新型金属材料

1、新型金属材料1、金属材料的结构与一般特性用于土木、建筑工程的金属材料主要有：建筑钢材的使用量最大，其产品形式有型材、板材、管材和线材；不锈钢主要用于厨房设备、卫生洁具和建筑装饰； 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； 幕墙材料和金属器具； 铜的价格较贵，只限于建筑五金、门窗和家具的装饰或金属器件，用量很少。（1）金属材料的结构在结晶粒子的内部， 金属原子按照一定 的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 C，呈液态；1535-1390 °C：体心立方晶格，称为 $-Fe ；1390-910 C：

2、 面心立方晶格，称为丫-Fe ，伴随着体积收缩；< 910 C： 体心立方晶格，称为 a -Fe ,伴随着体积膨胀。同一种类的金属在不同的温度下其晶 格排列方式可能不同， 这种现象叫做金属的 同素异构体 。利用金属在不同温度下的同素 异构性，可对金属进行热加工处理，以获得 不同性质的金属材料。绝大多数晶体都是10-100 卩 m 的晶粒组成的多晶体，晶粒之间的界面叫做晶界面。 特殊热处理后 可变小。晶粒越细小，晶界 的面积越大，材料受力时的韧性、变形均匀 性和抵抗破坏的性能越好， 合金化也是一个 途径。按添加元素的位置分为： 侵入型固溶体； 置换型固溶体；析出物。晶体的有序排列遭到破坏，

3、晶格缺陷的形式有点缺陷、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；位错的存在降低金属材料的强度，降低2-3 个数量级，同时提高金属的塑性变形性能；晶界面越多，金属的强度越高、性能均匀性越好。（ 2）建筑钢材的成分及其对性能的影响 钢材的主要化学成分是铁元素和碳元素， 其中碳元素的含量在 0.02 2.0 的范围； 如果碳含量大于 2.0 则称为生铁，生铁 坚硬，但呈脆性，不能承受冲击荷载的作用 钢材根据含碳量的多少分为低碳钢、 中碳 钢和高碳钢， 随着含碳量增加，钢材的强度、 硬度增大，但塑性、韧性降低。建筑上常使 用低碳钢。在铁 - 碳合金中有意识地

4、加入其他元素的 原子，例如 Mn 、Si 、Ni、Cr 等，制成合金 钢。按照合金元素的多少，分为高、中、低 合金钢。建筑上常用低合金钢。（ 3）金属材料的一般特性 金属材料具有较高的强度和韧性， 能抵抗 冲击荷载的作用；具有导电性和导热性； 延展性好， 能制成各种型材、 板材和线材； 能进行焊接、铆接等加工，作成长大尺寸 的构件； 金属材料具有光亮的表面， 装饰性能良好； 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： 弹性阶段 ：弹性模量 （E）, 弹性极限 （a p）,可恢复； 屈服阶段：屈服强度 （a s）； 强化阶段： 加工硬化或强化； 颈缩阶段： 导致破断

5、 , 极限抗拉强度（ab） 。引起金属材料产生塑性变形的内部原因, 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 , 晶格之间的原子位置改变。2、建筑领域的新型金属材料用于建筑领域的金属材料种类较少,品种比较单一 , 虽然具有较高的强度和韧性,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的工作环境的要求更加苛刻 ,对金属材料的强度、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的要 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 900-1300M

6、Pa ; 超高强度钢材达到1300MPa以上，可通过改变合金元素的含量及热处理工艺流程来实现。（ 2）低屈强比钢钢材的屈服强度与极限强度的比值（ds/ d b）叫做屈强比，反映了钢材受力超过屈服极限至破坏所具有的安全储备。用于建筑工程的普通低碳钢的屈强比为0.58-0.63 ， 低合金钢的屈强比为 0.65-0.75 。结构的抗震性能要求：材料高的屈服强度和屈强比较小，满足小震、中震不破坏，大震、巨震不倒塌的要求。（ 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 等稳定性更好的元素，形成高纯度的贝氏体不锈钢。Cr 含量更

7、大的新品种不锈钢，可耐500-700 C 高温，用于火力发电厂或建筑物中的耐火覆盖层。一般用于建筑物中的太阳能热水器、耐腐蚀配管等构件，但是只适合用于300 C以下的环境中。为了提高不锈钢的美观性，可采用高耐久性的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，用于建筑物的外装修材料。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，再利用这层膜的光干涉作用，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、临海建筑物中使用的金属材料，要求具有优异的耐腐蚀性。钛金 属经氧化处理能形成TiO2 膜层，颜色因入射光的波长分布、入射角、氧化物

8、膜层的厚度与折射率、钛金属表面的粗糙程度而呈微妙变化。彩色钛金属板颜色与光泽的耐蚀性、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，是理想的建筑材材。由于价格高昂，作为普通的建筑材料还没有达到普及使用的程度。最近发达国家在沿海、腐蚀严重的地区已经开始将钛合金应用于建筑物的屋顶及外装修板材。（ 5）耐火钢普通建筑钢材的机械强度在400 C 温度时将降低为室温下强度的降低为室温下强度的1/101/3，在1000C时耐火钢是在普通碳素钢中添加钼、钒、铬、铌等合金元素，各种元素的添加量大约为 1%,可使钢材在400 C 高温下的强度达到室温

9、强度的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、超高层建筑物的自重 , 要 求用于主体结构的金属材料要有高的比强 度值。比强度是指材料的强度与其密度的比 值。高成本的钛比强度最高 , 因此必须开发 成本低 , 具有高比强度的金属材料。采用轻金属与碳纤维复合制成的纤维强化金属 , 具有较高的比强度。对强化长纤 维纵向加压 , 使熔融的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。碳纤维的抗拉强度高达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

10、 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， 对于很小的温度变化，金属的韧性突然降低，该温度称为金属材料的临界脆性温度。地球表面自然环境的最低温度大约为-70 C -80 C,飞行于宇宙中的宇宙飞船，受太阳直射侧的温度100-200 C,而没有受到太阳照射的一侧最低能达到-269.2 C°（ 4K）左右的超低温度。低温下使用的金属材料，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的抗拉强度， 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

11、所需尺寸制成短纤维， 宜选择耐蚀性好的金属素材作金属纤维。（ 9）非磁性金属 高智能化的建筑物、核熔炉、磁悬浮铁 路系统等容易产生很强的磁场， 如果采用普 通的具有磁性的金属材料， 在磁场作用下产 生力的作用，不利于结构体的正常运行。目前具有代表性的非磁性金属材料有 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、具有特殊功能的金属材料（ 1 ）形状记忆合金 A. 形状记忆合金的功能将平板状的合金弯曲成直角形状，并加 热至某一温度下 （例如 130 °C 左右 ）进行形状记忆热处理，则该合金将“记住”在这一温度下的形状。前爬状B. 形状记忆

12、功能的机理沿滑移面原子发生变位；原子的移动在格子之间连续变化，停留在不安定的位置上；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的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 -钛合金的特性 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； 形状恢复应力较大，可达600MPa 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； 耐蚀性好，镍 -钛合金具有与钛金属及其普通的钛合金相当的耐蚀性D. 形状记忆合金的应用实例 配管接头；

13、宇宙开发，做人造卫星或月球表面的天线； 医疗器械，脊柱弯曲症支撑材料，人体内脏注入药液的微型泵、以及各种止血钳等； 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 接在回转轴上的风扇旋转器， 室内温度异常 时切断煤气的安全阀开启装置、 温室窗的自 动开闭器、以及各种温度开关等。 在土木、建筑领域的应用通常用于温室的自动门开启装置、自来 水和煤气管道的接头等部位。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的塑性加工， 通常所设定的形状恢复温度为 200 C，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

14、泽、装饰性能好等优点， 建筑领域大量用作建筑物的门窗、外墙幕墙材料及室内装修。（ 1）超塑性铝合金晶粒的粒径达到20 卩 m 以下，可使铝合金的拉伸伸长率达到 50%以上，实现超塑性性能。 用超塑性铝合金制成的压型板、天 花扣板。（ 2）蜂窝式芯材板“铝箔制作的六角形蜂窝集合体”“铝板”（ 3）铝质复合材料 铝质复合材料具有振动损失系数高， 具有良好的制震特性。 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 纤维石膏板制成的复合板材。（ 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、黑色等不同的表面颜色。喷漆、喷塑、热镀

15、等加工方法制造而成的铝质涂层板，通称为彩色铝板，常用的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， 具有良好的 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 现场安装的现代化建设施工模式。只是生产成本较高， 且容易腐蚀的问题 是最大的弱点。应不断开发新型的、符合可 持续发展原则的金属材料， 并将其应用于建 筑工程中。复合材料1、复合材料的发展概况人类进步的历史与人类应用材料的历史密切相关。在迈向现代文明的进程中，人类经历了石器时代、铜器时代、铁器时代、合成材料时代，现已迈入应用复合材料的新时代。长期以来，人们不断改进原有材料、开发

16、新的材料品种，在实践中积累了丰富的应用材料的经验。但是，任何一种单一的材料( 金属、陶瓷、聚合物 ) ，虽有许多优点，但都存在着一些明显的不足， 改性也往往是有限的。随着现代科学技术的迅猛发展，对材料提出了越来越高、越来越严、越来越多的要求，既要求良好的综合性能，如高强度、高刚度、高韧性、低密度等性能，又希望能够在高温、高压、强腐蚀等恶劣的环境下服役。这些是传统的单一材料所不能满足的。于是 人们想到将一些不同性能的材料复合起来，相互取长补短，这样就出现了复合材料。(1) 早期的复合材料复合材料并不是人类发明的新材料，在 自然界存在许多天然的复合材料，人类使用复合材料有着悠久的历史。天然复合材料

17、：竹子、木材、骨骼、皮肤、贝壳等自然界的经典组合：竹子是由许多直径不同的管状纤维素分散在木质素基体中形 成的复合材料。表皮纤维细而密，可增强抗 弯强度；内层纤维粗而疏，可改善韧性。最原始的人工复合材料： 6000 年前，我 国古代劳动人民使用的土坯砖是有粘土和 稻草组成的。古代金属基复合材料： 越王剑即金属包 层复合材料， 在潮湿的环境中埋藏了几千年， 出土是仍光亮夺目，锋利无比。(2) 近代复合材料 主要指人工特意复合而成的一种新型 材料体系，成功制造要从 1942 年开始算起。 第二次世界大战期间， 玻璃纤维增强聚脂树 脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件。复合材料发展第一代：璃纤维增强塑

18、料时代。复合材料发展第二代：19421960 年， 玻19601980 年， 先进复合材料发展时代，主要研究增强材料，英国研制碳纤维，美国研制了Kevlar 纤维。 碳纤维增强环氧树脂、Kevlar 纤维增强环氧树脂复合材料用于飞机、火箭的主承力构件。复合材料发展第三代： 19801990 年， 纤维增强金属基复合材料时代， 其中铝基复 合材料应用最广泛； 同时陶瓷基复合材料也 得到研究和发展。复合材料发展第四代： 1990 至今，主 要发展多功能复合材料，梯度功能材料、纳 米复合材料、仿生复合材料。2、复合材料的概念复合材料在材料科学中是一门新兴学 科，理论尚不成熟，还没有形成统一的、普 遍

19、接受的定义。 国际化组织为复合材料下的 定义：复合材料是由两种或两种以上物理和 化学性质不同的物质组合而成的一种多相 固体材料。改进的定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质采用适当 的工艺组合而成的一种多相固体材料， 而且 这种多相固体材料的性能比单一材料的性 能优越。定义要点:(1) 多相材料。 通常包括基体相和增强 相。基体相可以是一个或几个，把改善性能 的增强相材料固结成一体， 起着粘结和传递 应力的作用，又称为连续相。增强相也可以 是一个或几个， 起着承受应力和显示功能的 作用，又称为分散相。(2) 固体材料。 若复合产物为液体或气 体混合物，就不是复合材料。(3)

20、人工合成。 自然界天然的复合材料 不在材料科学研究之列。(4) 性能优越性 . 改善或克服组成材料的弱点， 充分发挥优 点。如玻璃钢强度>> 玻璃和树脂。 各向异性，性能具有可设计性，使构件中纤维与受力方向一致。 可创造出单一材料不具备的性能， 或同一 时间里发挥不同的功能。如温控开关。其特 点是：具有可设计性；人工制造而非天然形 成的；性能取决于各组分性能及协同效应； 组元间有明显界面或呈梯度变化的多相材 料。3、复合材料的分类复合材料可以由金属、 高聚物和陶瓷中 任意两者人工合成， 也可以由两种或更多种 金属、高聚物和陶瓷来制备，因此复合材料 范围很广、种类很多，目前分类也不统

21、一。（ 1）按基体材料分类 聚合 物基复合材料（ Polymer Matrix Composites ，简写 PMC ） 金 属 基 复 合 材 料 （ Metal Matrix Composites ，简写 MM ）C 陶 瓷 基 复 合 材 料 （ Ceramic MatrixComposites ，简写 CMC ） 碳 碳 基 复 合 材 料 （ Carbon-CarbonComposites ，简写 C/C ）（ 2）按增强材料的形态分类 零维：颗粒增强复合材料。根据颗粒大小， 又分为弥散颗粒增强复 合材料（ 1002500 ? ）和真正颗粒增强复合 材料（微米级） 。 一维：纤维增强

22、复合材料。按纤维长短有分为连续纤维增强复合 材料、短纤维增强复合材料和晶须增强复合 材料。按纤维种类有分为玻璃纤维增强复合 材料、碳纤维增强复合材料、硼纤维增强复 合材料、芳纶纤维增强复合材料、金属纤维 增强复合材料、陶瓷纤维增强复合材料。 二维：板状复合材料、平面编织复合材料、片状材料增强复合材料。 三维：骨架状复合材料、立体编织复合材料。（ 3）按复合材料的用途分类 结构复合材料：以承受载荷为主要目的。 主要使用力学性能， 以满足高强度、 高模量、 耐冲击、耐磨损的要求。这类复合材料通常 由基体材料和增强材料组成， 其中增强材料 起主要作用， 由它提供复合材料的刚度和强 度，基本上控制了复

23、合材料的力学性能；基体材料起配合作用，支持和固定增强材料，改善复合材料的某些性能。 功能复合材料：主要使用功能特性，利用其在电、磁、声、光、热、阻尼、烧蚀等方面的特殊性能。如导电复合材料、磁性复合材料等。 智能复合材料：机敏材料+自决策材料 +执 行材料。当材料发生故障或即将失效时，电阻或电导发生突变，机敏材料发出预警，自决策材料根据情况作出最优控制，发出指令 传达给执行材料使之发生动作，从而保证材料处于最佳状态。4、复合材料的命名：(1) 强调基体材料时以基体材料命名,如金属基复合材料。( 2 ) 强调增强材料时以增强材料命名，如碳纤维增强复合材料。（ 3）强调基体材料和增强材料时，两者并用

24、，如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。5、复合材料表示方法：（ 1）增强材料/ 基体材料。纤维增强高分子复合如 WC/C （o 读作： 由碳化钨增强的钴基复合材料）；SiC （ P）/Al （读作：由碳化硅颗粒增强的铝基复合材料） ；C （f ） /EP （读作：由碳纤维增强的环氧树脂复合材料）。（ 2 ）英文编号的缩写。如 FRP 纤维增强塑料（ Fiber Reinforced Plastics ）；PMC 聚合物基复合材料；MMC 金属基复合材料；CMC 陶瓷基复合材料；FRC 纤维增强复合材料；各种教材常用这些编号，实际并没有统一。例如 FRC 可代表纤维增强陶瓷；也可代表纤维脂复合材料，

25、还表示纤维增强复合材料。原因是 C：Ceramic ； Cement ；- 树Composites ；碳纤维。M： Metal ； Matrix 。 R：Reinforced ； Resin 。 P：Polymer ； Plastics6、复合材料的性能特点（ 1） 比强度和比模量高。比强度 =强度 / 密度；比模量=弹性模量/ 密度比强度高，制作的零件自重小；比模量高，零件刚性好。（ 2） 抗疲劳性能好。金属材料的疲劳极限为其拉伸强度的4050% ，疲劳破坏往往是突发性的，事先没有征兆；碳纤维树脂复合材料的疲劳极限为其拉伸强度的7080% ，疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，破坏前有明显的预

26、兆。（ 3）减振性能好。 构件的自振频率与结构本身的性状有 关，还与材料的比模量的平方根成正比。复 合材料比模量大，自振频率高，在一般加载 速度下，不容易发生共振而快速断裂。 另外， 复合材料是多相体系， 大量界面对振动有反 射和吸收作用，振动阻尼很高，其中振动衰减快，因而减振能力强。（ 4）高温性能好 （相对基体材料而言） 。 增强材料有较高的熔点和高温强度，C如 铝在 400500° 完全丧失强度，而 B（f ） /Al 在 400500 C 仍有很高的强度。碳纤维增强树脂基复合材料的耐热性能比树脂基体有明显的提高。（ 5）减摩、耐磨性能好。塑料王聚四氟乙烯摩擦系数极低，仅0.0

27、4 ，几乎是所有固体擦了中最低的。碳纤维可降低塑料的摩擦系数， 在热塑性塑料中 掺入少量短切碳纤维，其耐磨性大大提高。（6）化学稳定性好。钢材不耐酸， 但很大复合材料能耐酸碱 腐蚀。玻璃纤维增强塑料不仅可在含氯离子 的酸性介质中长期使用，还能在强碱介质中 使用。（ 7）断裂安全性高。 纤维增强复合材料中含有大量的独立 纤维。当构件过载后即使有少量的纤维断裂， 载荷也会迅速重新分配到为破坏的纤维上， 使整个构件不致在极短的时间内完全丧失 承载能力而整体破坏，因而工作安全性高。（8）成型工艺性好。复合材料构件制造工艺简单，适合整体成型，即一次成型。在制备复合材料的同时，也获得了构件，减少了后续工序

28、。复合材料性能不足之处： 横向拉伸强度和层间剪切强度低； 断裂伸长率低，冲击韧性有时不好； 制造是产品性能不稳定，分散性大，质检困难； 老化性能不好； 机械连接困难； 成本太高。7、纤维增强复合材料的复合原则材料复合的目的是获得最佳的强度、刚 度等机械性能。（ 1）纤维是材料的主要承载组成，因此 应该具有最高的强度和刚度。弹性模量 E 愈高，在同样应变量下，按 照虎克定律，所承受的应力愈大，工作中能 承受的载荷愈大， 更能充分发挥对材料的增 强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定性高也是保证结构稳定性所必要的。（ 2）基体起粘结纤维的作用， 因此必须： 对纤维有润湿性， 以便在界面上有必要的 粘

29、结力，而将纤维粘结为一个整体； 具有一定的塑性和韧性， 对裂纹起致偏和 控制作用；能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面的反应。（ 3）纤维与基体之间应该有高的且合适 的结合强度。结合强度高， 不仅直接有利于整个材料 的强度， 更重要的是便于将基体所承受的载 荷传递给纤维， 以充分发挥纤维的增强作用。 结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维无 法增强，整体强度下降。结合强度过高也不 利，使复合材料断裂时失去纤维从基体拔出 的过程，降低复合材料的强度，在载荷过大 时可能导致危险的脆性断裂。（4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。通常要求两者的热膨胀系数相近，如果 纤维和基体热膨胀

30、系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以便在受热后的冷却过程中， 由于收缩较大使基体处于受压状态， 而获得 一定的保护。相反，对于塑性较好的基体， 纤维的热膨胀系数则可稍小一些， 以便在其 中造成残余压应力，增进韧性。（ 5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。一般来说，体积含量愈高，增强效果愈 大，但体积含量过高，增强效果又会下降。 比较合适的纤维含量在4070% 范围内。纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同 时细纤维的表面积较大， 有利于增加与基体 的结合力，即直径越小，纤维增强效果越大。 纤维的长度对增强有利， 连续纤维比短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的临界值时，才能有