第13章新型金属材料

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313.1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。41.1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。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δ-Fe1390-910℃：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。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、变形均匀性和抵抗破坏的性能越好绝大多数晶体都是10-100μm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。81.2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。91.3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)σsσpσb11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1213.2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。1313.2.1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。1413.2.2低屈强比钢钢材的屈服强度与极限强度的比值(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1513.2.3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、绿色、黑色等各种颜色1713.2.4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应用于建筑物的屋顶及外装修板材。2113.2.5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。2213.2.6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。2413.2.7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。2613.2.8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2813.2.9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。2913.3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30312.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。333.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344．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，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％。3713．3．2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，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100μm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100μm直径的球状金属微粉393．非晶质合金的特性非晶质合金可作成厚度30μm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13.1840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。4313.3.3装饰性金属表面膜在日本古都京都的金阁寺，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453．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464．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0.4-0.5mm厚的软质或半硬质聚氯乙烯塑料薄膜制成的板材。4713.4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、