2020年一级造价工程师《安装工程》备考讲义：第一章第一节

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第一章　安装工程材料

第一节　建设工程材料

一般将工程材料按化学成分划分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。

一、金属材料

工业上把金属及其合金分为黑色金属材料和有色金属材料两大部分。

(一)黑色金属

黑色金属材料一般是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料。

钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料。

钢中主要化学元素为铁，另外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧和氮等。根据使用性能和工艺性能的需要，在其生产过程中适量添加的合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等。

含碳量小于 2.11%(重量)的铁合金称为钢，大于 2.11%(重量)的称为生铁。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.钢的分类和用途

(1)钢的分类：工程中，按化学成分分类，可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。

(2)钢牌号的表示方法

1)碳素结构钢和低合金结构钢的牌号通常由四部分组成：

第一部分：前缀符号+强度值(以 N/mm2或 MPa 为单位)，通用结构钢为代表屈服强度的拼音字母“Q”。

第二部分：钢的质量等级，英文字母 A、B、C、D、E、F……表示。

第三部分：脱氧方式，沸腾钢(F)、镇静钢(Z)、特殊镇静钢(TZ)。

第四部分：产品用途、特性和工艺方法表示符号。锅炉和压力容器用钢—R，锅炉用钢-G，桥梁用钢—Q。

2)优质碳素结构钢牌号由五部分组成：

第一部分：二位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计);

第二部分：较高含锰量的优质碳素结构钢，加锰元素符号 Mn;

第三部分：钢材冶金质量，高级优质钢 A、特级优质钢 E、优质钢不用表示;

3)合金结构钢牌号通常由四部分组成：

第一部分：二位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计);

第二部分：合金元素含量，以化学元素符号及阿拉伯数字表示。平均含量小于 1.50%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量;平均含量为1.50%～2.49%、2.50%～3.49%、3.50%～4.49%、4.50%～5.49%……时，在合金元素后相应写成2、3、4、5……

第三部分：钢材冶金质量，优质钢不用字母表示;

第四部分：产品用途、特性或工艺方法表示符号。

(3)工程中常用钢及其合金的性能和特点。

1)碳素结构钢

①普通碳素结构钢。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，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。

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;

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。

②优质碳素结构钢。含碳小于 0.8%的碳素钢，钢中所含硫、磷及非金属夹杂物比碳素结构钢少。与普通碳素结构钢相比，优质碳素结构钢塑性和韧性较高，可通过热处理强化，多用于较重要的零件，是广泛应用的机械制造用钢。

2)低合金结构钢：Q345，Q390，Q420，Q460，Q500，Q550，Q620，Q690 八个强度等级。

①普通低合金钢：比碳素结构钢具有较高韧性，同时有良好焊接性、冷热压力加工性能和耐蚀性，部分钢种具有较低脆性转变温度。用于制造各种容器、螺旋焊管、建筑结构等;

Q345 具有综合力学性能、耐低温冲击韧性、焊接性能和冷热压加工性能良好的特性，可用于建筑结构、化工容器和管道、起重机械和鼓风机等。

②优质低合金钢：广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。形状复杂或截面尺寸较大或要求韧性高的淬火零件，一般为优质低合金钢。15MnVg，70Mn，20MnSiV。

3)不锈耐酸钢

按使用状态的金相组织，不锈耐酸钢可分为铁素体、马氏体、奥氏体、铁素体加奥氏体和沉淀硬化型不锈钢五类。

①铁素体型不锈钢。铬是主加元素，通常含铬的质量分数≥13.00%。高铬钢(17.0%～30.0%Cr)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，在硝酸和氮肥工业中广泛使用，0Cr13 不锈钢在弱腐蚀介质中，如淡水中，也有良好的耐蚀性。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。

②马氏体型不锈钢。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，如海水、淡水和水蒸气中;在温度≤580℃的环境中使用，通常作为受力较大的零件和工具的制作材料。焊接性能不好，一般不用作焊接件。

③奥氏体型不锈钢。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。这类钢的屈服强度低，不能采用热处理方法强化，只能进行冷变形强化。

④铁素体-奥氏体型不锈钢。屈服强度约为奥氏体型不锈钢的两倍，可焊性良好，韧性较高，应力腐蚀、晶间腐蚀及焊接时的热裂倾向均小于奥氏体型不锈钢。

⑤沉淀硬化型不锈钢。突出优点是经沉淀硬化热处理以后具有高的强度，耐蚀性优于铁素体型不锈钢。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

铸铁是含碳量大于 2.11%的铁碳含金，含有较多量的硅、锰、硫和磷等杂质元素，杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，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<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。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。

(1)铸铁的分类

按碳存在的形式，铸铁可分为灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁三大类。

按照石墨的形状特征，灰口铸铁可分为普通灰铸铁(石墨呈片状)、蠕墨铸铁(石墨呈蠕虫状)、可锻铸铁(石墨呈团絮状)和球墨铸铁(石墨呈球状)四大类。

白口铸铁中的碳完全以渗碳体的形式存在，很难切削加工，主要作炼钢原料使用。硬度和耐磨性高，可以铸成表面为白口组织的铸件，如轧辊、球磨机的磨球等。白口铸铁属于耐磨铸铁。

(2)铸铁牌号的表示方法

(3)工程中常用铸铁的性能和特点(共 7 种)

2)球墨铸铁。抗拉强度远超灰铸铁，与钢相当。承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，重量更轻，并具有较好的耐疲劳强度。实际工程中常用球墨铸铁代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等，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。强度接近于球墨铸铁，具有一定韧性和较高耐磨性;又有灰铸铁良好铸造性能和导热性。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。

4)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。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。

(二)有色金属材料

有色金属是指黑色金属以外的所有金属及其合金。

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)铝及铝合金。

(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。

(3)镍及镍合金。用于化学、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。

由于镍的标准电势大于铁，可获得耐蚀性优异的镍基耐蚀合金。镍力学性能良好，尤其塑性、韧性优良，能适应多种腐蚀环境。广泛应用于化工、制碱、冶金、石油等行业中的压力容器、换热器、塔器、蒸发器、搅拌器、冷凝器、反应器和储运容器等。

(4)钛及钛合金。钛在高温下化学活性极高，非常容易与氧、氮和碳等元素形成稳定的化合物，所以在大气中工作的钛及钛合金只在 540℃以下使用;钛具有良好的低温性能，可做低温材料;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)铅及铅合金。铅对硫酸、磷酸、亚硫酸、铬酸和氢氟酸等有良好的耐蚀性。铅不耐硝酸的腐蚀，在盐酸中也不稳定。

(6)镁及镁合金。比强度和比刚度可以与合金结构钢相媲美，镁合金能承受较大的冲击、振动荷载，并有良好的机械加工性能和抛光性能。

二、非金属材料

非金属材料包括无机非金属材料和高分子材料。无机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;高分子材料包括橡胶、塑料和合成纤维等。

(一)无机非金属材料

1.耐火材料

耐火材料是指能承受高温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。

(1)耐火砌体材料。按主要化学特性分为酸性、中性和碱性。

1)酸性耐火材料。硅砖和黏土砖为代表。

2)中性耐火材料。铬镁砖。

碳质制品是另一类中性耐火材料，根据含碳原料的成分不同，分为碳砖、石墨制品和碳化硅质制品三类。

3)碱性耐火材料。镁砖。

(2)耐火水泥及耐火混凝土。

2.耐热保温和绝热材料

(1)耐热保温材料。又称耐火隔热材料，常用的有硅藻土、蛭石、玻璃纤维(又称矿渣棉)、石棉，以及它们的制品板、管、砖等。

1)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部位。(15)

2)硅酸铝耐火纤维是轻质耐火材料之一。

3)微孔硅酸钙保温材料可用于高温设备、热力管道的保温隔热材料。

4)矿渣棉制品可用作保温、隔热和吸音材料。

(2)绝热材料。绝热材料一般是轻质、疏松、多孔的纤维状材料。它既包括保温材料，也包括保冷材料。

1)按成分可分为有机材料和无机材料两大类。

热力设备及管道保温用的材料多为无机绝热材料，如石棉、硅藻土、珍珠岩、玻璃纤维、泡沫混凝土和硅酸钙等。

低温保冷工程多用有机绝热材料，如软木、聚苯乙烯泡沫塑料，聚氨基甲酸酯、牛毛毡和羊毛毡等。

2)按照绝热材料使用温度可分为高温、中温和低温绝热材料。

高温绝热材料，使用温度可在 700℃以上，有硅酸铝纤维和硅纤维等;多孔质材料有硅藻土、蛭石加石棉和耐热黏合剂等制品。

中温用绝热材料，使用温度在 100～700 ℃之间，中温用纤维质材料有石棉、矿渣棉和玻璃纤维等;多孔质材料有硅酸钙、膨胀珍珠岩、蛭石和泡沫混凝土等。

低温用绝热材料，使用温度在 100 ℃以下的保温或保冷工程中。

3.耐蚀(酸)非金属材料

耐蚀(酸)非金属材料的主要成分是金属氧化物、氧化硅和硅酸盐等，它们的耐蚀性能高于金属材料(包括耐酸钢和耐蚀合金)，还具有良好的耐磨性和耐热性能，但是脆性大、承受冲击和震动能力差。

在某些情况下它们是不锈钢和耐蚀合金的理想代用品，用于制造受力小、不受冲击及震动、使用温度不高或温度变化不剧烈的容器。常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐蚀石材和玻璃等。

(1)铸石。铸石具有极优良的耐磨性、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，铸石的耐化学腐蚀性高于不锈钢、橡胶、塑性材料及其他有色金属十倍到几十倍;但脆性大、承受冲击荷载的能力低。铸石是钢铁(包括不锈钢)的理想代用材料。

(2)石墨。石墨具有高熔点(3700℃)，在高温下有高的机械强度，当温度增加时，强度随之提高。石墨在 3000℃以下具有还原性，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，石墨的导热系数是碳钢的 3 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。人造石墨材料的耐腐蚀性能良好，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。

不透性石墨是由人造石墨浸渍酚醛或呋喃树脂而成的，优点是导热性优良、温差急变性好、易于机械加工、耐腐蚀性好。缺点是机械强度较低、价格较贵，用于制造各种类型的热交换器、盐酸合成炉等。

(3)玻璃。

(4)天然耐蚀石料。

(5)水玻璃耐酸水泥。

4.陶瓷材料

(二)高分子材料

1.高分子材料的基本概念

通常根据机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和合成纤维三大类。

2.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、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)耐热性低;(11)刚度小。

3.工程中常用的高分子材料

(1)塑料

常用的塑料制品都是以合成树脂为基本材料，再按一定的比例加入填料、增塑剂、着色剂和稳定剂等材料，经混炼、塑化，并在一定压力和温度下制成的。

①树脂。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，塑料的性质主要取决于树脂的性质。

按分子中碳原子之间结合形式不同，树脂分子结构分为直线型，支链型和体型(网状型)三种。按受热时状态不同，可分为热塑性树脂和热固性树脂。

②填料。提高塑料的强度和刚度，减少塑料在常温下的蠕变现象及提高热稳定性。

③增塑剂。

④着色剂。分为染料和颜料两大类。

⑤稳定剂。延长塑料制品的使用寿命。

2)工程中常用塑料制品。

①热塑性塑料

a.低密度聚乙烯(LDPE)。又称高压聚乙烯，具有质轻、吸湿性小、电绝缘性好、延伸性和透明性强、耐寒性好和化学稳定性强等特点，但其强度低，耐老化性能较差。

b.高密度聚乙烯(HDPE)。又称为低压聚乙烯，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。

c.聚丙烯(PP)。具有质轻、不吸水，介电性、化学稳定性和耐热性良好，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。

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。硬聚氯乙烯密度很小，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性能，常用来制作化工、纺织等工业的废气排污排毒塔，以及常用于气体、液体输送管。软聚氯乙烯常制成薄膜，用于工业包装，但不能用来包装食品。

e.聚四氟乙烯(PTFE，F-4)。俗称塑料王，具有非常优良的耐高、低温性能，可在-180～260℃的范围内长期使用。它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。聚四氟乙烯不吸水、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。

f.聚苯乙烯(PS)。具有极高的透明度，透光率可达 90%以上，电绝缘性能好，刚性好及耐化学腐蚀。但其性脆，冲击强度低，易出现应力开裂，耐热性差及不耐沸水等。

g.工程塑料 ABS。普通 ABS 是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，是一种常用的工程塑料。具有“硬、韧、刚”的混合特性，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。

h.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。俗称亚克力或有机玻璃。密度只有无机玻璃一半，机械性能比普通玻璃高得多，能抵抗稀酸、稀碱、润滑油和碳氢燃料的作用，在自然条件下老化缓慢。缺点是表面硬度不高，易擦伤。由于导热性差和热膨胀系数大，易在表面或内部引起微裂纹，因此比较脆弱。

PMMA 树脂是无毒环保的材料，可用于生产餐具，卫生洁具等，具有良好的化学稳定性和耐候性。

②热固性塑料

a.酚醛树脂(PF)。俗称电木粉。酚醛树脂耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。最重要特征是耐高温性，即使在非常高的温度下，也能保持其结构的整体性和尺寸的稳定性;正因为这个原因，酚醛树脂被应用于一些高温领域，如耐火材料、摩擦材料、黏结剂和铸造行业。

酚醛泡沫产品在阻燃方面它具有特殊的优良性能，是电器、仪表、建筑、石油化工等行业较为理想的绝缘隔热保温材料，广泛应用于中央空调系统、轻质保温彩钢板、房屋隔热降能保温、化工管道的保温材料(尤其是深低温的保温)、车船等场所的保温领域。

b.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。化学稳定性很高，成型工艺性能好。环氧树脂是很好的胶黏剂。

c.呋喃树脂。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，但不耐强氧化性介质，是现有耐热树脂中耐热性能最好的树脂之一。

d.不饱和聚酯树脂(UP)

(2)橡胶

(3)合成纤维

三、复合材料

(一)复合材料组成、分类和特点

1.复合材料组成

复合材料中至少包括基体相和增强相两大类。基体相可以由金属、树脂和陶瓷等构成。增强相有纤维状、细粒状和片状等。

2.复合材料的分类

工程上开发应用较多的是纤维增强复合材料。

(1)按基体材料类型可分为树脂基、无机非金属材料基和金属基复合材料三大类。

(2)按增强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。

(3)按用途可分为结构复合材料与功能复合材料两大类。

(4)按增强纤维类型分为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、有机纤维复合材料、复合纤维复合材料和混杂纤维复合材料等。

3.复合材料的特点

(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，抗蠕变能力强

(6)耐腐蚀性好。如玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料，在含氯离子的酸性介质中能长期使用，可用来制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器和搅拌器等设备。

(7)较优良的减摩性、耐磨性、自润滑性和耐蚀性

(二)复合材料基体

(1)树脂基体。

(2)金属基体。金属基复合材料主要有三类：颗粒增强、短纤维或晶须增强、连续纤维或薄片增强。

(3)陶瓷基体。

(三)复合材料增强体

1.纤维增强体。玻璃纤维是应用最为广泛的增强体。

2.颗粒增强体。

3.片状增强体。

(四)复合材料应用

(6)塑料—钢复合材料。综合了低碳钢的强度和塑料的美观、防腐和绝缘的特点。在一定范围内可以代替不锈钢和木材，其性能如下：

1)化学稳定性好，耐酸、碱、油以及醇类的侵蚀，耐水性也好;

2)塑料与钢材间的剥离强度大于或等于 20MPa;

3)深冲加工时不剥离，冷弯 120°不分离开裂(d=0);

4)绝缘性能和耐磨性能良好;

5)具有低碳钢的冷加工性能;

6)在-10～60℃之间可长期使用，短时间使用可耐 120℃。

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