一级造价工程师

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一、工程材料及其分类

工程材料有各种不同的分类方法。一般都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、贵金属、稀土金属和碱土金属。

（二）非金属材料

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。

（三）高分子材料

高分子材料为有机合成材料，也称聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性和重量轻等优良性能。

高分子材料种类很多，工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类：塑料、橡胶、合成纤维。

（四）复合材料

复合材料就是用两种或两种以上不同材料组合的材料，其性能是其它单质材料所不具备的。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成。它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越。

二、常用工程材料

（一）金属材料

1．黑色金属

黑色金属一般是指钢铁材料，是以铁为基的合金。

--含碳量小于2.11%（重量）的合金称为钢；

--而含碳量大于2.11%（重量）的合金称为生铁。工程实际中用的钢和铸铁除含铁、碳以外，还含有其它元素，

--一类是杂质元素，如硫、磷、氢等；

--另一类是根据使用性能和工艺性能的需要，有意加入的合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等，铁碳合金中加入上述元素就成了合金钢或合金铸铁。

（1）钢及其合金的分类和牌号表示方法

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。

--钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响；

含碳量低，钢的强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，钢质较软，易于冷加工、切削和焊接；

含碳量高，钢的强度高、塑性小、硬度大、性脆和不易加工；

--硫、磷为钢中有害元素，含量稍多会严重影响钢的塑性和韧性；

磷使钢显着产生冷脆性；

硫则产生热脆性；

--硅、锰为有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显着降低。

钢的力学性能（如抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧度和硬度等）取决于钢的化学成分和金相组织。

钢的成分一定时，其金相组织主要决定于钢的热处理，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。

我国钢的分类标准（GB/T13304-1991）是参照国际标准ISO4948/1和ISO4948/2钢分类而制订的。（图1.1.1 钢的分类图）

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》（GB/T221-2000）中规定，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：

① 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。

碳素结构钢牌号由代表屈服点的字母"Q"、屈服点等级、质量等级和脱氧程度等四部分按顺序组成。

--屈服点数值共分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275N/mm2五种；

--质量等级以硫、磷杂质含量多少，分别用A、B、C、D符号表示；

--脱氧程度如上所述，Z和TZ在表示钢的牌号时可以省略。如Q235-AF表示屈服点为235N/mm2、质量等级为A的沸腾钢。

优质碳素钢的牌号以两位数字表示，数字代表含碳量的百分之几（以0.01%为单位），--如钢号为20，表示平均含碳量为0.20%的优质碳素钢；钢号为45，表示平均含碳

量为0.45%的优质碳素钢。

低合金高强度结构钢原名为普通低合金钢。

--低合金高强度结构钢以屈服点等级为主，划分成五个牌号，其表示方法如下：

屈服点等级加质量等级：

屈服点等级：Q295、Q345、Q390、Q420和Q460；

质量等级：E、D、C、B、A。

--由于合金元素的强化作用，使低合金结构钢不但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。低合金高强度结构钢主要用于焊接结构，其制造工艺主要是冷、热压力加工和焊接。

合金结构钢的牌号按下列规则编制。

--用两位阿拉伯数字数字表示平均含碳量（以万分之几计），放在牌号头部。

合金元素含量为1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%、4.50%~5.49%、…… 时，相应地注为2、3、4、5……；

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；

如30CrMnSi表示碳、铬、锰、硅平均含量分别为0.30%、0.95%、0.85%、1.05%的合金结构钢。

高级优质合金结构钢

--在牌号尾部加符号"A"表示，如"30CrMnSiA"；

--特级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号"E"表示，如"30CrMnSiE"

3）工程中常用钢及其合金的性能和特点。

① 碳素结构钢。碳素结构钢包括普通碳素结构钢（GB/T700-1988）和优质碳素结构钢（GB/T699-1999）。

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。

② 优质碳素结构钢。与普通碳素结构钢相比，优质碳素结构钢塑性和韧性较高。并可通过热处理强化，多用于较重要的零件，是广泛应用的机械制造用钢。

根据含碳量的不同，优质碳素钢分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

③ 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。

④ 合金结构钢。

合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上加入适量的一种或数种合金元素而形成的，它的综合力学性能优于优质碳素结构钢。

合金结构钢是合金钢中用量最多的一类钢，广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。

⑤ 不锈耐酸钢。

不锈耐酸钢简称不锈钢。它是指在空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质中具有高稳定性的钢种。

--铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主要合金元素，通常含铬量的质量分数大于或等于13.00%，不含镍。

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，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。如0Crl3不锈钢在弱腐蚀介质中，如淡水中，有良好的耐蚀性。

--马氏体型不锈钢。

铬是钢中的主要合金元素，钢在淬火-回火状态使用，有较高的强度、硬度和耐磨性。通常用在弱腐蚀性介质，如海水、淡水和水蒸气等中，使用温度小于或等于580℃、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，其次是钛、铌、钼、氮和锰等。

此钢具有奥氏体组织，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。

但是这类钢的屈服强度低，且不能采用热处理方法强化，而只能进行冷变形强化。

--铁素体-奥氏体型不锈钢。

这类钢是在奥氏体不锈钢基础上，添加更多的铬、钼和硅等有利于形成铁素体的元素，或降低钢的含碳量而获得的。

其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。

--沉淀硬化型不锈钢。这类钢的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。

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，如汽轮机零件。

⑥ 铸钢。

铸钢具有较高的强度、塑性和韧性，可以铸成各种形状、尺寸和质量的铸钢件。

--碳素钢铸钢。

牌号有两种表示方法，也即是以强度表示的铸钢牌号和以化学成分表示的铸钢牌号。

例如：

ZG200-400：是以强度表示的碳素钢铸钢牌号，即在ZG后面加两组力学性能数字，第一组数字表示该钢的屈服强度最低值（MPa），第二组数字表示该钢的抗拉强度最低值（MPa）。

例如：以化学成分表示的铸钢牌号

ZG15Cr1Mo1V：是以化学成分表示的合金钢铸钢牌号，即在ZG后面依次加上表示铸钢的名义万分含碳量及合金元素的名义百分含量，

--低合金钢铸钢。根据JB/T6402-1992低合金钢铸钢牌号表示方法，以化学成分表示低合金钢铸钢牌号。

例如：

ZG35CrMnSi：即在ZG后面依次加上表示铸钢的名义万分含碳量及合金元素的名义百分含量。

（2）铸铁的分类和牌号表示方法

铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳含金，并且还含有较多量的硅、锰、硫和磷等元素。

它具有生产设备和工艺简单、价格便宜等优点。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。

铸铁是铁碳合金的一种，与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。

但是，杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，

--如磷在耐磨磷铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素；

--锰、硅都是铸铁中的重要元素；

--唯一有害的元素是硫。

铸铁的韧性和塑性，主要取决于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。

基体组织是影响铸铁硬度、抗压强度和耐磨性的主要因素。

按照石墨的形状特征，铸铁可分为三大类：

--灰口铸铁（石墨成片状）；

--球墨铸铁（石墨成球状）；

--可锻铸铁（石墨成团絮状）。

2）铸铁牌号的表示方法

3）工程中常用铸铁的性能和特点

① 灰口铸铁。灰口铸铁的组织由石墨和基体两部分组成。

② 球墨铸铁。

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。

不同基体的球墨铸铁，性能差别很大，球墨铸铁具有较好的疲劳强度，实验表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45#钢。

在实际应用中，大多数承受动载的零件是带孔或带台肩的，因此用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。

③ 蠕墨铸铁。是一种新型高强铸铁材料。

它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。

④ 可锻铸铁。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。

⑤ 耐磨铸铁。

⑥ 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、坩埚、热处理炉内的运输链条等。

⑦ 耐蚀铸铁。常用耐蚀铸铁有高硅、高硅钼、高铝和高铬等耐蚀铸铁。

2. 有色金属

1）铝及其合金。铝及其合金在采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比一般高强钢高得多。

纯铝材料按纯度可分为三类：有高纯铝，工业高纯铝和工业纯铝。

按照制造工艺，铝合金还可分为：变形（加工）铝合金和铸造铝合金两类。

--变形铝合金包括：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金等。

--铸造铝合金（ZL）分为：Al-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。

2）铜及其合金。纯铜呈紫红色，常称紫铜，主要用于制作电导体及配制合金。根据杂质含量的不同，工业纯铜分为四种T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。

纯铜的强度低，不宜用作结构材料。

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。

3）镍及其合金。镍力学性能良好，尤其塑、韧性优良，能适应多种腐蚀环境。

4）钛及其合金。钛具有较好的低温性能，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。

6）镁及其合金。

--镁及其合金的主要特性是密度小、化学活性强、强度低。

纯镁强度低，不能用于结构材料，主要用镁合金。

镁合金的比强度和比刚度可以与合金结构钢相媲美，故镁合金是航空工业的重要结构材料，它能承受较大的冲击、振动荷载，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

（1）耐火材料的主要性能指标和分类：

1）耐火材料的主要性能指标

① 耐火度。耐火度是耐火材料受热后软化到一定程度的温度。

② 荷重软化温度。

③ 高温化学稳定性。高温化学稳定性是耐火材料抗炉气和炉料腐蚀的能力；

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

① 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；

--按材料密度分为重质耐火材料和轻质耐火材料；

--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。

低钙铝酸盐耐火水泥是用优质铝钒土和石灰石，按一定比例配合经烧结、磨细制成。

耐火混凝土具有施工简便、价廉和炉衬整体密封性强等优点，但强度较低。

--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。

3．耐蚀（酸）非金属材料

（1）铸石

--铸石具有极优良的耐磨与耐化学腐蚀性、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。

（2）石墨

石墨按照来源不同可分为天然石墨和人造石墨。它不仅具有高度的化学稳定性，还具有极高的导热性能。

石墨材料具有高熔点（3700℃），在高温下有高的机械强度。当温度增加时，石墨的强度随之提高。石墨在3000℃以下具有还原性，并且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，石墨的导热系数比碳钢大2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。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。

（3）玻璃

按形成玻璃的氧化物可分为：

--硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等，其中硅酸盐玻璃是应用最为广泛的玻璃品种。

（4）天然耐蚀石料

--天然耐蚀石料的组成含二氧化硅的质量分数大于55.0%，且其含量越高耐酸性能越

好。

--含氧化镁、氧化钙的质量分数在50.0%以上的石料，有较好的或好的耐碱性能，但

不耐酸侵蚀。

（5）水玻璃型耐酸水泥

--水玻璃型耐酸水泥具有能抗大多数无机酸和有机酸腐蚀的能力

--不耐碱。

4．陶瓷材料

陶瓷材料属于硅酸盐材料。

陶瓷材料有着许多区别于其它材料的物理化学性能。比如高温化学稳定性、超硬的特点和极好的耐腐蚀性能。

常用的陶瓷材料

--在工程中常用的陶瓷有电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、结构陶瓷和耐酸陶瓷等。

（三）高分子材料

1．高分子材料的基本概念

--高分子材料具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性和重量轻等优良性能。

高分子材料一般分天然和人工合成两大类。

--工程上的高分子材料主要是人工合成的各种有机材料。

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

高分子材料的基本性能及特点是：

--质轻，比强度高，有良好的韧性，减摩、耐磨性好，电绝缘性好，耐蚀性；

--化学稳定性好， 导热系数小，易老化，易燃，耐热性好，刚度小。

3．工程中常用高分子材料

--塑料制品、橡胶、合成纤维

（1）塑料制品

掌握以下各种塑料的主要特性：

① 热塑性塑料

a低密度聚乙烯（LDPE）

b高密度聚乙烯（HDPE）

c聚丙烯（PP）

d聚氯乙烯（PVC）

e聚四氟乙烯（PTFE，F-4）

f聚苯乙烯（PS）

g ABS

h聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

② 热固性塑料

a酚醛模塑料（PF）

b酚醛玻璃纤维增强塑料

c环氧树脂（EP）

d 呋喃树脂

e 不饱和聚酯树脂

（2）橡胶

1）天然橡胶（NR）

2）丁基橡胶（IIR）

3）氯丁橡胶（CR）

4）氟硅橡胶（MFQ）

（3）合成纤维

合成纤维具有强度高、密度小、耐磨和不霉不腐等特点，广泛用于制作衣料。在工农业生产、交通运输及国防建设上也发挥了很大作用。

（四）复合材料

与普通材料相比，复合材料具有许多特性，可改善或克服单一材料的弱点，通过相关材料的复合，充分发挥点一材料的优点，并赋予材料新的性能；

1． 复合材料组成、分类和特点

--复合材料中至少包括基体相和增强相两大类。

基体相起粘结、保护增强相并把外加荷载造成的应力传递到增强相上去的作用，基体相可以由金属、树脂和陶瓷等构成，在承载中，基体相承受应力作用的比例不大；

增强相是主要承载相，并起着提高强度（或韧性）的作用，增强相的形态各异，有纤维状、细粒状和片状等。

按基体材料类型可分为：有机材料基、无机非金属材料基和金属基复合材料三大类。

2． 复合材料特点

可按照构件的结构和受力要求，给出预定的分布、合理的配套性能，进行材料的最佳设计等。具体表现在：

（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。

（7）复合材料还具有较优良的减摩性、耐磨性、自润滑性和耐蚀性等特点，而且复合材料构件制造工艺简单，表现出良好的工艺性能，适合整体成型。

3．复合材料增强体

（1）纤维增强体

（2）颗粒增强体

（3）片状增强体

4．复合材料基体

（1）树脂基体。树脂基复合材料是复合材料中最主要的一类，通常称为增强塑料。

（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。多种金属及其合金可用作基体材料。

（3）陶瓷基体。制作陶瓷基复合材料的主要目的是增加韧性。适用陶瓷基复合材料的基体材料主要有氧化物陶瓷基体（氧化铝陶瓷基体和氧化锆陶瓷基体等）。非氧化物陶瓷基体（氮化硅陶瓷基体、氮化铝陶瓷基体、碳化硅陶瓷基体及石英玻璃）

5．复合材料应用

（1）用玻璃纤维增强塑料得到的复合材料，俗称玻璃钢。

（2）碳纤维增强酚醛树脂、聚四氟乙烯复合材料，

（3）石墨纤维增强铝基复合材料，

（4）合金纤维增强的镍基合金

（5）颗粒增强的铝基复合材料

（6）塑料-钢复合材料

（7）塑料-青铜-钢背三层复合材料

（8）塑料－铝合金。

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