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第一章 安装工程材料
第一节 建设工程材料
一、金属材料
（一）黑色金属材料
钢和铸铁中除了含铁、碳以外，还含有一些其他元素，其中一类是杂质元素，如硫、磷、氧、氮【22】等；
1.钢的分类和用途【17-24】
钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响，含碳量低的钢材强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高的钢材强度高（当含碳量超过1.00%时，钢材强度开始下降）、塑性小、硬度大、脆性大且不易加工。硫、磷为钢材中有害元素，含量较多就会严重影响钢材的塑性和韧性，磷使钢材显著产生冷脆性，硫则使钢材产生热脆性。硅、锰等为有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。
钢材的力学性能（如抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等）取决于钢材的成分和金相组织。钢材的成分一定时，其金相组织主要取决于钢材的热处理，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。
表1.1.3低合金钢分类与常用牌号【21.24】
例如：Q235AF表示最小屈服强度235N/mm²、质量等级为A级的沸腾碳素钢【23.25】。专业用低合金高强度钢应在钢牌号最后标明。如16Mn钢，用于桥梁的专用钢种为“16MnQ”，压力容器的专用钢种为“16MnR”。HRB335表示最小屈服强度为335N/mm²的热轧带肋钢筋，L415表示最小规定总延伸强度415MPa的管线用钢。
（3）工程中常用钢及其合金的性能和特点。
1）碳素结构钢。碳素结构钢为非合金钢，分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。
①普通碳素结构钢。根据国家标准《碳素结构钢》GB/T700—2006，以碳素结构钢屈服强度下限分为四个级别：Q195、Q215、Q235和Q275。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【18】，某些性能如低温韧性和时效敏感性较差。
普通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、良好的塑性以及价廉和易于大量供应，通常在热轧后使用。【25】Q195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钢主要用于制作管坯、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；【16】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、耐磨零件和垫板等。
3）不锈钢。
①铁素体不锈钢。基体以体心立方晶体结构的铁素体组织为主，一般不能通过热处理硬化，但冷加工能使其轻微强化。此钢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。另外，0Cr13不锈钢在弱腐蚀介质（如淡水）中也有良好的耐蚀性。其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。【22】
②马氏体不锈钢。基体以畸变体心立方晶体结构的马氏体组织为主，能通过热处理调整其力学性能。此钢具有较高的强度、硬度和耐磨性。通常用于弱腐蚀性介质环境中，如海水、淡水和水蒸气中，以及使用温度小于或等于580℃的环境中；通常也可作为受力较大的零件和工具的制作材料。但由于此钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。【20.24】
③奥氏体不锈钢。基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织为主，主要通过冷加工或氮合金化使其强化。钢中主要合金元素为铬、镍、钛、铌、钼、氮和锰等。此钢具有较高的韧性、良好的耐蚀性、高温强度和较好的抗氧化性，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。【16.20.21.22.23.25】
⑤沉淀硬化不锈钢。基体以马氏体或奥氏体组织为主，并能通过沉淀硬化（又称时效硬化）处理使其硬（强）化。这类钢的突出优点是经沉淀硬化热处理以后具有较高的强度，耐蚀性优于铁素体不锈钢【20】。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。
2.铸铁的分类和用途
铸铁与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，如磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素【22】，锰和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含量小于0.80%钢的组织。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【16.22】。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。
（3）工程中常用铸铁的性能和特点。
2）球墨铸铁（QT）。球墨铸铁包括奥氏体球墨铸铁（QTA）、冷硬球墨铸铁（QTL）、抗磨球墨铸铁（QTM）、耐热球墨铸铁（QTR）、耐蚀球墨铸铁（QTS）。球墨铸铁的综合机械性能接近于钢，其铸造性能很好，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。【19.24.25】
球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰铸铁，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，并具有较好的耐疲劳强度。实验表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45#钢。在实际工程中常用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连和凸轮轴等，也可用于高层建筑室外进入室内给水的总管或室内总干管。
3）蠕墨铸铁（RuT）。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。蠕墨铸铁主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。【23】
4）可锻铸铁（KT）。可锻铸铁具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。这种铸铁有黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁三种类型。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。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低，质量稳定，处理工艺简单等优点。【17.18.20.22】
（二）有色金属材料
2.工程中常用有色金属的性能和特点
表1.1.9常用有色金属主要特性
（1）铝及铝合金。
铸造铝合金（ZL）分为A1-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。各铸造铝合金在工程使用中表现出不同的特性，如A1-Mg铸造铝合金强度高，密度小，有良好的耐蚀性，但铸造性能不佳，耐热性不良。该合金多用于制造承受冲击荷载，以及在腐蚀性介质中工作的外形不太复杂的零件，如氨用泵体等。
（2）铜及铜合金。纯铜呈紫红色，常称紫铜，主要用于制作电导体及配制合金。纯铜的强度低，不宜用作结构材料。【20】
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）。以锌为主加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、抗蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加入铝、硅、锰和镍等元素，形成各种复杂黄铜，如铅黄铜、锰黄铜和铝黄铜等。铅黄铜主要用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件【23】；锰黄铜常用于制造轴承等耐磨件；铝黄铜可制作耐蚀零件，还可用于制造大型蜗杆等重要零件。
（5）铅及铅合金【22】。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。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。
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