水工艺设备基础
给排水工程（ 净水厂, 污水处理厂 ）
? 工程建设中，设备部分的选择、投资、安
装
? 运行过程中，设备部分的使用、维修
水工艺设备基础
? 课程性质：专业基础课程。 1999年制定的给水排水工程
学科专业目录。 2000年通过的给水排水工程本科课程教
学大纲。
? 课程任务：了解与水工艺设备的制造、设计、工艺特点、
适用条件有关的基本知识。
? 主要内容：水工艺设备常用材料、水工艺设备理论基础、
典型水工艺设备。
? 要求先修课程：水力学、工程力学、无机化学、有机化
学、电子电工学基础。
水工艺设备基础
? 教材：
《水工艺设备基础》，黄廷林主编，中国建工出版社，
2002年 6月；
? 参考书：
实用水处理设备手册，史惠祥主编，化工出版社,2000年；
给水排水设计手册（第九册）专用机械，上海市政院编，
2000年；
机械工程材料，文九巴编，机械工业出版社,1998年。
水工艺设备基础
基本要求：
? 基本掌握与水工艺设备设计、制造有关的材料学、机械
制造与传动、结构力学、传热学等方面的基本知识；
? 系统了解和掌握常用水工艺设备的基本原理、典型构造、
工艺特点与分类及其适用条件；
? 能够为水工艺设备的开发、研制或改进提出工艺、材料、
结构等方面的要求；
? 能够根据工程及工艺要求，选择适宜的设备（器材）类
型。
教材章节分布
? CH1 水工艺设备常用材料 重点掌握常用材料的基本性
能、不同材料的使用条件，能根据工艺结构要求合理选
用材料。
? CH2 材料设备的腐蚀、防护及保温
? CH3 水工艺设备理论基础：容器应力、机械传动制造、
热量传递与交换
? CH4 水工艺设备分类
? 各种专业设备的工艺原理、基本结构、适用范围与条件。
第一章 水工艺设备常用材料
工程材料
金属材料
非金属材料
钢铁材料
有色金属材料
合金材料
无机非金属材料（ 陶瓷 ）
有机高分子材料
第一章 水工艺设备常用材料
? 选取设备材料的原则,(技术经济性 )
材料在整个设备工作寿命期限内要满足工艺
和机械两方面要求，即保证材料 对水质无污染
或具有良好的耐腐蚀性能,同时保证材料 具有
足够的强度、良好的连接性能和其他加工性能。
另外，所选用的材料还应考虑到维修、更新等
因素在内的最经济的材料。
选材的原则和方法
? 方法：
1、经验法：根据经验或参考同类设备零件选材，进行必要的
校核计算选择；
2、替代法：材料短缺、经济原因、工艺手段或出现新材料；
3、综合分析法：对零件的工作条件全面分析计算，确定主要
性能指标，再选择。
? 原则：
1、满足零件的使用性能要求，在一定的寿命期限内正常工作；
2、具有较好的工艺性能，便于加工，并易于保证加工质量；
3、有较好的经济性。
1.1 金属材料
? 主要有碳钢、铸铁、不锈钢、合金钢、有色金
属
? 金属材料的特点：
具有较高的强度、良好的塑性和变形能力（金
属键结合）；
良好的导电性、导热性（共用电子自由运动）；
不透明，有金属光泽，对光具有良好的反射性
能；
有正的电阻温度系数 。
1.1.1 金属材料的分类
? 铁属于过渡性元素，在常压下熔点 1538
度，固态铁的特性是同素异构转变，即
不同温度下具有不同的晶体结构。
? 钢在不同情况下有五种相：
液相 L:铁和碳的液体溶液。
δ 相,1394度，高温铁素体
γ 相,912度，奥氏体
α 相,1394度，铁素体
Fe3C相：渗碳体
钢按化学成分分类
碳钢
合金钢
低碳钢 ωc<0.25%
中碳钢 0.3<ωc<0.55%
高碳钢 ωc>0.6%
低合金钢（合金元素总量小于 5 ％ ）
中合金钢（合金元素总量 5～ 10 ％ ）
低合金钢（合金元素总量大于 10 ％ ）
按质量和用途分类
? 按质量（硫磷含量）分为：
普通钢,S<0.055% P<0.045%
优质钢,<0.040%
高级优质钢,S<0.030% P<0.035%
? 按用途分为：
结构钢,构件、零件。
工具钢,刀具、量具、模具。
特殊性能钢
1.1.1 金属材料的分类
? 钢的编号
1、普通碳素结构钢,Q235-AF表示屈服强
度为 235MPa的 A级沸腾钢
2、优质碳素结构钢,45钢,45Mn钢
3、碳素工具钢,T8钢
4、合金结构钢,30CrMnSi钢
5、合金工具钢,9SiCr
1.1.2 金属材料基本性能
? 金属材料的化学成分
C,随含碳量增加，钢的强度和硬度不断
提高，塑性、韧性随之下降。含碳量超过
0.9％时，钢强度降低。含碳量高影响钢
的焊接性能。
S,硫使钢热加工时容易开裂，降低钢韧
性，含量须严格控制
P,降低韧性，冷脆现象，须严格控制
Mn:有益元素，提高强度和硬度
Si:有益元素
1.1.2 金属材料基本性能
? 物理性能：密度、熔点、热膨胀系数、导
热性、导电性、弹性模量
? 工艺性能：材料在加工方面的物理、化学
和机械性能的综合表现，即加工性能。
? 可焊性
? 可锻性
? 切削加工性
? 成型工艺性
金属材料基本性能
? 机械性能：
弹性,材料在外力
作用下产生变形，
当外力去除后能够
恢复其原来形状的
性能。
塑性,在外力作用
下材料产生塑性永
久变形而不被破坏
的能力。
金属材料基本性能
强度,指材料在外力作用下，抵抗塑性变形
和断裂的能力。由于载荷的作用方式有拉
伸、压缩、弯曲、剪切等，所以强度也分
为抗拉强度（最大应力）、屈服强度（产
生屈服）、疲劳强度（无限次应力循环而
不断裂的最大应力）、硬度（抵抗表面局
部塑性变形及破坏）。
韧性,材料对缺口或裂纹敏感程度的反映，
用来衡量材料的抗裂纹扩展能力。
1.1.2 金属材料基本性能
? 热处理性能：以改善钢材的某些性能为目
的，将钢材在固态下加热到一定温度，在
此温度下保持一定时间，然后以不同的速
度冷却的一种操作。
普通
表面
退火
正火
淬火
回火
表面淬火
表面化学热处理
热处理工艺
? 退火：将钢件加热到高于或低于钢的临界温度，保温一定时
间，随后以极缓慢的速度冷却（切断热源炉冷）。目的是降
低硬度，利于切削加工；细化晶粒，改善组织，提高机械性
能；消除内应力，提高塑性和韧性。
? 正火：将钢件加热到临界温度以上，保温后在空气中冷却。
目的是改善组织，提高强度和韧性，改善切削加工性。
? 淬火：将钢件加热到某一温度，保温一定时间，迅速冷却至
室温（油冷或水冷），目的是提高钢的硬度。
? 回火：将淬火后的钢件加热到某一温度，保温一定时间，然
后取出空冷或油冷。目的是提高韧性，降低脆性。
表面热处理工艺
? 表面淬火：将钢件表面进行快速加热，然后快速冷却的
局部淬火。目的是获得高硬度的表面层和有利的残余应
力分布，提高耐磨性和疲劳强度。感应加热法和火焰加
热法。
? 化学热处理：将钢件放入一定的化学介质中加热和保温，
使介质中的活性原子渗入工件表层，使表面的化学成分
发生变化，从而改变金属的表面组织和性能。目的是使
工件心部有足够的强度和韧性，表面具有高的硬度和耐
磨性，提高工件的疲劳强度、表面抗蚀性和耐热性。方
法有渗碳、渗氮、碳氮共渗。
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 腐蚀：在金属部件中经常发生的一种现象，钢的生
锈，高温下的氧化，石油管道，化工设备，船舶壳
体的损坏都与腐蚀有关。 金属的腐蚀分为化学腐蚀
和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属和周围介质直接发
生化学反应,如金属加热生成氧化皮。 电化学腐蚀
是金属在电解质溶液中由于原电池作用引起的，当
两种金属互相连接放入电解质溶液时，由于两种金
属的电极电位不同，彼此形成原电池，有电流产生，
阳极被腐蚀，阴极被保护。 为了避免腐蚀，一种方
法是 形成表面保护膜,另一种是使金属呈单相组织，
避免形成两个电极，依靠合金元素提高铁素体或奥
氏体的电极电位。
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 耐蚀性：材料抵抗周围介质对其腐蚀破坏
的能力。耐蚀性随材料的工作条件而改变
? 碳钢的耐蚀性：在淡水、大气、土壤、海
水中不耐蚀，在各类干燥空气和有机溶剂
中耐蚀性良好，在低浓度碱溶液、浓硫酸
中耐蚀。影响因素：介质、含碳量、热处
理条件
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 耐蚀低合金钢：在碳钢中加入合金元素的
总量低于 3％左右的合金。
? 加入的合金元素种类含量不同，所起作用
不同。铜、铬、铝能使钢表面形成稳定保
护膜，提高钢在海水、大气中耐蚀性。钨、
钼、钛能与碳形成稳定碳化物，提高钢的
抗氢腐蚀能力。镍提高钢的对酸碱耐蚀性
和抗腐蚀疲劳能力。
? 分类：耐大气腐蚀、耐海水腐蚀、耐硫化
氢腐蚀、耐氢腐蚀
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 不锈钢：铬镍含量较高的合金钢。通常把耐大
气腐蚀的合金钢称为不锈钢，把在酸中及其他
强腐蚀性介质中耐腐蚀的合金钢称为耐酸钢。
? 按化学成分分为铬不锈钢和铬镍不锈钢。按显
微组织分为马氏体、铁素体、奥氏体。
? 马氏体主要有 1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13。
钢中加入铬，使电极电位升高，在阳极形成保
护膜，钝化。在大气、水蒸气、淡水、海水、
温度不超过 30的盐水溶液、硝酸、食品介质、
浓度不高的有机酸中有耐蚀性。在硫酸盐酸热
磷酸热硝酸熔融碱中耐蚀性低。
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 铁素体,1Cr17的耐蚀性和塑性都比较好。
? 奥氏体,0Cr18Ni9,1Cr18Ni9、
2Cr18Ni9,0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti。
强度、硬度很低，无磁性、塑性、韧性、
耐蚀性好，具有良好焊接性、冷加工性、
低温韧性。可用于制作在腐蚀性介质（硝
酸、磷酸、碱、有机无机酸水溶液）使用
的设备。
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 有色金属及其合金：具有良好耐腐蚀性和
耐低温性能，主要有铜、铝、钛、铅、镍
及其合金。
合金
? 铝及铝合金 铜及其合金具有高的导电性、导热性、
塑性、冷韧性，并且在许多介质中具有高的耐蚀性能。
① 纯铜, 也称紫铜。铜在一般大气、工业大气、海
洋性大气中、比较稳定；在碱中、在弱的和中等浓度的
非氧化性酸中也相当稳定，若溶液中有氧或氧化剂存在，
腐蚀将更加严重。铜不耐硫化物（如 H2S） 腐蚀。铜具有
高的导电性、导热性、塑性和良好的加工性能，另外，
铜具有良好的冷韧性。但铜的强度低，铸造性能不好，
且在某些介质中的耐蚀性不高，很少用作结构材料。
合金
② 铜合金：常用的铜合金有黄铜和青铜。
黄铜,铜与锌组成的合金称为黄铜。为改善其性能，常加入锡、
铝、硅、镍、锰、铅、铁等元素，这样形成的合金称为特殊黄铜。
特点,机械性能与含锌量有着极为密切的关系； 铸造性能很好 ；
抗蚀性较好； 含锌量大于 20%的黄铜经冷加工后，在潮湿的大气、
海水、高温高压水、蒸汽及一切含氨的环境中都可引起应力腐蚀断
裂。黄铜在中性溶液、海水和在退火后酸洗溶液中易发生脱锌腐蚀，
可在黄铜中加入 0.02%的砷防止其发生。
青铜,凡是铜合金中的主加元素不是锌而是锡、铝、硅等其它元
素者，通称为青铜。常用的青铜有锡青铜、铝青铜和硅青铜等。
特点,锡青铜铸造性能较黄铜差，抗腐蚀性比纯铜和黄铜更好，
但对酸类的抗蚀性较差。铝青铜的机械性能也比黄铜和锡青铜高，
而且在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更
高的耐蚀性。硅青铜具有比锡青铜高的机械性能和较低的价格，而
且铸造性能和冷、热压力加工性能都很好。
合金
（ 2）铝及其合金
①铝
特点,铝的密度小，比重为 2.7，约为铜的 1/3；导电性、导热性、
塑性、冷韧性都好，但强度低，经冷变形后强度可提高；能承受各
种压力加工。铝是电极电位很负的元素，铝在强氧化性介质以及在
氧化性酸（如硝酸）中也是稳定的。卤素离子对铝的氧化膜有破坏
作用，所以铝在氢氟酸、盐酸、海水和其它含卤素离子的溶液中是
不耐蚀的。
应用,广泛用于制造反应器、热交换器、冷却器、泵、阀、槽车、
管件等
②铝合金 纯铝的强度较低，若在铝中加入一些元素，如铜、镁、
锌、锰、硅等形成铝合金，其性能将会有很大的改善。
合金
（ 3）钛及钛合金
① 纯钛
特点,是很活泼的元素。有很好的钝化性能，钝化膜
很稳定，在许多环境中表现出很好的耐蚀性。有 "耐海
水腐蚀之王 "之称。高温下，钛的化学活性很高，能与
卤素、氧、氮、碳、硫等元素发生剧烈反应。钛一般不
发生孔蚀；除在几种个别介质（如发烟硝酸、甲醇溶液）
中，也不发生晶间腐蚀；钛的应力腐蚀破裂敏感性小，
具有抗腐蚀疲劳的性能，耐缝隙腐蚀性能良好。
② 钛合金
特点,钛合金的机械性能与耐蚀性都比纯钛有明显提高。
工业上使用的都是钛合金。钛合金的主要腐蚀形态是氢
脆和应力腐蚀破裂。
合金
（ 4）铅及其合金
①铅：
特点,铅的强度小（仅为钢的 1/20）、硬度低、密
度大、再结晶温度低、熔点低、导热性差，在硫酸中、
大气中（特别是有二氧化硫、硫化氢的气体中）有很高
的耐蚀性，在生产上多用于处理硫酸的设备上。铅有毒，
且价格高，在生产上多被其他非金属材料代替。纯铅不
耐磨，非常软，不宜单独制作设备，只能做衬里。
②铅合金：铅中加锑，可增加铅的硬度、强度和在硫酸
中的稳定性。加入不同锑含量的铅锑合金称为 硬铅 （编
号规则同前）。硬铅可制作硫酸工业用的泵、阀门、管
道等。
(5) 镍及其合金
① 镍：
特点,在各种温度、任何浓度的碱溶液和各种熔碱中，镍具有特
别 高的耐蚀性 。但镍在含硫气体、浓氨水和强烈充气氨溶液、含氧
酸和盐酸等介质中，耐蚀性很差。镍具有 高强度, 高塑性 和 冷韧 的
特性，能压延成很薄的板和拉成细丝。镍很稀贵，在水处理工程和
化工上 主要用于制造碱性介质设备, 以及铁离子在反应过程中会发
生催化影响而不能采用不锈钢的那些过程设备 。
② 镍合金,Ni-Cu合金中的 蒙乃尔合金 具有很好的力学性能和机
械性能，易于压力加工和切削加工，耐蚀性好。主要用于在高温荷
载下工作的耐蚀零件和设备。 Ni－ Mo合金中的 哈氏合金
（ 0Cr16Ni57Mo16Fe6W4） 能耐室温下所有浓度的盐酸和氢氟酸。 Ni
－ Cr合金中的 因考尔合金 （ 0Cr15Ni57Fe）,在高温下具有很好的
力学性能和很高的抗氧化能力，是能抗热浓 MgCl2腐蚀的少数几种
材料之一。
1.2 无机非金属材料
分类
传统陶瓷：以粘土为主要原料的工业陶瓷和日用陶瓷
玻璃：工业玻璃、建筑玻璃、日用玻璃
玻璃陶瓷：光学玻璃陶瓷、耐热耐蚀微晶玻璃
特种陶瓷：具有特殊机械物理化学性能的陶瓷。氧化
物陶瓷和非氧化物陶瓷
金属陶瓷：粉末冶金法生产的金属材料。复合材料。
陶瓷的机械性能
? 刚度：很高，是各种材料中最高的。气孔率提高或升高
温度会降低材料的弹性模量即刚度。
? 硬度：很高。随温度升高而降低。
? 强度：由于组织中存在晶界，实际强度比理论强度低很
多。受致密度、杂质和缺陷的影响很大。
? 塑性：极差。
? 韧性：极低。
陶瓷的物理化学性能
? 热膨胀：低
? 导热性：低，很好的绝热材料
? 热稳定性：很低
? 化学稳定性：稳定，耐火，抗蚀
? 导电性：变化很广
总之，主要特点是：具有不可燃烧性，高耐
热性，高化学稳定性，不老化性，高的硬
度和良好的抗压能力，但脆性很高，对温
度剧变的抵抗力很低，抗拉抗弯性能差。
耐蚀无机非金属材料
? 大部分无机非金属材料是硅酸盐材料。
? 耐蚀性能主要取决于二氧化硅的含量和其
他金属氧化物的含量。
? 二氧化硅含量在 60％以上的硅酸盐材料具
有优良的耐蚀性能，除 HF和高温磷酸外可
耐所有酸腐蚀，但不耐碱。若氧化锌和二
氧化钛含量较高，则可耐酸、碱。
陶瓷及其耐蚀性能
? 耐酸陶瓷：化工陶瓷，由粘土、长石、石
英等原料经过粉碎、混合、制胚、干燥和
高温焙烧形成表面光滑、断面致密、类似
石英的材料。用来制作耐酸容器和塔器、
泵、管道、阀门。
? 氮化硅陶瓷：膨胀系数小，耐温度急变性
好，摩擦系数小，优良耐磨材料。用来制
作机械密封环、球阀和耐蚀耐磨耐高温的
精密零部件。
玻璃及其耐蚀性能
? 除 HF,热 H3PO4和强碱外，几乎耐所有酸和
氧化剂的腐蚀，表面光滑，透明度好，但
耐温度急变性差，质脆，不耐冲击震动。
可用作制作容器、量具、管道阀门等。
? 玻璃抵抗水酸碱腐蚀的能力主要由二氧化
硅和碱金属氧化物的含量决定。硼硅酸盐
玻璃和低碱无硼玻璃。
化工陶瓷及其耐蚀性能
? 搪瓷是将瓷釉涂搪在金属底材上，经过高
温烧制而成，是金属和瓷釉的复合材料。
化工搪瓷是将含硅量高的耐酸瓷釉涂敷在
钢铁设备的表面，经高温焙烧，使之与金
属密着，形成致密耐腐蚀的玻璃质薄层。
? 除了 HF,高温磷酸和强碱外，能耐酸、盐、
有机溶剂和弱碱的腐蚀。表面光滑易清洗。
1.3 高分子材料
? 高分子材料：高分子聚
合物或高聚物 (Polymer),
分子量大多在 5000～
1000000，其分子是由许
多小分子单元键合而成
的长链状分子。如聚乙
烯、聚丙烯腈（腈纶）、
涤纶等。
? 高分子材料的性能主要
决定于高分子的单体、
链接结构、聚合度等。
n(CH2= CH2) (-CH2 -CH2 -)n
CH2= CH2为单体,n为聚合度
高分子化合物的合成、分类、命名
? 将单体通过聚合反应聚合起来形成化合物。
1、加聚反应：由小分子单体相互加成而连接成大分子链的
过程。均聚物（同种单体）、共聚物（两种以上单体）。
如聚乙烯为均聚物,ABS工程塑料是由单体丙烯腈、丁
二烯、苯乙烯共聚生成。
2、缩聚反应：具有多官能团的单体分子相互反应，生成物
析出小分子（水、氨、醇等）。反应生成的聚合物为缩
聚物，成分与单体不同。如涤纶、尼龙、酚醛树脂等。
? 分类：碳链有机聚合物、杂链有机聚合物、元素有机聚
合物、无机聚合物。
? 命名：化学结构、原料单体、商品名称、代表符号。
高分子材料的性能
? 重量轻、高弹性
? 滞弹性：蠕变、应力松弛、滞后与内
耗
? 塑性与受迫弹性
? 强度与断裂
? 韧性
? 减摩、耐磨性
? 绝缘性
? 耐热性、耐蚀性
高分子材料的性能
? 老化：高聚物在长期使用或存放中，由于受各种因素的
作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程。
其主要表现为：对于橡胶为变脆、龟裂或发粘、变软；
对于塑料为退色，失去光泽和开裂，而且这些现象是不
可逆的。
? 老化的主要原因：分子链的结构发生了降解或交联。降
解为大分子断链或裂解。交联是分子链之间生成化学键，
形成网状结构。
? 改善措施：表面防护；改进结构；加入防老化剂。
高分子材料的性能
常用塑料
1、塑料的组成
塑料是指以有机合成树脂为主要组成材料，与其他配
料混合，通过加热、加压塑造成一定形状的产品。一般
来讲，组成塑料的物质主要包括：
①合成树脂：由低分子化合物通过聚合或缩聚反应合成
的高分子化合物。
②填料（或增强材料）：是塑料改性最重要的成分，起
增强性能的作用。
③固化剂：作用是通过交联使树脂具有体型网状结构、
硬化和稳定塑料制品。
高分子材料的性能
④增塑剂：用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。
⑤稳定剂：其作用主要是延迟塑料在环境中的老化过程。
⑥润滑剂：可防止塑料成形过程中产生的粘模问题。
⑦着色剂：其作用是使塑料着色，可为有机颜料或无机颜料。
⑧阻燃剂：作用是遏止燃烧或造成自熄。
2、常用塑料的分类及特性
（ 1） 按照热性能分,
①热塑性塑料
加热时软化，可塑造成形，冷却后则变硬。线型聚合物。
②热固性塑料
初加热时软化，可塑造成形，但固化之后再加热，将不再软化，也
不溶于溶剂。体型聚合物。
高分子材料的性能
（ 2） 按照使用范围分
①通用塑料
指应用范围广，生产量大的塑料品种。主要有聚氯乙烯、聚苯乙
烯、聚烯烃、酚醛塑料和氨基塑料等,
②工程塑料
主要指综合工程性能（包括机械性能、耐热耐寒性能、耐蚀性绝
缘性能等）良好的各种塑料。最重要的有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸
酯,ABS等四种。
③耐热塑料
指能在较高温度下工作的各种塑料。常见的有聚四氟乙烯、聚三
氟氯乙烯、有机硅树脂、环氧树脂等。
常用塑料
? PVC
? PS
? ABS
? PE
? PP
橡胶
? 天然橡胶
? 组成：天然橡胶是橡胶树的树汁经过炼制的高弹性固体。它是不饱
和异戊二烯（ C5H8） 高分子聚合物。
? 特点：天然橡胶的力学性能较差；化学稳定性较好，可耐一般非氧
化性强酸、有机酸、碱溶液和盐溶液的腐蚀，但不耐强氧化性酸和
芳香族化合物的腐蚀。
? 应用：在水工艺工程、化学工程等设备防腐处理中，软橡胶主要用
作各种设备的衬里；硬橡胶还可制成整体设备，如泵、管道、阀门
等。
合成橡胶
? 组成：合成橡胶的主要原料是石油、煤和天然气。
? 特点及其应用：丁基橡胶的突出特点是不透气性，对氧化性环境如
空气和稀硝酸具有较好的耐蚀性。硅橡胶无味、无毒，其最大的特
点是耐热性好，可用作垫圈、密封件材料和隔热材料。氟橡胶具有
优良的耐高温、耐油、耐强氧化剂和耐酸碱性能，主要用于高温、
强氧化环境。
复合材料
一、概述
1、概念
复合材料 就是由两种或更多种的物理和化学本质不同的物质，人
工制成的一种多相固体材料。
①它可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们的优点。
②它可按照零部件、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。
③它可造成单一材料不易具备的性能或功能，或在同一时间里发挥
不同功能的作用。
2,分类
（ 1）玻璃纤维复合材料
用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分热塑
性和热固性两种。
复合材料
①热塑性玻璃钢
热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以 热塑性树脂 为粘结剂制
成的复合材料。
②热固性玻璃钢
热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以 热固性树脂 为粘结剂制
成的复合材料。
（ 2）碳纤维复合材料
①碳纤维复合材料：作基体的 树脂,目前应用最多的是环氧树脂、酚
醛树脂和聚四氟乙烯。
②碳纤维碳复合材料：用有机基体浸渍纤维坯块，固化后再进行热解，
或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。
③碳纤维金属复合材料：用于熔点较低的金属或合金，在碳纤维表面
镀金属，制成了碳纤维铝基复合材料。
④碳纤维陶瓷复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料。
复合材料
（ 3）硼纤维复合材料
①硼纤维树脂复合材料：基体主要为环氧树脂、聚苯并咪唑和聚酰亚
胺树脂等。硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。
②硼纤维金属复合材料：常用的基体为铝，镁及其合金，还有钛及其
合金等。
（ 4）金属纤维复合材料
作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属钨、钼、钢、不
锈钢、钛、铍等，它们能被基体金属润湿，也能增强陶瓷。
①金属纤维金属复合材料：研究较多的增强剂为钨钼丝，基体为镍合
金和钛合金。
②金属纤维陶瓷复合材料：利用金属纤维的韧性和抗拉能力改善陶瓷
的脆性。
复合材料
3、复合材料的性能特点
（ 1）比强度和比刚度高
增强剂 或者基体为比重小的物质，或两者的比重都不高,且都不是
完全致密的；另一方面，增强剂多是强度很高的纤维。比强度和比
弹性模量是各类材料中最高的。
（ 2）抗疲劳性能好
首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，能
消除或减小应力集中区的大小和数量。
（ 3）减振能力强
复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振
而快速脆断；另外，复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料
中振动衰减都很快。
复合材料
（ 4）高温性能好
增强纤维多有较高的弹性模量，因而常有较高的熔点和较高的高
温强度。
此外，由于复合材料高温强度好，耐疲劳性能好、纤维和基体的
相容性好，热稳定性也是很好的。
（ 5）断裂安全性高
纤维增强复合材料每平方厘米截面上有成千上万根隔离的细纤维。
过载会使其中部分纤维断裂，但随即迅速进行应力的重新分配，而
由未断纤维将载荷承担起来，不至造成构件的瞬间完全丧失承载能
力而断裂，所以工作的安全性高。
除上述几种特性外，复合材料的减摩性、耐蚀性以及工艺性能也
都较好。但是，复合材料为各向异性材料，横向拉伸强度和层间剪
切强度是不高的，同时伸长率较低，冲击韧性有时也不很好，尤其
是成本太高，所以目前应用还很有限。
习题
? 金属材料的基本性能包括哪几个方面的内容？
? 影响钢材性能的因素主要有哪些？
? 不锈钢有哪些类型？
? 铝、铜及其合金的主要性能特点是什么？
? 高分子材料主要有哪些类型？常用材料有哪些？
给排水工程（ 净水厂, 污水处理厂 ）
? 工程建设中，设备部分的选择、投资、安
装
? 运行过程中，设备部分的使用、维修
水工艺设备基础
? 课程性质：专业基础课程。 1999年制定的给水排水工程
学科专业目录。 2000年通过的给水排水工程本科课程教
学大纲。
? 课程任务：了解与水工艺设备的制造、设计、工艺特点、
适用条件有关的基本知识。
? 主要内容：水工艺设备常用材料、水工艺设备理论基础、
典型水工艺设备。
? 要求先修课程：水力学、工程力学、无机化学、有机化
学、电子电工学基础。
水工艺设备基础
? 教材：
《水工艺设备基础》，黄廷林主编，中国建工出版社，
2002年 6月；
? 参考书：
实用水处理设备手册，史惠祥主编，化工出版社,2000年；
给水排水设计手册（第九册）专用机械，上海市政院编，
2000年；
机械工程材料，文九巴编，机械工业出版社,1998年。
水工艺设备基础
基本要求：
? 基本掌握与水工艺设备设计、制造有关的材料学、机械
制造与传动、结构力学、传热学等方面的基本知识；
? 系统了解和掌握常用水工艺设备的基本原理、典型构造、
工艺特点与分类及其适用条件；
? 能够为水工艺设备的开发、研制或改进提出工艺、材料、
结构等方面的要求；
? 能够根据工程及工艺要求，选择适宜的设备（器材）类
型。
教材章节分布
? CH1 水工艺设备常用材料 重点掌握常用材料的基本性
能、不同材料的使用条件，能根据工艺结构要求合理选
用材料。
? CH2 材料设备的腐蚀、防护及保温
? CH3 水工艺设备理论基础：容器应力、机械传动制造、
热量传递与交换
? CH4 水工艺设备分类
? 各种专业设备的工艺原理、基本结构、适用范围与条件。
第一章 水工艺设备常用材料
工程材料
金属材料
非金属材料
钢铁材料
有色金属材料
合金材料
无机非金属材料（ 陶瓷 ）
有机高分子材料
第一章 水工艺设备常用材料
? 选取设备材料的原则,(技术经济性 )
材料在整个设备工作寿命期限内要满足工艺
和机械两方面要求，即保证材料 对水质无污染
或具有良好的耐腐蚀性能,同时保证材料 具有
足够的强度、良好的连接性能和其他加工性能。
另外，所选用的材料还应考虑到维修、更新等
因素在内的最经济的材料。
选材的原则和方法
? 方法：
1、经验法：根据经验或参考同类设备零件选材，进行必要的
校核计算选择；
2、替代法：材料短缺、经济原因、工艺手段或出现新材料；
3、综合分析法：对零件的工作条件全面分析计算，确定主要
性能指标，再选择。
? 原则：
1、满足零件的使用性能要求，在一定的寿命期限内正常工作；
2、具有较好的工艺性能，便于加工，并易于保证加工质量；
3、有较好的经济性。
1.1 金属材料
? 主要有碳钢、铸铁、不锈钢、合金钢、有色金
属
? 金属材料的特点：
具有较高的强度、良好的塑性和变形能力（金
属键结合）；
良好的导电性、导热性（共用电子自由运动）；
不透明，有金属光泽，对光具有良好的反射性
能；
有正的电阻温度系数 。
1.1.1 金属材料的分类
? 铁属于过渡性元素，在常压下熔点 1538
度，固态铁的特性是同素异构转变，即
不同温度下具有不同的晶体结构。
? 钢在不同情况下有五种相：
液相 L:铁和碳的液体溶液。
δ 相,1394度，高温铁素体
γ 相,912度，奥氏体
α 相,1394度，铁素体
Fe3C相：渗碳体
钢按化学成分分类
碳钢
合金钢
低碳钢 ωc<0.25%
中碳钢 0.3<ωc<0.55%
高碳钢 ωc>0.6%
低合金钢（合金元素总量小于 5 ％ ）
中合金钢（合金元素总量 5～ 10 ％ ）
低合金钢（合金元素总量大于 10 ％ ）
按质量和用途分类
? 按质量（硫磷含量）分为：
普通钢,S<0.055% P<0.045%
优质钢,<0.040%
高级优质钢,S<0.030% P<0.035%
? 按用途分为：
结构钢,构件、零件。
工具钢,刀具、量具、模具。
特殊性能钢
1.1.1 金属材料的分类
? 钢的编号
1、普通碳素结构钢,Q235-AF表示屈服强
度为 235MPa的 A级沸腾钢
2、优质碳素结构钢,45钢,45Mn钢
3、碳素工具钢,T8钢
4、合金结构钢,30CrMnSi钢
5、合金工具钢,9SiCr
1.1.2 金属材料基本性能
? 金属材料的化学成分
C,随含碳量增加，钢的强度和硬度不断
提高，塑性、韧性随之下降。含碳量超过
0.9％时，钢强度降低。含碳量高影响钢
的焊接性能。
S,硫使钢热加工时容易开裂，降低钢韧
性，含量须严格控制
P,降低韧性，冷脆现象，须严格控制
Mn:有益元素，提高强度和硬度
Si:有益元素
1.1.2 金属材料基本性能
? 物理性能：密度、熔点、热膨胀系数、导
热性、导电性、弹性模量
? 工艺性能：材料在加工方面的物理、化学
和机械性能的综合表现，即加工性能。
? 可焊性
? 可锻性
? 切削加工性
? 成型工艺性
金属材料基本性能
? 机械性能：
弹性,材料在外力
作用下产生变形，
当外力去除后能够
恢复其原来形状的
性能。
塑性,在外力作用
下材料产生塑性永
久变形而不被破坏
的能力。
金属材料基本性能
强度,指材料在外力作用下，抵抗塑性变形
和断裂的能力。由于载荷的作用方式有拉
伸、压缩、弯曲、剪切等，所以强度也分
为抗拉强度（最大应力）、屈服强度（产
生屈服）、疲劳强度（无限次应力循环而
不断裂的最大应力）、硬度（抵抗表面局
部塑性变形及破坏）。
韧性,材料对缺口或裂纹敏感程度的反映，
用来衡量材料的抗裂纹扩展能力。
1.1.2 金属材料基本性能
? 热处理性能：以改善钢材的某些性能为目
的，将钢材在固态下加热到一定温度，在
此温度下保持一定时间，然后以不同的速
度冷却的一种操作。
普通
表面
退火
正火
淬火
回火
表面淬火
表面化学热处理
热处理工艺
? 退火：将钢件加热到高于或低于钢的临界温度，保温一定时
间，随后以极缓慢的速度冷却（切断热源炉冷）。目的是降
低硬度，利于切削加工；细化晶粒，改善组织，提高机械性
能；消除内应力，提高塑性和韧性。
? 正火：将钢件加热到临界温度以上，保温后在空气中冷却。
目的是改善组织，提高强度和韧性，改善切削加工性。
? 淬火：将钢件加热到某一温度，保温一定时间，迅速冷却至
室温（油冷或水冷），目的是提高钢的硬度。
? 回火：将淬火后的钢件加热到某一温度，保温一定时间，然
后取出空冷或油冷。目的是提高韧性，降低脆性。
表面热处理工艺
? 表面淬火：将钢件表面进行快速加热，然后快速冷却的
局部淬火。目的是获得高硬度的表面层和有利的残余应
力分布，提高耐磨性和疲劳强度。感应加热法和火焰加
热法。
? 化学热处理：将钢件放入一定的化学介质中加热和保温，
使介质中的活性原子渗入工件表层，使表面的化学成分
发生变化，从而改变金属的表面组织和性能。目的是使
工件心部有足够的强度和韧性，表面具有高的硬度和耐
磨性，提高工件的疲劳强度、表面抗蚀性和耐热性。方
法有渗碳、渗氮、碳氮共渗。
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 腐蚀：在金属部件中经常发生的一种现象，钢的生
锈，高温下的氧化，石油管道，化工设备，船舶壳
体的损坏都与腐蚀有关。 金属的腐蚀分为化学腐蚀
和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属和周围介质直接发
生化学反应,如金属加热生成氧化皮。 电化学腐蚀
是金属在电解质溶液中由于原电池作用引起的，当
两种金属互相连接放入电解质溶液时，由于两种金
属的电极电位不同，彼此形成原电池，有电流产生，
阳极被腐蚀，阴极被保护。 为了避免腐蚀，一种方
法是 形成表面保护膜,另一种是使金属呈单相组织，
避免形成两个电极，依靠合金元素提高铁素体或奥
氏体的电极电位。
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 耐蚀性：材料抵抗周围介质对其腐蚀破坏
的能力。耐蚀性随材料的工作条件而改变
? 碳钢的耐蚀性：在淡水、大气、土壤、海
水中不耐蚀，在各类干燥空气和有机溶剂
中耐蚀性良好，在低浓度碱溶液、浓硫酸
中耐蚀。影响因素：介质、含碳量、热处
理条件
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 耐蚀低合金钢：在碳钢中加入合金元素的
总量低于 3％左右的合金。
? 加入的合金元素种类含量不同，所起作用
不同。铜、铬、铝能使钢表面形成稳定保
护膜，提高钢在海水、大气中耐蚀性。钨、
钼、钛能与碳形成稳定碳化物，提高钢的
抗氢腐蚀能力。镍提高钢的对酸碱耐蚀性
和抗腐蚀疲劳能力。
? 分类：耐大气腐蚀、耐海水腐蚀、耐硫化
氢腐蚀、耐氢腐蚀
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 不锈钢：铬镍含量较高的合金钢。通常把耐大
气腐蚀的合金钢称为不锈钢，把在酸中及其他
强腐蚀性介质中耐腐蚀的合金钢称为耐酸钢。
? 按化学成分分为铬不锈钢和铬镍不锈钢。按显
微组织分为马氏体、铁素体、奥氏体。
? 马氏体主要有 1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13。
钢中加入铬，使电极电位升高，在阳极形成保
护膜，钝化。在大气、水蒸气、淡水、海水、
温度不超过 30的盐水溶液、硝酸、食品介质、
浓度不高的有机酸中有耐蚀性。在硫酸盐酸热
磷酸热硝酸熔融碱中耐蚀性低。
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 铁素体,1Cr17的耐蚀性和塑性都比较好。
? 奥氏体,0Cr18Ni9,1Cr18Ni9、
2Cr18Ni9,0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti。
强度、硬度很低，无磁性、塑性、韧性、
耐蚀性好，具有良好焊接性、冷加工性、
低温韧性。可用于制作在腐蚀性介质（硝
酸、磷酸、碱、有机无机酸水溶液）使用
的设备。
1.1.3 耐蚀金属材料及性能
? 有色金属及其合金：具有良好耐腐蚀性和
耐低温性能，主要有铜、铝、钛、铅、镍
及其合金。
合金
? 铝及铝合金 铜及其合金具有高的导电性、导热性、
塑性、冷韧性，并且在许多介质中具有高的耐蚀性能。
① 纯铜, 也称紫铜。铜在一般大气、工业大气、海
洋性大气中、比较稳定；在碱中、在弱的和中等浓度的
非氧化性酸中也相当稳定，若溶液中有氧或氧化剂存在，
腐蚀将更加严重。铜不耐硫化物（如 H2S） 腐蚀。铜具有
高的导电性、导热性、塑性和良好的加工性能，另外，
铜具有良好的冷韧性。但铜的强度低，铸造性能不好，
且在某些介质中的耐蚀性不高，很少用作结构材料。
合金
② 铜合金：常用的铜合金有黄铜和青铜。
黄铜,铜与锌组成的合金称为黄铜。为改善其性能，常加入锡、
铝、硅、镍、锰、铅、铁等元素，这样形成的合金称为特殊黄铜。
特点,机械性能与含锌量有着极为密切的关系； 铸造性能很好 ；
抗蚀性较好； 含锌量大于 20%的黄铜经冷加工后，在潮湿的大气、
海水、高温高压水、蒸汽及一切含氨的环境中都可引起应力腐蚀断
裂。黄铜在中性溶液、海水和在退火后酸洗溶液中易发生脱锌腐蚀，
可在黄铜中加入 0.02%的砷防止其发生。
青铜,凡是铜合金中的主加元素不是锌而是锡、铝、硅等其它元
素者，通称为青铜。常用的青铜有锡青铜、铝青铜和硅青铜等。
特点,锡青铜铸造性能较黄铜差，抗腐蚀性比纯铜和黄铜更好，
但对酸类的抗蚀性较差。铝青铜的机械性能也比黄铜和锡青铜高，
而且在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更
高的耐蚀性。硅青铜具有比锡青铜高的机械性能和较低的价格，而
且铸造性能和冷、热压力加工性能都很好。
合金
（ 2）铝及其合金
①铝
特点,铝的密度小，比重为 2.7，约为铜的 1/3；导电性、导热性、
塑性、冷韧性都好，但强度低，经冷变形后强度可提高；能承受各
种压力加工。铝是电极电位很负的元素，铝在强氧化性介质以及在
氧化性酸（如硝酸）中也是稳定的。卤素离子对铝的氧化膜有破坏
作用，所以铝在氢氟酸、盐酸、海水和其它含卤素离子的溶液中是
不耐蚀的。
应用,广泛用于制造反应器、热交换器、冷却器、泵、阀、槽车、
管件等
②铝合金 纯铝的强度较低，若在铝中加入一些元素，如铜、镁、
锌、锰、硅等形成铝合金，其性能将会有很大的改善。
合金
（ 3）钛及钛合金
① 纯钛
特点,是很活泼的元素。有很好的钝化性能，钝化膜
很稳定，在许多环境中表现出很好的耐蚀性。有 "耐海
水腐蚀之王 "之称。高温下，钛的化学活性很高，能与
卤素、氧、氮、碳、硫等元素发生剧烈反应。钛一般不
发生孔蚀；除在几种个别介质（如发烟硝酸、甲醇溶液）
中，也不发生晶间腐蚀；钛的应力腐蚀破裂敏感性小，
具有抗腐蚀疲劳的性能，耐缝隙腐蚀性能良好。
② 钛合金
特点,钛合金的机械性能与耐蚀性都比纯钛有明显提高。
工业上使用的都是钛合金。钛合金的主要腐蚀形态是氢
脆和应力腐蚀破裂。
合金
（ 4）铅及其合金
①铅：
特点,铅的强度小（仅为钢的 1/20）、硬度低、密
度大、再结晶温度低、熔点低、导热性差，在硫酸中、
大气中（特别是有二氧化硫、硫化氢的气体中）有很高
的耐蚀性，在生产上多用于处理硫酸的设备上。铅有毒，
且价格高，在生产上多被其他非金属材料代替。纯铅不
耐磨，非常软，不宜单独制作设备，只能做衬里。
②铅合金：铅中加锑，可增加铅的硬度、强度和在硫酸
中的稳定性。加入不同锑含量的铅锑合金称为 硬铅 （编
号规则同前）。硬铅可制作硫酸工业用的泵、阀门、管
道等。
(5) 镍及其合金
① 镍：
特点,在各种温度、任何浓度的碱溶液和各种熔碱中，镍具有特
别 高的耐蚀性 。但镍在含硫气体、浓氨水和强烈充气氨溶液、含氧
酸和盐酸等介质中，耐蚀性很差。镍具有 高强度, 高塑性 和 冷韧 的
特性，能压延成很薄的板和拉成细丝。镍很稀贵，在水处理工程和
化工上 主要用于制造碱性介质设备, 以及铁离子在反应过程中会发
生催化影响而不能采用不锈钢的那些过程设备 。
② 镍合金,Ni-Cu合金中的 蒙乃尔合金 具有很好的力学性能和机
械性能，易于压力加工和切削加工，耐蚀性好。主要用于在高温荷
载下工作的耐蚀零件和设备。 Ni－ Mo合金中的 哈氏合金
（ 0Cr16Ni57Mo16Fe6W4） 能耐室温下所有浓度的盐酸和氢氟酸。 Ni
－ Cr合金中的 因考尔合金 （ 0Cr15Ni57Fe）,在高温下具有很好的
力学性能和很高的抗氧化能力，是能抗热浓 MgCl2腐蚀的少数几种
材料之一。
1.2 无机非金属材料
分类
传统陶瓷：以粘土为主要原料的工业陶瓷和日用陶瓷
玻璃：工业玻璃、建筑玻璃、日用玻璃
玻璃陶瓷：光学玻璃陶瓷、耐热耐蚀微晶玻璃
特种陶瓷：具有特殊机械物理化学性能的陶瓷。氧化
物陶瓷和非氧化物陶瓷
金属陶瓷：粉末冶金法生产的金属材料。复合材料。
陶瓷的机械性能
? 刚度：很高，是各种材料中最高的。气孔率提高或升高
温度会降低材料的弹性模量即刚度。
? 硬度：很高。随温度升高而降低。
? 强度：由于组织中存在晶界，实际强度比理论强度低很
多。受致密度、杂质和缺陷的影响很大。
? 塑性：极差。
? 韧性：极低。
陶瓷的物理化学性能
? 热膨胀：低
? 导热性：低，很好的绝热材料
? 热稳定性：很低
? 化学稳定性：稳定，耐火，抗蚀
? 导电性：变化很广
总之，主要特点是：具有不可燃烧性，高耐
热性，高化学稳定性，不老化性，高的硬
度和良好的抗压能力，但脆性很高，对温
度剧变的抵抗力很低，抗拉抗弯性能差。
耐蚀无机非金属材料
? 大部分无机非金属材料是硅酸盐材料。
? 耐蚀性能主要取决于二氧化硅的含量和其
他金属氧化物的含量。
? 二氧化硅含量在 60％以上的硅酸盐材料具
有优良的耐蚀性能，除 HF和高温磷酸外可
耐所有酸腐蚀，但不耐碱。若氧化锌和二
氧化钛含量较高，则可耐酸、碱。
陶瓷及其耐蚀性能
? 耐酸陶瓷：化工陶瓷，由粘土、长石、石
英等原料经过粉碎、混合、制胚、干燥和
高温焙烧形成表面光滑、断面致密、类似
石英的材料。用来制作耐酸容器和塔器、
泵、管道、阀门。
? 氮化硅陶瓷：膨胀系数小，耐温度急变性
好，摩擦系数小，优良耐磨材料。用来制
作机械密封环、球阀和耐蚀耐磨耐高温的
精密零部件。
玻璃及其耐蚀性能
? 除 HF,热 H3PO4和强碱外，几乎耐所有酸和
氧化剂的腐蚀，表面光滑，透明度好，但
耐温度急变性差，质脆，不耐冲击震动。
可用作制作容器、量具、管道阀门等。
? 玻璃抵抗水酸碱腐蚀的能力主要由二氧化
硅和碱金属氧化物的含量决定。硼硅酸盐
玻璃和低碱无硼玻璃。
化工陶瓷及其耐蚀性能
? 搪瓷是将瓷釉涂搪在金属底材上，经过高
温烧制而成，是金属和瓷釉的复合材料。
化工搪瓷是将含硅量高的耐酸瓷釉涂敷在
钢铁设备的表面，经高温焙烧，使之与金
属密着，形成致密耐腐蚀的玻璃质薄层。
? 除了 HF,高温磷酸和强碱外，能耐酸、盐、
有机溶剂和弱碱的腐蚀。表面光滑易清洗。
1.3 高分子材料
? 高分子材料：高分子聚
合物或高聚物 (Polymer),
分子量大多在 5000～
1000000，其分子是由许
多小分子单元键合而成
的长链状分子。如聚乙
烯、聚丙烯腈（腈纶）、
涤纶等。
? 高分子材料的性能主要
决定于高分子的单体、
链接结构、聚合度等。
n(CH2= CH2) (-CH2 -CH2 -)n
CH2= CH2为单体,n为聚合度
高分子化合物的合成、分类、命名
? 将单体通过聚合反应聚合起来形成化合物。
1、加聚反应：由小分子单体相互加成而连接成大分子链的
过程。均聚物（同种单体）、共聚物（两种以上单体）。
如聚乙烯为均聚物,ABS工程塑料是由单体丙烯腈、丁
二烯、苯乙烯共聚生成。
2、缩聚反应：具有多官能团的单体分子相互反应，生成物
析出小分子（水、氨、醇等）。反应生成的聚合物为缩
聚物，成分与单体不同。如涤纶、尼龙、酚醛树脂等。
? 分类：碳链有机聚合物、杂链有机聚合物、元素有机聚
合物、无机聚合物。
? 命名：化学结构、原料单体、商品名称、代表符号。
高分子材料的性能
? 重量轻、高弹性
? 滞弹性：蠕变、应力松弛、滞后与内
耗
? 塑性与受迫弹性
? 强度与断裂
? 韧性
? 减摩、耐磨性
? 绝缘性
? 耐热性、耐蚀性
高分子材料的性能
? 老化：高聚物在长期使用或存放中，由于受各种因素的
作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程。
其主要表现为：对于橡胶为变脆、龟裂或发粘、变软；
对于塑料为退色，失去光泽和开裂，而且这些现象是不
可逆的。
? 老化的主要原因：分子链的结构发生了降解或交联。降
解为大分子断链或裂解。交联是分子链之间生成化学键，
形成网状结构。
? 改善措施：表面防护；改进结构；加入防老化剂。
高分子材料的性能
常用塑料
1、塑料的组成
塑料是指以有机合成树脂为主要组成材料，与其他配
料混合，通过加热、加压塑造成一定形状的产品。一般
来讲，组成塑料的物质主要包括：
①合成树脂：由低分子化合物通过聚合或缩聚反应合成
的高分子化合物。
②填料（或增强材料）：是塑料改性最重要的成分，起
增强性能的作用。
③固化剂：作用是通过交联使树脂具有体型网状结构、
硬化和稳定塑料制品。
高分子材料的性能
④增塑剂：用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。
⑤稳定剂：其作用主要是延迟塑料在环境中的老化过程。
⑥润滑剂：可防止塑料成形过程中产生的粘模问题。
⑦着色剂：其作用是使塑料着色，可为有机颜料或无机颜料。
⑧阻燃剂：作用是遏止燃烧或造成自熄。
2、常用塑料的分类及特性
（ 1） 按照热性能分,
①热塑性塑料
加热时软化，可塑造成形，冷却后则变硬。线型聚合物。
②热固性塑料
初加热时软化，可塑造成形，但固化之后再加热，将不再软化，也
不溶于溶剂。体型聚合物。
高分子材料的性能
（ 2） 按照使用范围分
①通用塑料
指应用范围广，生产量大的塑料品种。主要有聚氯乙烯、聚苯乙
烯、聚烯烃、酚醛塑料和氨基塑料等,
②工程塑料
主要指综合工程性能（包括机械性能、耐热耐寒性能、耐蚀性绝
缘性能等）良好的各种塑料。最重要的有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸
酯,ABS等四种。
③耐热塑料
指能在较高温度下工作的各种塑料。常见的有聚四氟乙烯、聚三
氟氯乙烯、有机硅树脂、环氧树脂等。
常用塑料
? PVC
? PS
? ABS
? PE
? PP
橡胶
? 天然橡胶
? 组成：天然橡胶是橡胶树的树汁经过炼制的高弹性固体。它是不饱
和异戊二烯（ C5H8） 高分子聚合物。
? 特点：天然橡胶的力学性能较差；化学稳定性较好，可耐一般非氧
化性强酸、有机酸、碱溶液和盐溶液的腐蚀，但不耐强氧化性酸和
芳香族化合物的腐蚀。
? 应用：在水工艺工程、化学工程等设备防腐处理中，软橡胶主要用
作各种设备的衬里；硬橡胶还可制成整体设备，如泵、管道、阀门
等。
合成橡胶
? 组成：合成橡胶的主要原料是石油、煤和天然气。
? 特点及其应用：丁基橡胶的突出特点是不透气性，对氧化性环境如
空气和稀硝酸具有较好的耐蚀性。硅橡胶无味、无毒，其最大的特
点是耐热性好，可用作垫圈、密封件材料和隔热材料。氟橡胶具有
优良的耐高温、耐油、耐强氧化剂和耐酸碱性能，主要用于高温、
强氧化环境。
复合材料
一、概述
1、概念
复合材料 就是由两种或更多种的物理和化学本质不同的物质，人
工制成的一种多相固体材料。
①它可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们的优点。
②它可按照零部件、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。
③它可造成单一材料不易具备的性能或功能，或在同一时间里发挥
不同功能的作用。
2,分类
（ 1）玻璃纤维复合材料
用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分热塑
性和热固性两种。
复合材料
①热塑性玻璃钢
热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以 热塑性树脂 为粘结剂制
成的复合材料。
②热固性玻璃钢
热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以 热固性树脂 为粘结剂制
成的复合材料。
（ 2）碳纤维复合材料
①碳纤维复合材料：作基体的 树脂,目前应用最多的是环氧树脂、酚
醛树脂和聚四氟乙烯。
②碳纤维碳复合材料：用有机基体浸渍纤维坯块，固化后再进行热解，
或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。
③碳纤维金属复合材料：用于熔点较低的金属或合金，在碳纤维表面
镀金属，制成了碳纤维铝基复合材料。
④碳纤维陶瓷复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料。
复合材料
（ 3）硼纤维复合材料
①硼纤维树脂复合材料：基体主要为环氧树脂、聚苯并咪唑和聚酰亚
胺树脂等。硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。
②硼纤维金属复合材料：常用的基体为铝，镁及其合金，还有钛及其
合金等。
（ 4）金属纤维复合材料
作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属钨、钼、钢、不
锈钢、钛、铍等，它们能被基体金属润湿，也能增强陶瓷。
①金属纤维金属复合材料：研究较多的增强剂为钨钼丝，基体为镍合
金和钛合金。
②金属纤维陶瓷复合材料：利用金属纤维的韧性和抗拉能力改善陶瓷
的脆性。
复合材料
3、复合材料的性能特点
（ 1）比强度和比刚度高
增强剂 或者基体为比重小的物质，或两者的比重都不高,且都不是
完全致密的；另一方面，增强剂多是强度很高的纤维。比强度和比
弹性模量是各类材料中最高的。
（ 2）抗疲劳性能好
首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，能
消除或减小应力集中区的大小和数量。
（ 3）减振能力强
复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振
而快速脆断；另外，复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料
中振动衰减都很快。
复合材料
（ 4）高温性能好
增强纤维多有较高的弹性模量，因而常有较高的熔点和较高的高
温强度。
此外，由于复合材料高温强度好，耐疲劳性能好、纤维和基体的
相容性好，热稳定性也是很好的。
（ 5）断裂安全性高
纤维增强复合材料每平方厘米截面上有成千上万根隔离的细纤维。
过载会使其中部分纤维断裂，但随即迅速进行应力的重新分配，而
由未断纤维将载荷承担起来，不至造成构件的瞬间完全丧失承载能
力而断裂，所以工作的安全性高。
除上述几种特性外，复合材料的减摩性、耐蚀性以及工艺性能也
都较好。但是，复合材料为各向异性材料，横向拉伸强度和层间剪
切强度是不高的，同时伸长率较低，冲击韧性有时也不很好，尤其
是成本太高，所以目前应用还很有限。
习题
? 金属材料的基本性能包括哪几个方面的内容？
? 影响钢材性能的因素主要有哪些？
? 不锈钢有哪些类型？
? 铝、铜及其合金的主要性能特点是什么？
? 高分子材料主要有哪些类型？常用材料有哪些？
