机电工程材料
内容提要：本章首先阐述了工程材料的分类，分为金属材料、无机非金属材料和复合材料三大类。其中金属材料是最重要的工程材料。接着介绍了几种安装工程常用材料，最后论述了安装工程常用管件及附件，以及机电工程材料的性能。
本章重点：金属材料分类及特点
本章难点：工程材料性能
2.1工程材料的分类
工程材料有各种不同的分类方法。一般都将工程材料按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料和复合材料三大类。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：黑色金属和有色金属。
2.1.1黑色金属
黑色金属一般是指钢铁材料，钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料，它们是以铁为基的合金。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，其中一类是杂质元素，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
钢材具有许多重要的优良特性如材质均匀、性能可靠；有高的强度和较好的塑性、韧性，可承受各种性质的荷载；具有优良的可加工性，可焊、可铆、可制成各种形状的型材和零件。
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，这些少量元素对钢材性质影响很大。
1)钢在工程中通用的分类
按化学成分分类
l 碳素钢；
l 低合金钢；
l 合金钢。
2)工程中常用钢
①碳素结构钢
碳素结构钢生产工艺简单，有良好工艺性能必要的韧性、良好的塑性以及价廉，通常在热轧后使用。
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，机械制造中广泛应用。
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，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。
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。
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。某些冷、热变形性能差或难切削加工的钢，则能由铸造成型。
（2）铸铁
铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金，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。
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。
2)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：他的综合机械性能接近于钢，因铸造性能很好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。
③蠕墨铸铁：强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；
④可锻铸铁：可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。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：在铸铁中加入某些合金元素而得到。耐磨铸铁是在磨粒磨损条件下工作的铸铁，具有高而均匀的硬度。
⑥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。
2.1.2有色金属
铁金属以外的其他金属及合金统称为有色金属材料。工程上常用的有色金属包括重金属和轻金属。（1）重金属
1)铜及铜合金
工业纯铜密度为8.96g／cm3，具有良好的导电性、导热性以及优良的焊接性能，纯铜强度不高，硬度较低，塑性好。在纯铜中加入合金元素制成铜合金，除了保持纯铜的优良特性外，还具有较高的强度。一般铜合金分黄铜、青铜和白铜三大类。
2)铅及其合金。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。
3)锌及锌合金
纯锌具有一定的强度和较好的耐蚀性。
锌合金分为变形锌合金、铸造锌合金、热镀锌合金。
4）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的比较理想的金属材料。
（2）轻金属
1)铝及铝合金
工业纯铝密度小，具有良好的导电性和导热性，塑性好，但强度、硬度低，耐磨性差，可进行各种冷、热加工。铝合金分为变形铝合金、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。
2)镁及镁合金
纯镁强度不高，室温塑性低，耐蚀性差，易氧化，可用作还原剂，不能用于结构材料，主要用镁合金。
3)钛及钛合金
纯钛的强度低，但比强度高，塑性及低温韧性好，耐腐蚀性好。随着钛的纯度降低，强度升高，塑性大大降低；钛有许多优异的性能是其它材料所不及的，且资源丰富，储量仅次于铝、铁和镁，成为四大元素之一。钛合金不仅在飞机、导弹、航天和舰船等方面广泛应用，而且也正向民用领域推广。
2.1.3无机非金属材料
（1）硅酸盐材料硅酸盐材料是以天然矿物或人工合成的各种化合物为基本原料，经粉碎、配料、成型和高温烧结等工序制成的无机非金属固体材料。包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷。
1)水泥
通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。
2)玻璃
玻璃是以多种无机矿物为原料，在高温下烧至熔融，再经急冷而得的一种各向同性匀质的硅酸盐材料。其化学稳定性好，质地坚硬，热膨胀系数低，但热稳定性很差，在急热、急冷情况下很容易炸裂，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。
3)陶瓷
陶瓷是以黏土等硅酸盐类矿物为原料，经粉末处理、成型、烧结等过程加工而成。具有坚硬、不燃，不生锈、能承受光照、压力和电作用等优良的性能。
（2）高分子材料
高分子材料是由相对分子质量很大的大分子组成的材料。由小分子单体经聚合反应生成大分子链而得到高分子材料，通过加工制成各种高分子材料制品。
高分子材料由于本身的结构特性，表现出与其他材料所不同的特点，表现为：质轻、透明，具有柔软、高弹的特性；多数高分子材料摩擦系数小，易滑动，能吸收振动和声音能量；是电绝缘体、难导热体，热膨胀较大，耐热温度低，低温脆性；耐水，大多数能耐酸、碱、盐等；具有蠕变、应力松弛现象的黏弹特性；使用过程中会出现“老化”现象。
1)塑料
塑料是以合成的或天然的树脂作为主要成分，添加一些辅助材料如填料、增塑剂、稳定剂、防老剂等，在一定温度、压力下加工成型。塑料的应用十分广泛，按制品的形态，塑料可分为板材、管材、泡沫塑料、模制品和溶液或乳液。
2)橡胶
橡胶是一种具有良好耐酸、碱性能的高分子防腐蚀材料。橡胶分天然橡胶和合成橡胶两大类，它是由生胶、配合剂、增强剂组成，按材料来源不同分为天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶弹性最好，具有强度大、电绝缘性好、不透水的特点。
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。
4)涂料
涂料是一种涂覆于固体物质表面并形成连续性薄膜的液态或粉末状态的物质。涂料的主要功能：
①保护被涂覆物体免受各种作用而发生表面的破坏；
②装饰效果；
③防火、防静电、防辐射。
2.1.4复合材料
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。增强相起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。工程上开发应用较多的是纤维增强复合材料。2.2安装工程常用材料
2.2.1金属型材
普通型钢主要用于建筑结构，如桥梁、厂房结构，但个别也用于粗大的机械构件。普通型钢可分为冷轧和热轧两种，其中热轧最为常用。型材按其断面形状分为：圆钢、方钢、六角钢、角钢、槽钢、工字钢和扁钢等。型材的规格以反映其断面形状的主要轮廓尺寸来表示；圆钢的规格以其直径（mm）来表示；六角钢的规格以其对边距离（mm） 来表示；工字钢和槽钢的规格以其高×腿宽×腰厚（mm）来表示；扁钢的规格以厚度×宽度（mm）来表示。
2.2.2金属板材
（1）钢板安装工程中常用钢板分为普通钢板（黑铁皮）、镀锌钢板（白铁皮）、塑料复合钢板和不锈耐酸钢板等常用钢板。
硅钢片主要用于电工器材的制造。
（2）铝板
延展性能好，适宜咬口连接，耐腐蚀，且具有传热性能良好，在摩擦时不易产生火花的特性，所以铝板常用于防爆的通风系统。
（3）塑料复合钢板
塑料复合钢板是将普通薄钢板表面喷涂一层0.2～0.4mm厚的塑料，塑料具有较好的耐腐蚀性能，安装工程中应用广泛。
2.2.3管材
（1）金属管材l）无缝钢管
2）焊接钢管
3）合金钢管
4）铸铁管
铸铁管的连接形式分为承插式和法兰式两种。
5）有色金属管
①铅及铅合金管。
铅管其耐蚀性能强。铅管不宜在压力下使用。铅管的机械性能不高，但重量很重，是金属管材中最重的一种。
②铜及铜合金。
铜管的导热性能良好，适用工作温度在250℃以下，多用于制造换热器、压缩机输油管、低温管道、自控仪表以及保温拌热管和氧气管道等。
③铝及铝合金管。
铝管的特点是重量轻，不生锈，但机械强度较差，不能承受较高的压力，用于输送浓硝酸、醋酸、脂肪酸、过氧化氢等液体及硫化氢、二氧化碳气体。它不耐碱及含氯离子的化合物，如盐水和盐酸等介质。
④钛及钛合金管。
钛管具有重量轻、强度高、耐腐性强和耐低温等特点，常被用于其他管材无法胜任的工艺部位。
（2）非金属管材
1）混凝土管
2）陶瓷管
3）玻璃管
4）石墨管
5）铸石管
6）橡胶管
7）塑料管
（3）复合管材
1）玻璃钢管（FRP管）。
2）UPVC/FRP 复合管。
3）铝塑复合管（PAP管）。
4）钢塑复合管（SP管）
2.2.4金属线材
金属线材主要指普通低碳钢热轧圆盘条，从品种上来说还有电焊盘条、优质盘条等。圆盘条在工业上应用广泛，可直接用于建筑结构，还可以制作钉子、螺丝等，并可作为钢丝、焊丝的坯料。优质盘条是指优质钢热轧制成的盘条，它的主要用途是作为拉制优质钢丝的坯料。2.2.5电工线材
电线主要采用铜和铝制造，按照有、无绝缘分成两大类：裸电线和绝缘电线。（1）裸电线
裸电线是没有绝缘层的电线，包括铜线、铝线、架空绞线、各种型线。裸电线主要用于户外架空，绝缘导线线芯、室内汇流排和配电柜、箱内连接等用。
（2）绝缘电线
绝缘电线用于电气设备、照明装置、电工仪表、输配电线路的连接等，它一般是由导电线芯、绝缘层和保护层组成。绝缘层的作用是防止漏电。
绝缘导线按工作类型可分为普通型、防火阻燃型、屏蔽型及补偿型等。
（3）电力电缆
电力电缆是传输和分配电能的一种特殊电线，主要用于传输和分配电能，广泛用于电力系统、工矿企业、高层建筑及各行各业中。在城市或厂区，使用电缆可使市容和厂区整齐美观并增加出线走廊，不占用空间。
（4）控制及综合布线电缆
1）控制电缆
控制电缆适用于交流50HZ，额定电压450/750V，600/1000V 及以下的工矿企业、现代化高层建筑等的远距离操作、控制、信号及保护测量回路。
2）综合布线电缆
综合布线电缆用于传输语言、数据、影像和其他信息的标准结构化布线系统，其主要目的是在网络技术不断升级的条件下，仍能实现高速率数据的传输要求。只要各种传输信号的速率符合综合布线电缆规定的范围，则各种通信业务都可以使用综合布线系统。综合布线系统使用的传输媒体有各种大对数铜缆和各类非屏蔽双绞线及屏蔽双绞线。
2.3防腐材料
在安装工程中常用的防腐材料主要有各种有机和无机涂料、玻璃钢、橡胶制品、无机板材等。(1)涂料
涂料是通过一定的涂覆方法涂在物体表面，经过固化而形成薄涂层，从而保护设备、管道和金属结构等表面免受化工大气及酸、碱等介质的腐蚀作用。
(2)玻璃钢
玻璃钢由于有玻璃纤维的增强作用，一般都具有较高的机械强度和整体性，受到机械碰击等不容易出现损伤。玻璃钢衬里结构应具有耐蚀、耐渗以及与基体表面有较好的粘结强度等方面的性能
(3)橡胶
目前主要用于防腐的橡胶是天然橡胶。
(4)耐蚀（酸）非金属材料
2.4绝热材料
绝热材料一般是轻质、疏松、多孔的纤维状材料。绝热结构是由绝热层和保护层两部分组成的。上述绝热材料填充于绝热层，其外部的保护层，因施工方法不同所用的材料不同。涂抹式保护层，所用材料由沥青胶泥和石棉水泥砂浆；金属保护层，所用材料有黑铁皮，镀锌铁皮，聚氯乙烯钢板和不锈钢板等；毡、布类保护层，所用材料有油毡、玻璃布、塑料布、帆布等。
2.5安装工程常用管件及附件
2.5.1管件
(1)螺纹连接管件螺纹连接管件分镀锌和非镀锌两种，一般均采用可锻铸铁制造。常用的螺纹连接管件有管接头，用于两根管子的连接与其他管件的连接；异径管（大小头），用于连接两根直径不同的管子；等径与异径三通、等径与异径四通，用于两根管子平面垂直交叉时的连接；活接头用于需经常拆卸的管道上。
螺纹连接管件主要用于供暖、给排水管道和煤气管道上。在工艺管道中，除需要经常拆卸的低压管道外，其他物料管道上很少使用。
(2)冲压管件和焊接管件
施工中使用的成品冲压管件和焊接管件一般分为冲压无缝弯头、冲压焊接弯头和焊接弯头三种。
(3)高压弯头 （高压管件）
高压弯头是采用优质碳素钢或低合金钢锻造而成。根据管道连接形式，弯头两端加工成螺纹或坡口，加工精度很高。
2.5.2法兰
管道与阀门、管道与管道、管道与设备的连接，常采用法兰连接。采用法兰连接既有安装拆卸的灵活性，又有可靠的密封性。法兰连接是一种可拆卸的连接形式，它的应用范围很广。法兰连接包括上下法兰、垫片及螺栓螺母三部分。(1)平焊法兰
平焊法兰是中低压工业管道最常用的一种。平焊法兰与管子固定时，是将法兰套在管端，焊接法兰里口和外口，使法兰固定。平焊法兰适用于公称压力不超过2.50MPa。
(2)对焊法兰
对焊法兰又称为高颈法兰。它的强度大，不易变形，密封性能较好。
(3)管口翻边活动法兰
(4)焊环活动法兰
(5)螺纹法兰
2.5.3垫片
垫片是法兰连接时起密封作用的材料。根据管道所输送介质的腐蚀性、温度、压力及法兰密封面的形式，垫片种类很多。(1)橡胶石棉垫
(2)橡胶垫片
(3)缠绕式垫片
(4)齿形垫片
(5)金属垫片
(6)塑料垫片
2.6机电工程材料的性能
2.6.1力学性能
力学性能是结构件选材的主要依据其中包括：强度、刚度、塑性、韧性、硬度等。(1)强度指标
金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度 ， 主要有弹性极限、屈服强度、抗拉强度。
(2)刚度指标
刚度反映了材料抵抗弹性变形的能力，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件。
(3)塑性指标
金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力称为塑性，衡量材料延展性性能的指标，包括伸长率和断面收缩率。伸长率在数值上等于试件伸长量与原来长度之比；而断面收缩率在数值上等于断面面积减小与原断面面积之比。
(4)韧性指标
衡量材料承受冲击载荷的能力。韧性是材料破坏所需要的功。主要指标是冲击韧度，代表材料缺口处单位面积上所消耗的功。
(5)硬度
指材料表面抵抗局部塑性变形的能力，是表征材料软硬程度的一种性能。通常材料的强度越高，硬度也越高，耐磨性也越好。
硬度指标：与试验方法有关。生产上，常用静载压入法，常用方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
(6)疲劳
虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。工程上规定，材料经受相当循环周次且不发生断裂的最大应力称为疲劳极限。
2.6.2物理性能
(1)热学性能1)熔点：反映材料由固态变为液态的特征温度。晶体材料具有固定的熔点，非晶体材料没有固定的熔点。高分子材料一般不能用于耐热构件，陶瓷材料常用作高温或耐热涂层材料。
2)热容：材料温度每升高1K所需的能量。根据材料对热量存储的不同使用要求，选择具有不同热容的材料，蓄热材料要求热容大，可以有效地储存热能，散热材料则需要热容小。
3)热膨胀性：因温度变化而引起材料体积膨胀或收缩的现象称为热胀冷缩。材料的热膨胀性将直接影响工程材料的选用、加工，甚至会严重影响其使用。
4)导热性：指热能由高温区向低温区传递的能力。金属材料是良好的热导体，而陶瓷材料则为热的不良导体。
(2)声学性能：反映材料对声波吸收、反射的性能。
(3)光学性能：反映材料在光的照射下的折射率和黑度。
(4)电学性能
1)电阻率：用于衡量材料的导电能力的参数。
2)电阻温度系数：表示材料的导电能力随着温度的变化而变化的参数。
3)介电性：能把带电导体分开并能长期经受电场作用的绝缘材料的性能。
(5)磁学性能：材料在电磁场作用下表现出来的性能。
1)磁导率：材料在单位磁场强度的外磁场作用下材料内部的磁通量密度。
2)饱和磁化强度：铁磁性材料所能达到的最大磁化强度。
2.6.3化学性能
金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。在实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性（又称作氧化抗力，这是特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性），以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。在金属的化学性能中，特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义(1)耐腐蚀性：是材料在使用工艺条件下抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。材料与周围介质直接发生化学反应或与电解质发生电化学反应导致腐蚀的程度，如金属氧化而形成的一层氧化膜和电化学腐蚀等现象，表现了材料耐腐蚀性的特性。
(2)抗渗入性：表现为材料抵抗外界介质侵入的性质。
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