新型金属材料

新型金属材料

1、金属材料(de)结构与一般特性

用于土木、建筑工程(de)金属材料主要有：

①建筑钢材(de)使用量最大,其产品形式有型材、板材、管材和线材；

②不锈钢主要用于厨房设备、卫生洁具和建筑装饰；

③铝及铝合金质量轻,耐腐蚀性强,装饰性能好,主要用于门窗、室内外装修、装饰；

④幕墙材料和金属器具；

⑤铜(de)价格较贵,只限于建筑五金、门窗和家具(de)装饰或金属器件,用量很少.

（1）金属材料(de)结构

在结晶粒子(de)内部,金属原子按照一定(de)规律在三维方向上呈规则排列,其排列规律可以用空间格子来描述,叫做晶格.

熔点：1535℃,呈液态；

1535-0℃：体心立方晶格,称为δ-Fe；

0-910℃： 面心立方晶格,称为γ-Fe,伴随着体积收缩；

＜910℃： 体心立方晶格,称为α-Fe,伴随着体积膨胀. 同一种类(de)金属在不同(de)温度下其晶格排列方式可能不同,这种现象叫做金属(de)同素异构体.利用金属在不同温度下(de)同素异构性,可对金属进行热加工处理,以获得不同性质(de)金属材料.

绝大多数晶体都是10-100μm(de)晶粒组成(de)多晶体,晶粒之间(de)界面叫做晶界面.特殊热处理后 可变小.晶粒越细小,晶界(de)面积越大,材料受力时(de)韧性、变形均匀性和抵抗破坏(de)性能越好,合金化也是一个途径.

按添加元素(de)位置分为：

①侵入型固溶体；

②置换型固溶体；

③析出物.

晶体(de)有序排列遭到破坏,晶格缺陷(de)形式有点缺陷、线缺陷和面缺陷等.将间隙原子或置换原子地加入到金属材料结构中,就形成了材料固溶强化；位错(de)存在降低金属材料(de)强度,降低2-3个数量级,同时提高金属(de)塑性变形性能；晶界面越多,金属(de)强度越高、性能均匀性越好. （2）建筑钢材(de)成分及其对性能(de)影响

①钢材(de)主要化学成分是铁元素和碳元素,其中碳元素(de)含量在％－％(de)范围；

②如果碳含量大于％则称为生铁,生铁坚硬,但呈脆性,不能承受冲击荷载(de)作用

③钢材根据含碳量(de)多少分为低碳钢、中碳钢和高碳钢,随着含碳量增加,钢材(de)强度、硬度增大,但塑性、韧性降低.建筑上常使用低碳钢.

④在铁-碳合金中有意识地加入其他元素(de)原子,例如Mn、Si、Ni、Cr等,制成合金钢.按照合金元素(de)多少,分为高、中、低合金钢.建筑上常用低合金钢.

（3）金属材料(de)一般特性

①金属材料具有较高(de)强度和韧性,能抵抗冲击荷载(de)作用；具有导电性和导热性；

②延展性好,能制成各种型材、板材和线材；

③能进行焊接、铆接等加工,作成长大尺寸(de)构件；

④金属材料具有光亮(de)表面,装饰性能良好；

⑤金属材料容易被腐蚀,耐高温性差,生产成本较高. 受拉力作用下应力—应变曲线：

①弹性阶段: 弹性模量(E),弹性极限(σp),可恢复；

②屈服阶段：屈服强度(σs)；

③强化阶段: 加工硬化或强化；

④颈缩阶段: 导致破断,极限抗拉强度(σb).

引起金属材料产生塑性变形(de)内部原因,其一晶格本身发生了变形；其二是原子发生滑移运动,晶格形状不变,晶格之间(de)原子位置改变.

2、建筑领域(de)新型金属材料

用于建筑领域(de)金属材料种类较少,品种比较单一,虽然具有较高(de)强度和韧性,但是普遍存在着不耐高温、容易腐蚀、导热性较高、低温脆性等缺点.现阶段人们对建筑物(de)工作环境(de)要求更加苛刻,对金属材料(de)强度、耐久性、耐腐蚀性、耐火性、抗低温性、以及装饰性能等也提出了更多(de)要求.

（1）超高强度钢材

极限抗拉强度值：低碳钢 510-720MPa；低合金钢 510-720MPa；高强度钢 900-1300MPa；超高强度钢材达到1300MPa以上,可通过改变合金元素(de)含量及热处理工艺流程来实现. （2）低屈强比钢

钢材(de)屈服强度与极限强度(de)比值(σs/σb)叫做屈强比,反映了钢材受力超过屈服极限至破坏所具有(de)安全储备. 用于建筑工程(de)普通低碳钢(de)屈强比为,低合金钢(de)屈强比为.

结构(de)抗震性能要求：材料高(de)屈服强度和屈强比较小,满足小震、中震不破坏,大震、巨震不倒塌(de)要求.

（3）新型不锈钢

新型不锈钢不含Ni元素,是在19Cr-20Mo不锈钢中添加Nb、Ti、Zr等稳定性更好(de)元素,形成高纯度(de)贝氏体不锈钢.Cr含量更大(de)新品种不锈钢,可耐500-700℃高温,用于火力发电厂或建筑物中(de)耐火覆盖层.一般用于建筑物中(de)太阳能热水器、耐腐蚀配管等构件,但是只适合用于300℃以下(de)环境中.

为了提高不锈钢(de)美观性,可采用高耐久性(de)含氟树脂等涂料涂刷表面制成涂膜不锈钢,或利用电解着色制成彩色不锈钢,用于建筑物(de)外装修材料.例如在硫酸铬酸性溶液中电解,可在不锈钢表面形成氧化膜,再利用这层膜(de)光干涉作用,发出金色、蓝色、黄色、绿色、黑色等各种颜色. （4）高耐蚀性金属及钛合金建材

海洋结构物、临海建筑物中使用(de)金属材料,要求具有优异(de)耐腐蚀性. 钛金属经氧化处理能形成TiO2膜层,颜色因入射光(de)波长分布、入射角、氧化物膜层(de)厚度与折射率、钛金属表面(de)粗糙程度而呈微妙变化. 彩色钛金属板颜色与光泽(de)耐蚀性、耐候性也非常优秀.金属钛质量轻,比强度高,耐腐蚀性强,且装饰性能好,同时,钛金属热膨胀系数小,焊接性能也好,是理想(de)建筑材材.

由于价格高昂,作为普通(de)建筑材料还没有达到普及使用(de)程度.最近发达国家在沿海、腐蚀严重(de)地区已经开始将钛合金应用于建筑物(de)屋顶及外装修板材.

（5）耐火钢

普通建筑钢材(de)机械强度在400℃温度时将降低为室温下强度(de)1/3,在1000℃时降低为室温下强度(de)1/10.

耐火钢是在普通碳素钢中添加钼、钒、铬、铌等合金元素,各种元素(de)添加量大约为1％,可使钢材在400℃高温下(de)强度达到室温强度(de)2/3.

也可在钢材表面涂刷耐火涂料,或者在钢材表面覆盖耐火材料用于耐火. （6）轻质、高比强度金属材料

为减轻高层、超高层建筑物(de)自重,要求用于主体结构(de)金属材料要有高(de)比强度值.比强度是指材料(de)强度与其密度(de)比值.高成本(de)钛比强度最高,因此必须开发成本低,具有高比强度(de)金属材料.

采用轻金属与碳纤维复合制成(de)纤维强化金属,具有较高(de)比强度.对强化长纤维纵向加压,使熔融(de)金属浸渍到纤维材料中,或者采用短纤维与熔融金属进行混合铸造等方法制成.碳纤维(de)抗拉强度高达2000MPa,制成纤维强化铝金属,密度大幅度降低,抗拉强度可达到1000MPa左右,比强度值可超过350MPa.

（7）耐低温金属材料

当温度下降到一定程度时,对于很小(de)温度变化,金属(de)韧性突然降低,该温度称为金属材料(de)临界脆性温度.

地球表面自然环境(de)最低温度大约为-70℃－-80℃,飞行于宇宙中(de)宇宙飞船,受太阳直射侧(de)温度100-200℃,而没有受到太阳照射(de)一侧最低能达到-269.2℃(4K)左右(de)超低温度. 低温下使用(de)金属材料,主要考虑其低温脆化性,即随着温度降低其韧性是否明显降低. （8）金属纤维

为提高混凝土或砂浆材料(de)抗拉强度,常常在混凝土或砂浆中掺入金属短纤维,制成纤维砂浆或纤维混凝土.先将金属材料制成钢丝,然后切割成所需尺寸制成短纤维,宜选择耐蚀性好(de)金属素材作金属纤维.

（9）非磁性金属

高智能化(de)建筑物、核熔炉、磁悬浮铁路系统等容易产生很强(de)磁场,如果采用普通(de)具有磁性(de)金属材料,在磁场作用下产生力(de)作用,不利于结构体(de)正常运行.

目前具有代表性(de)非磁性金属材料有高锰钢、奥氏体系列不锈钢和钛金属,其高锰钢分为12Mn、l8Mn、24Mn个系列.

3、具有特殊功能(de)金属材料

（1）形状记忆合金

A.形状记忆合金(de)功能

将平板状(de)合金弯曲成直角形状,并加热至某一温度下(例如130℃左右)进行形状记忆热处理,则该合金将“记住”在这一温度下(de)形状.

B.形状记忆功能(de)机理

沿滑移面原子发生变位；原子(de)移动在格子之间连续变化,停留在不安定(de)位置上；对合金加热,原子又回到原来位置上,表现为形状记忆特性.

形状记忆合金在高温下(de)晶格结构称为基本相,温度降低至马氏体相变温度时,即晶相结构成为马氏体相.如果对该合金再加热达到马氏体相变温度以上,则晶格又恢复到基本相结构.

C.镍-钛合金(de)特性

①形状记忆功能较好,如果塑性应变不超过7％,形状可完全恢复；

②形状恢复应力较大,可达600MPa；

③疲劳寿命长,如果塑性应变控制在2％以内,可重复10万次变形恢复过程； ④耐蚀性好,镍-钛合金具有与钛金属及其普通(de)钛合金相当(de)耐蚀性

D.形状记忆合金(de)应用实例

①配管接头；

②宇宙开发,做人造卫星或月球表面(de)天线；

③医疗器械,脊柱弯曲症支撑材料,人体内脏注入药液(de)微型泵、以及各种止血钳等；

④自动开启装置.双向型形状记忆合金,例如汽车发动机达到一定温度时,将冷却扇连接在回转轴上(de)风扇旋转器,室内温度异常时切断煤气(de)安全阀开启装置、温室窗(de)自动开闭器、以及各种温度开关等.

⑤在土木、建筑领域(de)应用

通常用于温室(de)自动门开启装置、自来水和煤气管道(de)接头等部位.接头在工厂内进行形状记忆热处理后,对接头再进行扩大内径(de)塑性加工,通常所设定(de)形状恢复温度为200℃,恢复可能应变3％.

4、新型铝金属材料

铝合金材料具有质量轻、强度高、延展性好、耐腐蚀性好、表面有光泽、装饰性能好等优点,建筑领域大量用作建筑物(de)门窗、外墙幕墙材料及室内装修.

（1）超塑性铝合金

晶粒(de)粒径达到20μm以下,可使铝合金(de)拉伸伸长率达到50％以上,实现超塑性性能. 用超塑性铝合金制成(de)压型板、天花扣板.

（2）蜂窝式芯材板

“铝箔制作(de)六角形蜂窝集合体”＋“铝板”

（3）铝质复合材料

铝质复合材料具有振动损失系数高,具有良好(de)制震特性.在两片铝板之间夹入制震树脂,可夹入树脂等高分子泡沫材料或纤维石膏板制成(de)复合板材.

（4）耐腐蚀性装饰材料

将铝质金属制品浸泡在电解液中,以铝质金属板为阳极,通入电流,得到金色、银色、黑色等不同(de)表面颜色.

喷漆、喷塑、热镀等加工方法制造而成(de)铝质涂层板,通称为彩色铝板,常用(de)合成树脂涂料有丙烯类、乙烯类、聚酯类和含氟树脂等.

金属材料质量轻而强度高,具有良好(de)塑性和韧性,尺寸精度好,现代加工工艺已经很发达,有利于建筑构件工厂化生产、在现场安装(de)现