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1、常用材料基础知识第一节 工程常用材料基础知识 一、工程材料的分类一般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。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、贵重金属、稀土金属和碱土 金属。（二）非金属材料非金属材料包括耐火材料、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
2、 下作用而不易损坏的材料。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。常用的隔热材料有硅藻土、蛙石、 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，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。（二）非金属材料非金属材料包括耐火材料、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 下作用而不易损坏
3、的材料。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。常用的隔热材料有硅藻土、蛙石、 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，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。 二、常用工程材料的性能和特点 （一）金属材料1 、黑色金属含碳量小于 2 11 （重量）的合金称为 钢，合碳量大于 2 11 （重量）的合金称为 生铁。（ 1 ）钢及
4、其合金的分类。 钢的力学性能决定于钢的成分和金相组织。 钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响。在工程中更通用的分类为：l ）按化学成分分类。可分为碳素钢、低合金 钢和合金钢。2 ）按主要质量等级分类： 普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳素 钢； 普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量 低合金钢； 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：l ）牌号中化学元素采用国际化学元素表示。2 ）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
5、的缩写字母表 示。3 ）钢铁产品中的主要化学元素含量（）采 用阿拉伯数字表示。合金结构钢的牌号按下列规则编制。数字表 示含碳量的平均值。合金结构钢和弹簧钢用二位数 宇表示平均含碳量的万分之几，不锈耐酸钢和耐热 钢含碳量用千分数表示。平均含碳量 0.1 % （用“0”表示；平均含碳量 0.03 %，用“00”表 示=。合金工具钢平均含碳量 1.00 %时，不标 合碳量，否则用千分数表示。高速工具钢和滚珠轴 承钢不标含碳量，滚珠轴承钢标注用途符号“C”。 平均合金含量 1.5 %者，在牌号中只标出元素 符号，不注其含量。例：在钢的分类中 , 优质钢是按照（ ）来分类 的。A. 化学成分 B. 用途
6、 C. 冶炼质量 D. 冶炼 方法 答案 :C （ 3 ）工程中常用钢及其合金的性能和特点。l ）碳素结构钢。 碳素结构钢生产工艺简单，有良好工艺性能 （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。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 泛选用。2 ）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。3 ）合金结构钢。合金结构钢广泛用于制造各 种要求韧性高的重要机械零件和构件。形状复杂或 截面尺
7、寸较大或要求韧性高的淬火零件，一般为合 金结构钢。4 ）不锈耐酸钢。它在化工、石油、食品机械 和国防工业中广泛应用。按不锈钢使用状态的金相组织，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： 铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中 的主要合金元素。高铬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。高铬铁 素体不锈钢的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。 例：（ ）是铁素体型不锈钢中的主要合金元素。 A 铬 B 镍 C 锰 D 硅 答案： A
8、马氏体型不锈钢。铬是钢中的主要合金元素。 通常用在弱腐蚀性介质，如海水、淡水和水蒸汽等 中，使用温度小于或等于580 C、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，故一般不用作焊接件。 奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬 和镍。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。 铁素体 奥氏体型不锈钢。 沉淀硬化型不锈钢。这类钢主要用于制造 要求高强度和耐蚀的容器、结构件零件，也可用作 高温零件，如汽轮机零件。5 ）铸钢。铸钢具有较好的强度、塑性和韧性， 可以铸成各种形状、尺寸和质量的铸钢件。（ 4 ）铸铁的
9、分类和牌号表示方法。大部分机械 设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件 多用铸铁制造。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、吸震性和低的缺口敏感 性等。1 ）铸铁的分类。 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（石墨成团絮状）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： 用各种铸铁相应
10、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。 在牌号中一般不标注常规元素 C Si 、 Mn 、 S 和 P 的符号，但当它们有特殊作用时才 标注其元素符号和含量。 牌号中代号后面的一组数字表示抗拉强 度值（如灰口铸铁 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： 灰口铸铁。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。 球墨铸铁。球墨铸铁综合机械性能接近于 钢。可用球墨铸铁来
11、代替钢制造某些重要零件， 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。蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽 缸套、钢锭模和液压阀等铸件。 可锻铸铁。可锻铸铁可以部分代替碳钢。 耐磨铸铁。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。 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、钳锅、热处理炉内的运输 链条等。 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。2 、有色金属l ）铝及其合金。 工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。铝 合金可用于
12、制造承受较大载荷的机器零件和构件。 防锈铝合金（ LF ）。主要用于焊接件、 容器、管道或以及承受中等载荷的零件及制品，也 可用作铆钉。 硬铝合金（ LY ）。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、冲压件和螺旋浆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。 超硬铝合金（ LC ）。 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。 锻铝合金（ LD ）。这类合金主要用于承 受重载荷的锻件和模
13、锻件。2 ）铜及其合金。铜合金具有较高的强度和塑性， 具有高的弹性极限和疲劳极限，同时还具有较好的 耐蚀性、抗碱性及优良的减摩性和耐磨性。一般铜合金分黄铜、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。 青铜（ Q ）。青铜原指铜锡合金，但工 业上都习惯称含铝、硅、铅、锰等的铜基合金为青 铜。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下比较理想的金属材料。4 ）钛及其合金。钛熔点高，热膨胀系数小， 导热性差，强度低，塑性好。钛具有优良的耐蚀性 和耐热性，其抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈 钢，而在较高温
14、度下钛材仍能保持较高的强度。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。 铅不耐硝酸的腐蚀，在盐酸中也不稳定。6 ）镁及其合金。镁合金是航空工业的重要结 构材料，它能承受较大的冲击、振动载荷，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。（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
15、易损坏的材料，称为耐 火材料。常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水 泥及耐火混凝土。（ 1 ）耐火材料的主要性能指标：l ）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。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：l ）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；按耐火材料的主要化学成 分分为粘土砖、高铝砖、硅砖、氧化铝砖、石墨和 碳制品以及碳化硅制品等。2 ）耐火水泥及混凝土。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。 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窑炉、锅炉、炉墙中层的保温 绝热方面。硅藻土管广泛用于各种化工、石
