第13章新型金屬材料課件

1第13章新型金屬材料1第13章新型金屬材料2內(nèi)容13.1金屬材料的結(jié)構(gòu)與一般特性13.2建筑領(lǐng)域的新型金屬材料13.3具有特殊功能的金屬材料13.4新型鋁金屬材料2內(nèi)容13.1金屬材料的結(jié)構(gòu)與一般特性313.1金屬材料的結(jié)構(gòu)與一般特性

用于土木、建筑工程的金屬材料主要有建筑鋼材的使用量最大，其產(chǎn)品形式有型材、板材、管材和線材；不銹鋼主要用于廚房設(shè)備、衛(wèi)生潔具和建筑裝飾；鋁及鋁合金質(zhì)量輕，耐腐蝕性強(qiáng)，裝飾性能好，主要用于門窗、室內(nèi)外裝修、裝飾、幕墻材料和金屬器具；銅的價(jià)格較貴，只限于建筑五金、門窗和家具的裝飾或金屬器件，用量很少。313.1金屬材料的結(jié)構(gòu)與一般特性用于土木、建筑工程41.1金屬材料的結(jié)構(gòu)

在結(jié)晶粒子的內(nèi)部，金屬原子按照一定的規(guī)律在三維方向上呈規(guī)則排列，其排列規(guī)律可以用空間格子來(lái)描述，叫做晶格。面心立方晶格:奧氏體系列的不銹鋼、鋁、銅、金、銀等

體心立方晶格:普通鋼材、鎢等

密排六方晶格鈦金屬等41.1金屬材料的結(jié)構(gòu)在結(jié)晶粒子的內(nèi)部，金屬原子按5

同一種類的金屬在不同的溫度下其晶格排列方式可能不同，這種現(xiàn)象叫做金屬的同素異構(gòu)體普通碳素鋼：熔點(diǎn)：1535℃，呈液態(tài)；1535-1390℃：體心立方晶格，稱為δ-Fe1390-910℃：面心立方晶格，稱為γ-Fe，伴隨著體積收縮；＜910℃：體心立方晶格，稱為α-Fe，伴隨著體積膨脹。利用金屬在不同溫度下的同素異構(gòu)性，可對(duì)金屬進(jìn)行熱加工處理，以獲得不同性質(zhì)的金屬材料。5同一種類的金屬在不同的溫度下其晶格排列方式可能不同，這6晶粒越細(xì)小，晶界的面積越大，材料受力時(shí)的韌性、變形均勻性和抵抗破壞的性能越好絕大多數(shù)晶體都是10-100μm的晶粒組成的多晶體，晶粒之間的界面叫做晶界面。特殊熱處理后可變小合金化也是一個(gè)途徑按添加元素的位置分為(1)侵入型固溶體(2)置換型固溶體(3)析出物

6晶粒越細(xì)小，晶界的面積越大，材料受力時(shí)的韌性、變形均勻性和7

晶體的有序排列遭到破壞，晶格缺陷的形式有點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷等將間隙原子或置換原子地加入到金屬材料結(jié)構(gòu)中，就形成了材料固溶強(qiáng)化；位錯(cuò)的存在降低金屬材料的強(qiáng)度，降低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)提高金屬的塑性變形性能；晶界面越多，金屬的強(qiáng)度越高、性能均勻性越好。

7晶體的有序排列遭到破壞，晶格缺陷的形式有點(diǎn)缺陷、線缺陷81.2建筑鋼材的成分及其對(duì)性能的影響鋼材的主要化學(xué)成分是鐵元素和碳元素，其中碳元素的含量在0.02％－2.0％的范圍如果碳含量大于2.0％則稱為生鐵，生鐵堅(jiān)硬，但呈脆性，不能承受沖擊荷載的作用鋼材根據(jù)含碳量的多少分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼，隨著含碳量增加，鋼材的強(qiáng)度、硬度增大，但塑性、韌性降低。建筑上常使用低碳鋼。在鐵-碳合金中有意識(shí)地加入其他元素的原子，例如Mn、Si、Ni、Cr等，制成合金鋼。按照合金元素的多少，分為高、中、低合金鋼。建筑上常用低合金鋼。81.2建筑鋼材的成分及其對(duì)性能的影響鋼材的主要化學(xué)成分91.3金屬材料的一般特性金屬材料具有較高的強(qiáng)度和韌性，能抵抗沖擊荷載的作用；具有導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；延展性好，能制成各種型材、板材和線材能進(jìn)行焊接、鉚接等加工，作成長(zhǎng)大尺寸的構(gòu)件；金屬材料具有光亮的表面，裝飾性能良好，但是金屬材料容易被腐蝕，耐高溫性差，生產(chǎn)成本較高。91.3金屬材料的一般特性金屬材料具有較高的強(qiáng)度和韌性，10受拉力作用下應(yīng)力—應(yīng)變曲線①?gòu)椥噪A段:彈性模量(E),彈性極限(σp)，可恢復(fù)②屈服階段：屈服強(qiáng)度(σs)

③強(qiáng)化階段:加工硬化或強(qiáng)化④頸縮階段:導(dǎo)致破斷極限抗拉強(qiáng)度(σb)

σsσpσb10受拉力作用下應(yīng)力—應(yīng)變曲線①?gòu)椥噪A段:彈性模量(E)11

引起金屬材料產(chǎn)生塑性變形的內(nèi)部原因，其一晶格本身發(fā)生了變形；其二是原子發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)，晶格形狀不變，晶格之間的原子位置改變11引起金屬材料產(chǎn)生塑性變形的內(nèi)部原因，其一晶格本身發(fā)1213.2建筑領(lǐng)域的新型金屬材料用于建筑領(lǐng)域的金屬材料種類較少，品種比較單一，雖然具有較高的強(qiáng)度和韌性，但是普遍存在著不耐高溫、容易腐蝕、導(dǎo)熱性較高、低溫脆性等缺點(diǎn)?，F(xiàn)階段人們對(duì)建筑物的工作環(huán)境的要求更加苛刻，對(duì)金屬材料的強(qiáng)度、耐久性、耐腐蝕性、耐火性、抗低溫性、以及裝飾性能等也提出了更多的要求。1213.2建筑領(lǐng)域的新型金屬材料用于建筑領(lǐng)域的金屬材料1313.2.1超高強(qiáng)度鋼材極限抗拉強(qiáng)度值：低碳鋼510-720MPa；低合金鋼510-720MPa；高強(qiáng)度鋼900-1300MPa；超高強(qiáng)度鋼材達(dá)到1300MPa以上可通過(guò)改變合金元素的含量及熱處理工藝流程來(lái)實(shí)現(xiàn)。1313.2.1超高強(qiáng)度鋼材極限抗拉強(qiáng)度值：低碳鋼511413.2.2低屈強(qiáng)比鋼鋼材的屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度的比值(σs/σb)叫做屈強(qiáng)比，反映了鋼材受力超過(guò)屈服極限至破壞所具有的安全儲(chǔ)備用于建筑工程的普通低碳鋼的屈強(qiáng)比為0.58-0.63，低合金鋼的屈強(qiáng)比為0.65-0.75結(jié)構(gòu)的抗震性能要求：材料高的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比較小，滿足小震、中震不破壞，大震、巨震不倒塌的要求1413.2.2低屈強(qiáng)比鋼鋼材的屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度的比值1513.2.3新型不銹鋼新型不銹鋼不含Ni元素，是在19Cr-20Mo不銹鋼中添加Nb、Ti、Zr等穩(wěn)定性更好的元素，形成高純度的貝氏體不銹鋼一般用于建筑物中的太陽(yáng)能熱水器、耐腐蝕配管等構(gòu)件，但是只適合用于300℃以下的環(huán)境中。Cr含量更大的新品種不銹鋼，可耐500-700℃高溫，用于火力發(fā)電廠或建筑物中的耐火覆蓋層。1513.2.3新型不銹鋼新型不銹鋼不含Ni元素，是在116為了提高不銹鋼的美觀性，可采用高耐久性的含氟樹脂等涂料涂刷表面制成涂膜不銹鋼，或利用電解著色制成彩色不銹鋼，用于建筑物的外裝修材料。例如在硫酸鉻酸性溶液中電解，可在不銹鋼表面形成氧化膜，再利用這層膜的光干涉作用，發(fā)出金色、藍(lán)色、黃色、綠色、黑色等各種顏色16為了提高不銹鋼的美觀性，可采用高耐久性的含氟樹脂等涂料涂1713.2.4高耐蝕性金屬及鈦合金建材海洋結(jié)構(gòu)物、臨海建筑物中使用的金屬材料，要求具有優(yōu)異的耐腐蝕性。銅鎳鈦1713.2.4高耐蝕性金屬及鈦合金建材海洋結(jié)構(gòu)物、臨海18鈦材

鈦金屬經(jīng)氧化處理能形成TiO2膜層，顏色因入射光的波長(zhǎng)分布、入射角、氧化物膜層的厚度與折射率、鈦金屬表面的粗糙程度而呈微妙變化18鈦材鈦金屬經(jīng)氧化處理能形成TiO2膜層，顏色因入19

彩色鈦金屬板顏色與光澤的耐蝕性、耐候性也非常優(yōu)秀光澤度變化率％小時(shí)19彩色鈦金屬板顏色與光澤的耐蝕性、耐候性也非常優(yōu)秀20金屬鈦質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，且裝飾性能好，同時(shí)，鈦金屬熱膨脹系數(shù)小，焊接性能也好，是理想的建筑材材由于價(jià)格高昂，作為普通的建筑材料還沒(méi)有達(dá)到普及使用的程度。最近發(fā)達(dá)國(guó)家在沿海、腐蝕嚴(yán)重的地區(qū)已經(jīng)開始將鈦合金應(yīng)用于建筑物的屋頂及外裝修板材。20金屬鈦質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，且裝飾性能好，同時(shí)，2113.2.5耐火鋼普通建筑鋼材的機(jī)械強(qiáng)度在400℃溫度時(shí)將降低為室溫下強(qiáng)度的1/3，在1000℃時(shí)降低為室溫下強(qiáng)度的1/10。在鋼材表面涂刷耐火涂料，或者在鋼材表面覆蓋耐火材料耐火鋼是在普通碳素鋼中添加鉬、釩、鉻、鈮等合金元素，各種元素的添加量大約為1％，可使鋼材在400℃高溫下的強(qiáng)度達(dá)到室溫強(qiáng)度的2/3。2113.2.5耐火鋼普通建筑鋼材的機(jī)械強(qiáng)度在400℃溫度2213.2.6輕質(zhì)、高比強(qiáng)度金屬材料比強(qiáng)度是指材料的強(qiáng)度與其密度的比值。為減輕高層、超高層建筑物的自重，要求用于主體結(jié)構(gòu)的金屬材料要有高的比強(qiáng)度值高成本的鈦比強(qiáng)度最高，因此必須開發(fā)成本低，具有高比強(qiáng)度的金屬材料2213.2.6輕質(zhì)、高比強(qiáng)度金屬材料比強(qiáng)度是指材料的強(qiáng)23采用輕金屬與碳纖維復(fù)合制成的纖維強(qiáng)化金屬，具有較高的比強(qiáng)度。對(duì)強(qiáng)化長(zhǎng)纖維縱向加壓，使熔融的金屬浸漬到纖維材料中，或者采用短纖維與熔融金屬進(jìn)行混合鑄造等方法制成。碳纖維的抗拉強(qiáng)度高達(dá)2000MPa，制成纖維強(qiáng)化鋁金屬，密度大幅度降低，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1000MPa左右，比強(qiáng)度值可超過(guò)350MPa。23采用輕金屬與碳纖維復(fù)合制成的纖維強(qiáng)化金屬，具有較高的比強(qiáng)2413.2.7耐低溫金屬材料當(dāng)溫度下降到一定程度時(shí)，對(duì)于很小的溫度變化，金屬的韌性突然降低，該溫度稱為金屬材料的臨界脆性溫度。地球表面自然環(huán)境的最低溫度大約為-70℃－-80℃，飛行于宇宙中的宇宙飛船，受太陽(yáng)直射側(cè)的溫度100-200℃，而沒(méi)有受到太陽(yáng)照射的一側(cè)最低能達(dá)到-269.2℃(4K)左右的超低溫度。2413.2.7耐低溫金屬材料當(dāng)溫度下降到一定程度時(shí)，對(duì)25低溫下使用的金屬材料，主要考慮其低溫脆化性，即隨著溫度降低其韌性是否明顯降低。25低溫下使用的金屬材料，主要考慮其低溫脆化性，即隨著溫度降2613.2.8金屬纖維為提高混凝土或砂漿材料的抗拉強(qiáng)度，常常在混凝土或砂漿中摻入金屬短纖維，制成纖維砂漿或纖維混凝土。先將金屬材料制成鋼絲，然后切割成所需尺寸制成短纖維，宜選擇耐蝕性好的金屬素材作金屬纖維。此外，采用非晶質(zhì)合金為素材由熔融狀態(tài)，以104℃/s的速度急冷凝固可制造非晶質(zhì)合金纖維。2613.2.8金屬纖維為提高混凝土或砂漿材料的抗拉強(qiáng)度，27高頻振動(dòng)法由金屬塊狀材料直接制造短纖維的技術(shù)，其生產(chǎn)效率更高。彈性切削工具原材料金屬棒金屬纖維27高頻振動(dòng)法由金屬塊狀材料直接制造短纖維的技術(shù)，其生產(chǎn)效率2813.2.9非磁性金屬高智能化的建筑物、核熔爐、磁懸浮鐵路系統(tǒng)等容易產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，如果采用普通的具有磁性的金屬材料，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生力的作用，不利于結(jié)構(gòu)體的正常運(yùn)行。目前具有代表性的非磁性金屬材料有高錳鋼、奧氏體系列不銹鋼和鈦金屬，其高錳鋼分為12Mn、l8Mn、24Mn個(gè)系列。2813.2.9非磁性金屬高智能化的建筑物、核熔爐、磁懸浮2913.3具有特殊功能的金屬材料13.3.1形狀記憶合金1．形狀記憶合金的功能將平板狀的合金彎曲成直角形狀，并加熱至某一溫度下(例如130℃左右)進(jìn)行形狀記憶熱處理，則該合金將“記住”在這一溫度下的形狀2913.3具有特殊功能的金屬材料13.3.1形狀記憶合3030312.形狀記憶功能的機(jī)理沿滑移面原子發(fā)生變位原子的移動(dòng)在格子之間連續(xù)變化，停留在不安定的位置上對(duì)合金加熱，原子又回到原來(lái)位置上，表現(xiàn)為形狀記憶特性

通常的塑性變形形狀記憶合金的塑性變形312.形狀記憶功能的機(jī)理沿滑移面原原子的移動(dòng)在對(duì)合金加熱32形狀記憶合金在高溫下的晶格結(jié)構(gòu)稱為基本相，溫度降低至馬氏體相變溫度時(shí)，即晶相結(jié)構(gòu)成為馬氏體相。如果對(duì)該合金再加熱達(dá)到馬氏體相變溫度以上，則晶格又恢復(fù)到基本相結(jié)構(gòu)。32形狀記憶合金在高溫下的晶格結(jié)構(gòu)稱為基本相，溫度降低至馬氏333.鎳-鈦合金的特性(1)形狀記憶功能較好，如果塑性應(yīng)變不超過(guò)7％，形狀可完全恢復(fù)；

(2)形狀恢復(fù)應(yīng)力較大，可達(dá)600MPa；

(3)疲勞壽命長(zhǎng)，如果塑性應(yīng)變控制在2％以內(nèi)，可重復(fù)10萬(wàn)次變形恢復(fù)過(guò)程；

(4)耐蝕性好，鎳-鈦合金具有與鈦金屬及其普通的鈦合金相當(dāng)?shù)哪臀g性333.鎳-鈦合金的特性(1)形狀記憶功能較好，如344．形狀記憶合金的應(yīng)用實(shí)例(1)配管接頭(2)宇宙開發(fā)

做人造衛(wèi)星或月球表面的天線(3)醫(yī)療器械

脊柱彎曲癥支撐材料，人體內(nèi)臟注入藥液的微型泵、以及各種止血鉗等。344．形狀記憶合金的應(yīng)用實(shí)例(1)配管接頭35(4)自動(dòng)開啟裝置雙向型形狀記憶合金，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定溫度時(shí)，將冷卻扇連接在回轉(zhuǎn)軸上的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)器，室內(nèi)溫度異常時(shí)切斷煤氣的安全閥開啟裝置、溫室窗的自動(dòng)開閉器、以及各種溫度開關(guān)等。(5)在土木、建筑領(lǐng)域的應(yīng)用通常用于溫室的自動(dòng)門開啟裝置、自來(lái)水和煤氣管道的接頭等部位35(4)自動(dòng)開啟裝置36接頭在工廠內(nèi)進(jìn)行形狀記憶熱處理后，對(duì)接頭再進(jìn)行擴(kuò)大內(nèi)徑的塑性加工，通常所設(shè)定的形狀恢復(fù)溫度為200℃，恢復(fù)可能應(yīng)變3％。36接頭在工廠內(nèi)進(jìn)行形狀記憶熱處理后，對(duì)接頭再進(jìn)行擴(kuò)大內(nèi)徑的3713．3．2非晶質(zhì)金屬1．非晶質(zhì)金屬的概念非晶質(zhì)金屬是將高溫下熔融狀態(tài)的液態(tài)金屬在瞬間凍結(jié)，因此非晶質(zhì)金屬的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在空間的排列是無(wú)序的，具有與玻璃體相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3713．3．2非晶質(zhì)金屬1．非晶質(zhì)金屬的概念38加工方法均需進(jìn)行急冷處理，冷卻速度：陰極真空噴鍍法為107-l09℃/s．液體急冷法為105-106℃/s。直徑100μm左右的非晶質(zhì)金屬絲

寬10-15cm、幾百米長(zhǎng)的薄板

不能生產(chǎn)太寬的薄板

100μm直徑的球狀金屬微粉

38加工方法均需進(jìn)行急冷處理，冷卻速度：陰極真空噴鍍法為1393．非晶質(zhì)合金的特性非晶質(zhì)合金可作成厚度30μm的薄膜，與普通金屬比較而言，其優(yōu)勢(shì)在于：(1)具有較高的硬度和強(qiáng)度布氏硬度是普通碳素鋼的100倍(2)具有優(yōu)異的耐腐蝕性在食鹽水、酸性、堿性溶液中無(wú)腐蝕，圖13.18393．非晶質(zhì)合金的特性非晶質(zhì)合金可作成厚度30μm的薄膜，40結(jié)晶質(zhì)鉻鎳不銹鋼腐蝕速度(mm/y)非晶質(zhì)合金40結(jié)晶質(zhì)腐非晶質(zhì)合金41(3)對(duì)于磁性具有敏感性普通的金屬在結(jié)晶粒子之間可能存在著一些雜質(zhì)微粒，會(huì)使磁性降低，并且晶粒在聚集時(shí)容易按特定的方向排列也會(huì)使磁場(chǎng)偏向。而非晶質(zhì)合金中的原子排列方向是不規(guī)則的，所以磁場(chǎng)的方向也不固定，無(wú)論在哪個(gè)方向上即使施加一個(gè)很弱的磁場(chǎng)，也會(huì)馬上有所反應(yīng)。41(3)對(duì)于磁性具有敏感性普通的金屬在結(jié)晶粒子之間可能存在42(4)電阻值高非晶質(zhì)合金的內(nèi)部沒(méi)有整齊排列的晶格，自由電子的穿行不如普通金屬那樣順利

非晶金屬的缺點(diǎn)非晶質(zhì)金屬的缺點(diǎn)是不能焊接，當(dāng)溫度達(dá)到某一界限會(huì)發(fā)生再結(jié)晶應(yīng)用目前非晶質(zhì)合金主要應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、變壓器、振子材料、感知器、磁性過(guò)濾器等電子部件。在建筑領(lǐng)域非晶質(zhì)合金材料主要用于防腐蝕的表面覆蓋薄膜。42(4)電阻值高4313.3.3裝飾性金屬表面膜在日本古都京都的金閣寺，又名鹿苑寺，建于1397年。二層、三層在底漆上鋪純金箔，屋頂金鳳凰，總耗金量大約20kg，勘稱金屬飾面建筑的典型代表。4313.3.3裝飾性金屬表面膜在日本古都京都的金閣寺，44裝飾性金屬表面膜的加工技術(shù)1．電化學(xué)方法形成氧化膜2．不銹鋼的鉻鎳處理浸泡在鉻酸、鎳酸和硫酸的混合液中，在表面形成鉻、鎳氧化物，控制氧化膜的組成與厚度，可獲得不同顏色，例如金