí)，取其細(xì)分特點(diǎn)的漢語拼音字母第一個(gè)大寫字母排在后面。

②在牌號(hào)中一般不標(biāo)注常規(guī)元素碳、硅、錳、硫和磷的符號(hào)，但當(dāng)它們有特殊作用時(shí)才標(biāo)注其元素符號(hào)和含量。合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于1.0%時(shí)，用整數(shù)表示;小于1.0%時(shí)，一般不標(biāo)注。

③牌號(hào)中代號(hào)后面的一組數(shù)字表示其抗拉強(qiáng)度值(如灰鑄鐵HT100)，有兩組數(shù)字時(shí)，第一組數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度值，第二組數(shù)字表示伸長(zhǎng)率值(如球墨鑄鐵QT400—18)，兩組數(shù)字之間用“—”隔開。

3)工程中常用鑄鐵的性能和特點(diǎn)。

①灰口鑄鐵。灰口鑄鐵的組織由石墨和基體兩部分組成。基體可以是鐵素體、珠光體或鐵素體加珠光體，相當(dāng)于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨。

灰口鑄鐵包括普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵兩種?；铱阼T鐵價(jià)格便宜、應(yīng)用最廣泛，在各類鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰口鑄鐵占80.0%以上。影響灰口鑄鐵組織和性能的因素主要是化學(xué)成分和冷卻速度。

②球墨鑄鐵。其綜合機(jī)械性能接近于鋼，因鑄造性能很好、成本低廉、生產(chǎn)方便，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

球墨鑄鐵的成分要求比較嚴(yán)格，與灰口鑄鐵相比，它的含碳量較高，通常在4.5%～4.7%范圍內(nèi)變動(dòng)，以利于石墨球化。

球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過灰口鑄鐵，而與鋼相當(dāng)。因此對(duì)于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節(jié)省材料，而且重量更輕。不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大，球墨鑄鐵具有較好的疲勞強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)表明，球墨鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度甚至超過45號(hào)鋼。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)承受動(dòng)載的零件是帶孔或帶臺(tái)肩的，因此用球墨鑄鐵來代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿和凸輪軸等。

③蠕墨鑄鐵。它的強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性;同時(shí)又有灰口鑄鐵良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。

④可鍛鑄鐵。可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過退火處理得到的一種高強(qiáng)鑄鐵。它有較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。

⑤耐磨鑄鐵。

⑥耐熱鑄鐵。

⑦耐蝕鑄鐵。

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（責(zé)任編輯：何以笙簫默）

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