一級建造師《機電工程》教材知識點：1H411011常用金屬材料的類型及應(yīng)用

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　　1H411000機電工程常用材料及工程設(shè)備

　　1H411010機電工程常用材料

　　1H411011常用金屬材料的類型及應(yīng)用

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　　金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩大類。機電工程常用的金屬材料主要是制造各種大型金屬構(gòu)件的用鋼，如建筑、機電、冶金、石化、電力以及鍋爐壓力容器、壓力管道等工程的用鋼。本條主要知識點是：黑色金屬材料的類型及應(yīng)用;有色金屬材料的類型及應(yīng)用。

　　一、黑色金屬材料的類型及應(yīng)用

　　(一)碳素結(jié)構(gòu)鋼

　　1.碳素結(jié)構(gòu)鋼的分級。碳素結(jié)構(gòu)鋼又稱為普碳鋼，在國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/工700--2006中，按照碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服強度的下限值將其分為四個級別，其鋼號對應(yīng)為Q195,Q215,Q235和Q275，其中Q代表屈服強度，數(shù)字為屈服強度的下限值，數(shù)字后面標(biāo)注的字母A、B、C、D表示鋼材質(zhì)量等級，即硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，A級鋼中硫、磷含量最高，D級鋼中硫、磷含量最低。

　　2.碳素結(jié)構(gòu)鋼的特性及用途

　　(1)Q195,Q215,Q235A和Q235B塑性較好，有一定的強度，通常軋制成鋼筋、鋼板、鋼管等;Q235C,Q235D可用于重要的焊接件;Q235和Q275強度較高，通常軋制成型鋼、鋼板作構(gòu)件用。

　　(2)碳素結(jié)構(gòu)鋼具有良好的塑性和韌性，易于成型和焊接，常以熱軋態(tài)供貨，一般不再進行熱處理，能夠滿足一般工程構(gòu)件的要求，所以使用極為廣泛。

　　例如，機電工程中常見的各種型鋼、鋼筋、鋼絲等，優(yōu)質(zhì)的碳素鋼還可以制成鋼絲、鋼絞線、圓鋼、高強螺栓及預(yù)應(yīng)力錨具等。

　　例如，武漢長江大橋是使用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235制造的。

　　(二)低合金結(jié)構(gòu)鋼

　　1.低合金結(jié)構(gòu)鋼的分級。低合金結(jié)構(gòu)鋼也稱為低合金高強度鋼，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 1591--2008，根據(jù)屈服強度劃分，其共有Q345,Q390、Q420,Q460,Q500,Q550,Q620和Q690八個強度等級。

　　2.低合金結(jié)構(gòu)鋼的特性及用途

　　(1)低合金結(jié)構(gòu)鋼是在普通鋼中加入微量合金元素，而具有高強度、高韌性、良好的冷成形和焊接性能、低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度和良好的耐蝕性等綜合力學(xué)性能，如，Q345強度比普碳鋼Q235高約20%～30%，耐大氣腐蝕性能高20%～38%，用它制造工程結(jié)構(gòu)，重量可減輕20%～30%。

　　(2)低合金結(jié)構(gòu)鋼主要適用于橋梁、鋼結(jié)構(gòu)、鍋爐汽包、壓力容器、壓力管道、船舶、車輛、重軌和輕軌等制造，用它來代替碳素結(jié)構(gòu)鋼，可大大減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)省鋼材。

　　例如，2008年北京奧運會主會場一國家體育場“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)總重為4.6萬工，最大跨度343m，所用的鋼材就是Q460，屈服強度為460MPa，是由我國自主研發(fā)生產(chǎn)的，這是國內(nèi)在鋼結(jié)構(gòu)上首次使用Q460鋼材，這次使用的鋼板厚度達到ll0mm。

　　例如，某600MW超超臨界電站鍋爐汽包使用的就是Q460型鋼;機電工程施工中使用的起重機就是Q345型鋼制造的。

　　(三)鑄鋼和鑄鐵

　　1.鑄鋼

　　(1)鑄鋼的分類

　　鑄鋼分碳素鑄鋼、合金鑄鋼等類型。

　　(2)鑄鋼的特性及用途

　　將鋼鑄造成形，即能保持鋼的各種優(yōu)異性能，又能直接制造成最終形狀的零件。鑄鋼主要用于制造形狀復(fù)雜，需要一定強度、塑性和韌性的零件。

　　例如，軋鋼機機架是軋鋼機組的重要結(jié)構(gòu)件，要求有較好的強度和較好的塑性，以及較好的鑄造性能、焊接性能和加工性能，軋鋼機機架就是選擇碳素鑄鋼制造加工的。

　　例如，吊車所用的齒輪有開式小齒輪、大齒輪、過渡齒輪三種不同尺寸的齒輪，一般均采用合金鑄鋼件。

　　2.鑄鐵

　　(1)鑄鐵的分類

　　鑄鐵是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的鐵碳合金，含有較多的Si,Mn,S、P等元素。常用鑄鐵有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、特殊性能鑄鐵等。

　　(2)鑄鐵的特性及用途

　　鑄鐵具有許多優(yōu)良的使用性能和工藝性能，并且生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單，可以用來制造各種機器零件。

　　例如，普通罩殼、閥殼等強度要求不高，可采用灰鑄鐵制造;液壓泵殼體強度有較高要求，可采用孕育鑄鐵(經(jīng)孕育處理后的灰鑄鐵);汽車發(fā)動機凸輪軸常用球墨鑄鐵制造。

　　(四)特殊性能低合金高強度鋼

　　1.特殊性能低合金高強度鋼分類

　　特殊性能低合金高強度鋼也稱特殊鋼，是指具有特殊化學(xué)成分、采用特殊工藝生產(chǎn)、具備特殊的組織和性能、能夠滿足特殊需要的鋼類。其中，工程結(jié)構(gòu)用特殊鋼主要包括：耐候鋼、耐熱鋼、耐海水腐蝕鋼、耐磨鋼、表面處理鋼材、汽車沖壓鋼板、石油及天然氣管線鋼、工程機械用鋼與可焊接高強度鋼、鋼筋鋼、低溫用鋼以及鋼軌鋼等。

　　2.特殊性能低合金高強度鋼的特性及用途

　　例如，在橋梁、建筑、塔架、車輛和其他要求耐候性能好的螺栓連接等鋼結(jié)構(gòu)中使用的耐候鋼，就是在鋼中加入少量的合金元素，如Cu,Cr,Ni,P等，使其在金屬基體表面形成保護層，提高了鋼材的耐候性能，同時保持鋼材具有良好的焊接性能。

　　例如，在加熱爐、鍋爐、燃氣輪機等高溫裝置中的零件就是使用耐熱鋼，要求在高溫下具有良好的抗蠕變、抗斷裂和抗氧化的能力，以及必要的韌性。

　　例如，鋼軌鋼分為輕軌鋼和重軌鋼，輕軌鋼主要用于使用臨時運輸線和中小型起重機軌道，重軌鋼主要用于鐵道、大型起重機軌和吊車軌道。

　　例如，車輛履帶、挖掘機鏟斗、破碎機腭板、鐵軌分道叉等使用的就是耐磨鋼，耐磨鋼常用于承受嚴(yán)重磨損和強烈沖擊的零件。

　　(五)鋼材的類型及應(yīng)用

　　1.型鋼。在機電工程中常用型鋼主要有：圓鋼、方鋼、扁鋼、H型鋼、工字鋼、T型鋼、角鋼、槽鋼、鋼軌等。

　　例如，電站鍋爐鋼架的立柱通常采用寬翼緣H型鋼(HK300b);為確保爐膛內(nèi)壓力波動時爐墻有一定的強度，在爐墻上設(shè)有足夠強度的剛性梁。一般每隔3m左右裝設(shè)一層，其大部分采用強度足夠的工字鋼制成。

　　2.板材。按其厚度分為厚板、中厚板和薄板。按其軋制方式分為熱軋板和冷軋板兩種，其中冷軋板只有薄板。按其材質(zhì)有普通碳素鋼板、低合金結(jié)構(gòu)鋼板、不銹鋼板、鍍鋅鋼薄板等。

　　例如，油罐、電站鍋爐中的汽包就是用鋼板焊制成的圓筒形容器。其中，中、低壓鍋爐的汽包材料常為專用的鍋爐碳素鋼，高壓鍋爐的汽包材料常用低合金鋼制造。

　　3.管材。在機電工程中常用的有普通無縫鋼管、螺旋縫鋼管、焊接鋼管、無縫不銹鋼管、高壓無縫鋼管等，廣泛應(yīng)用在各類管道工程中。

　　例如，鍋爐水冷壁和省煤器使用的無縫鋼管一般采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼管或低合金鋼管，但過熱器和再熱器使用的無縫鋼管根據(jù)不同壁溫，通常采用15CrMo或12CrlMoV等鋼材。

　　4.鋼制品。在機電工程中，常用的鋼制品主要有焊材、管件、閥門等。

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　　二、 皇金屬的類型及應(yīng)用

　　通常將鋼鐵以外的金屬及其合金，統(tǒng)稱為有色金屬。有色金屬具有鋼鐵所沒有的許多特殊的力學(xué)和物理性能，為機電工程中不可缺少的材料。

　　有色金屬的種類很多，密度大于4.5 g/cm3的金屬稱為重金屬，如銅、鋅、鎳等;密度小于等于4.5 g/cm3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鈦等。

　　1.重金屬

　　(1)銅及銅合金的特性及應(yīng)用

　　工業(yè)純銅密度為8.96g/cm3，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及優(yōu)良的焊接性能，純銅強度不高，硬度較低，塑性好。主要用于作導(dǎo)體、制造抗磁性干擾的儀器和儀表零件，如羅盤、航空儀表等零件。

　　在純銅中加入合金元素制成銅合金，除了保持純銅的優(yōu)良特性外，還具有較高的強度，主要品種有黃銅、青銅和白銅，在機電工程中廣泛使用的是銅合金。

　　例如，機電設(shè)備冷凝器、散熱器、熱交換器、空調(diào)器等就是使用黃銅制造的，黃銅是以鋅為主要合金元素制成的銅合金。

　　(2)鋅及鋅合金的特性及應(yīng)用

　　純鋅具有一定的強度和較好的耐腐蝕性，在室溫下較脆，在100～150℃時變軟，超過200℃后又變脆。

　　鋅合金的特點是密度大、鑄造性能好，可壓鑄形狀復(fù)雜、薄壁的精密件，如壓鑄儀表、汽車零部件外殼等。鋅合金分為變形鋅合金、鑄造鋅合金和熱鍍鋅合金。

　　(3)鎳及鎳合金的特性及應(yīng)用

　　純鎳是銀白色的金屬，強度較高，塑性好，導(dǎo)熱性差，電阻大。鎳表面在有機介質(zhì)溶液中會形成鈍化膜保護層而有極強的耐腐蝕性，特別是耐海水腐蝕能力突出。

　　鎳合金是在鎳中加入銅、鉻、鉬等而形成的，耐高溫，耐酸堿腐蝕。鎳合金按其特性和應(yīng)用領(lǐng)域分耐腐蝕鎳合金、耐高溫鎳合金和功能鎳合金等。

　　例如，在化工、石油、船舶等領(lǐng)域用作閥門、泵、船舶緊固件、鍋爐熱交換器等。

　　2.輕金屬

　　(1)鋁及鋁合金的特性及應(yīng)用

　　工業(yè)純鋁密度小，熔點低，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，僅次于金、銀和銅，塑性

　　好，但強度、硬度低，耐磨性差，不適合制作受力的機械零件，可進行各種冷、熱加工。工業(yè)純鋁廣泛應(yīng)用于制造硝酸、含硫石油工業(yè)、橡膠硫化和含硫的藥劑等生產(chǎn)所用設(shè)備，如反應(yīng)器、熱交換器、槽車和管件等。

　　在鋁中加入銅、錳、硅、鎂、鋅等合金元素制成的鋁合金，由于合金元素的強化作用，可用于制造承受荷載較大的構(gòu)件。鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。

　　例如，油箱、油罐、管道、鉚釘?shù)刃枰獜澢蜎_壓加工的零件就是使用變形鋁合金，變形鋁合金塑性好，易于變形加工。

　　(2)鎂及鎂合金的特性及應(yīng)用

　　純鎂強度不高，室溫塑性低，耐腐蝕性差，易氧化，可用作還原劑。

　　在鎂中加入鋁、錳、鋅等可制成鎂合金，鎂合金可分為變形鎂合金、鑄造鎂合金。許多鎂合金既可做鑄造鎂合金，也可做變形鎂合金。經(jīng)過鍛造和擠壓后，變形鎂合金比相同成分的鑄造鎂合金有更高的強度。

　　鎂合金主要優(yōu)點是密度小，強度高，剛度高，抗振能力強，可承受較大沖擊荷載。如，鎂合金彈性變形功效大，吸收能量多，減振性好，飛機的起落架輪轂很多就是采用鎂合金制造，就是發(fā)揮其減振性好這一特性。但鎂合金抗蝕性差，在使用時要采取防護措施，如氧化處理，涂裝保護等。

　　例如，鎂合金比強度比鋁合金高，使用鎂合金可減輕飛機、發(fā)動機、儀表等重量。目前，國外在汽車上應(yīng)用鎂合金零部件已經(jīng)超過60種，已經(jīng)大批量生產(chǎn)的如儀表盤、輪轂、桌椅框架、變速箱殼、發(fā)動機罩和汽缸蓋等。

　　(3)鈦及鈦合金的特性及應(yīng)用

　　純鈦的強度低，高熔點，但比強度高，塑性及低溫韌性好，耐腐蝕性好，容易加工成型。純鈦在大氣和海水中有優(yōu)良的耐腐蝕性，在硫酸、鹽酸、硝酸等介質(zhì)中都很穩(wěn)定。隨著鈦的純度降低，強度升高r塑性大大降低。

　　在純鈦中加入合金元素對其性能進行改善和強化形成鈦合金，其強度、耐熱性、耐腐蝕性高，具有無磁性，聲波和振動的低阻尼特性，生物相容性好，與碳復(fù)合材料的相容性好，具有超導(dǎo)特性、形狀記憶和吸氫特性等優(yōu)異性能，但也存在一些缺點，如熱加工困難，冷加工性能差，切削加工性差，抗磨性差等。

　　目前，只有碳纖維增強塑料的比強度高于鈦合金，鈦合金是比強度最高的金屬材料。所以，也被稱為“太空金屬”，這也是鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)的主要原因。例如，在飛機發(fā)動機上，鈦合金常用做壓氣機盤、壓氣機葉片、發(fā)動機罩、燃燒室外殼及噴氣管等。

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