第13章__新型金属材料.ppt

1、1,第13章 新型金属材料,2,内 容,13.1 金属材料的结构与一般特性 13.2 建筑领域的新型金属材料 13.3 具有特殊功能的金属材料 13.4 新型铝金属材料,3,13.1 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。,4,1.1 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

2、规则排列，其排列规律可以用空间格子来描述，叫做晶格。,面心立方晶格: 奥氏体系列的不锈钢、 铝、铜、金、银等,体心立方晶格: 普通钢材、钨等,密排六方晶格 钛金属等,5,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,普通碳素钢： 熔点：1535，呈液态； 1535-1390：体心立方晶格，称为-Fe 1390-910： 面心立方晶格，称为-Fe，伴随着体积收缩； 910： 体心立方晶格，称为-Fe，伴随着体积膨胀。,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。,6,晶粒越细小，晶界的面积越大，材料受力时的韧性、变形均

3、匀性和抵抗破坏的性能越好,绝大多数晶体都是10-100m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,合金化也是一个途径 按添加元素的位置分为 (1)侵入型固溶体 (2)置换型固溶体 (3)析出物,7,晶体的有序排列遭到破坏，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。,8,1.2 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0.022.

4、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。,9,1.3 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， 但是金属材

5、料容易被腐蚀，耐高温性差，生产成本较高。,10,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(p)，可恢复 屈服阶段：屈服强度(s) 强化阶段: 加工硬化或强化 颈缩阶段: 导致破断 极限抗拉强度(b),s,p,b,11,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,12,13.2 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

6、、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。,13,13.2.1 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的含量及热处理工艺流程来实现。,14,13.2.2 低屈强比钢,钢材的屈服强度与极限强度的比值(s/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

7、坏，大震、巨震不倒塌的要求,15,13.2.3 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 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以下的环境中。 Cr含量更大的新品种不锈钢，可耐500-700高温，用于火力发电厂或建筑物中的耐火覆盖层。,16,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、

8、绿色、黑色等各种颜色,17,13.2.4 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。,铜,镍,钛,18,钛 材,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,19,彩色钛金属板颜色与光泽的耐蚀性、耐候性也非常优秀,光 泽 度 变 化 率 ,小时,20,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

9、应用于建筑物的屋顶及外装修板材。,21,13.2.5 耐火钢,普通建筑钢材的机械强度在400温度时将降低为室温下强度的1/3，在1000时降低为室温下强度的1/10。 在钢材表面涂刷耐火涂料，或者在钢材表面覆盖耐火材料 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高温下的强度达到室温强度的2/3。,22,13.2.6 轻质、高比强度金属材料,比强度是指材料的强度与其密度的比值。 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,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,23,采用轻金属与碳纤维复

10、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，比强度值可超过350MPa。,24,13.2.7 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-70-80，飞行于宇宙中的宇宙飞船，受太阳直射侧的温度100-200，而没有受到太阳照射的一侧最低能达到-269.2(4K)左右的超低温度。,25,低

11、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。,26,13.2.8 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。 此外，采用非晶质合金为素材由熔融状态，以104/s的速度急冷凝固可制造非晶质合金纤维。,27,高频振动法由金属块状材料直接制造短纤维的技术，其生产效率更高。,弹性切削工具,原材料金属棒,金属纤维,28,13.2.9 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

12、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。,29,13.3 具有特殊功能的金属材料,13.3.1 形状记忆合金 1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,30,31,2. 形状记忆功能的机理,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,通常的塑性变形,形状

13、记忆合金 的塑性变形,32,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。,33,3. 镍-钛合金的特性,(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的钛合金相当的耐蚀性,34,4形状记忆合金的应用实例,(1)配管接头 (2)宇宙开发 做人造卫星或月球表面的天线 (3)医疗器械 脊柱弯曲症支撑材料

14、，人体内脏注入药液的微型泵、以及各种止血钳等。,35,(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。 (5)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,36,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，恢复可能应变3。,37,1332 非晶质金属,1非晶质金属的概念 非晶质金属是将高温下熔融状态的液态金属在瞬间冻结，因此非晶质金属的内部质点在空间的排列是无序的，

15、具有与玻璃体相似的内部结构,38,加工方法,均需进行急冷处理，冷却速度：阴极真空喷镀法为107-l09/s液体急冷法为105-106/s。,直径100m 左右的非晶 质金属丝,宽10-15cm、 几百米长的 薄板,不能生产 太宽的薄板,100m直径的 球状金属微粉,39,3非晶质合金的特性,非晶质合金可作成厚度30m的薄膜，与普通金属比较而言，其优势在于： (1)具有较高的硬度和强度 布氏硬度是普通碳素钢的100倍 (2)具有优异的耐腐蚀性 在食盐水、酸性、碱性溶液中无腐蚀，图13.18,40,结晶质 铬镍不锈钢,腐 蚀 速 度 (mm/y),非晶质合金,41,(3)对于磁性具有敏感性,普通的

16、金属在结晶粒子之间可能存在着一些杂质微粒，会使磁性降低，并且晶粒在聚集时容易按特定的方向排列也会使磁场偏向。 而非晶质合金中的原子排列方向是不规则的，所以磁场的方向也不固定，无论在哪个方向上即使施加一个很弱的磁场，也会马上有所反应。,42,(4)电阻值高 非晶质合金的内部没有整齐排列的晶格，自由电子的穿行不如普通金属那样顺利 非晶金属的缺点 非晶质金属的缺点是不能焊接，当温度达到某一界限会发生再结晶 应用 目前非晶质合金主要应用于太阳能电池、变压器、振子材料、感知器、磁性过滤器等电子部件。在建筑领域非晶质合金材料主要用于防腐蚀的表面覆盖薄膜。,43,13.3.3 装饰性金属表面膜,在日本古都京

17、都的金阁寺，又名鹿苑寺，建于1397年。 二层、三层在底漆上铺纯金箔，屋顶金凤凰，总耗金量大约20kg，勘称金属饰面建筑的典型代表。,44,装饰性金属表面膜的加工技术,1电化学方法形成氧化膜 2不锈钢的铬镍处理 浸泡在铬酸、镍酸和硫酸的混合液中，在表面形成铬、镍氧化物，控制氧化膜的组成与厚度，可获得不同颜色，例如金色、红色等,45,3离子电镀法,使金属蒸汽与气体反应，形成金属的氮化物或氧化物，覆盖在基体金属表面。,例如，氮化钛为金色，铝的氧化物为紫色， 铌的氧化物为绿色，氧化硅薄膜接近透明,46,4镜面不锈钢饰面板 对不锈钢薄板表面进行特殊的抛光处理，使板面光亮如镜 5彩色涂层钢板 表面涂0.

18、4-0.5mm厚的软质或半硬质聚氯乙烯塑料薄膜制成的板材。,47,13.4 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 在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,48,1341 超塑性铝合金,晶粒的粒径达到20m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。,49,用超塑性铝合金制成的压型板、天花扣板,中科院沈阳金属所 卢柯院士 纳米晶超塑性铜,50,13.4.2 蜂窝式芯材板 “超薄的铝箔制作的六角形蜂窝集合体”“铝板” 13.4.3 铝质复合材料 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,51,振动损失系数高，具有良好的制震特性,52,13.4.4 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,53,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