第13章新型金属材料课件

1、1第第13章章 新型金属材料新型金属材料2内内 容容n13.1 金属材料的结构与一般特性金属材料的结构与一般特性n13.2 建筑领域的新型金属材料建筑领域的新型金属材料n13.3 具有特殊功能的金属材料具有特殊功能的金属材料n13.4 新型铝金属材料新型铝金属材料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用于土木、建筑工程的金属材料主要有n建筑钢材建筑钢材的使用量最大，其产品形式有型材、板材、的使用量最大，其产品形式有型材、板材、管材和线材；管材和线材；n不锈钢不锈钢主要用于厨房设备、卫生洁具和建筑装饰；主要用于厨房设备、卫生洁具和建筑装饰；n铝及铝合金铝及铝合金

2、质量轻，耐腐蚀性强，装饰性能好，主要质量轻，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；用于门窗、室内外装修、装饰、幕墙材料和金属器具；n铜铜的价格较贵，只限于建筑五金、门窗和家具的装饰的价格较贵，只限于建筑五金、门窗和家具的装饰或金属器件，用量很少。或金属器件，用量很少。41.1 金属材料的结构金属材料的结构 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。子来描述，叫做晶格。面心立方晶格面心立方晶格: 奥氏体系列的不

3、锈钢、奥氏体系列的不锈钢、铝、铜、金、银等铝、铜、金、银等 体心立方晶格体心立方晶格:普通钢材、钨等普通钢材、钨等 密排六方晶格密排六方晶格钛金属等钛金属等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可能不同，这种现象叫做金属的同素异构体普通碳素钢：普通碳素钢：熔点：熔点：1535，呈液态；，呈液态；1535-1390：体心立方晶格，称为：体心立方晶格，称为-Fe1390-910： 面心立方晶格，称为面心立方晶格，称为-Fe，伴随着体积收缩；，伴随着体积收缩；910： 体心立方晶格，称为体心立方晶格，称为-Fe，

4、伴随着体积膨胀。，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。行热加工处理，以获得不同性质的金属材料。6晶粒越细小晶粒越细小，晶界的，晶界的面积越大，材料受面积越大，材料受力时的力时的韧性、变形韧性、变形均匀性和抵抗破坏均匀性和抵抗破坏的性能越好的性能越好绝大多数晶体都是绝大多数晶体都是10-100m的晶粒组成的多晶体，的晶粒组成的多晶体，晶粒之间的界面叫做晶粒之间的界面叫做晶界面晶界面。特殊热处理后特殊热处理后 可变小可变小合金化也是一个途径合金化也是一个途径按添加元素的位置分为按添加元素的位

5、置分为(1)侵入型固溶体侵入型固溶体(2)置换型固溶体置换型固溶体 (3)析出物析出物 7 晶体的有序排列遭到破坏，晶格缺陷的形式有晶体的有序排列遭到破坏，晶格缺陷的形式有点缺陷、点缺陷、线缺陷和面缺陷线缺陷和面缺陷等等 将将间隙原子或置换原子间隙原子或置换原子地加入到金属材料结构中，就形成地加入到金属材料结构中，就形成了了材料固溶强化材料固溶强化；位错的存在位错的存在降低金属材料的强度，降低降低金属材料的强度，降低2-3个数量级，同时个数量级，同时提高金属的塑性变形性能提高金属的塑性变形性能；晶界面越多晶界面越多，金属的，金属的强度越高、性能均匀性越好强度越高、性能均匀性越好。 81.2 建

6、筑钢材的成分及其对性能的影响n钢材钢材的主要化学成分是铁元素和碳元素，其中碳元的主要化学成分是铁元素和碳元素，其中碳元素的含量在素的含量在0.022.0的范围的范围n如果碳含量如果碳含量大于大于2.0则称为生铁则称为生铁，生铁坚硬，但，生铁坚硬，但呈脆性，不能承受冲击荷载的作用呈脆性，不能承受冲击荷载的作用n钢材根据含碳量的多少分为钢材根据含碳量的多少分为低碳钢、中碳钢和高碳低碳钢、中碳钢和高碳钢钢，随着含碳量增加，钢材的强度、硬度增大，但，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。塑性、韧性降低。建筑上常使用低碳钢。n在铁在铁-碳合金中有意识地碳合金中有意识

7、地加入其他元素的原子加入其他元素的原子，例，例如如Mn、Si、Ni、Cr等，制成等，制成合金钢合金钢。按照合金元。按照合金元素的多少，分为高、中、低合金钢。建筑上常用低素的多少，分为高、中、低合金钢。建筑上常用低合金钢。合金钢。91.3 金属材料的一般特性n金属材料具有较高的强度和韧性，能抵抗冲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；击荷载的作用；具有导电性和导热性；n延展性好，能制成各种型材、板材和线材延展性好，能制成各种型材、板材和线材n能进行焊接、铆接等加工，作成长大尺寸的能进行焊接、铆接等加工，作成长大尺寸的构件；构件；n金属材料具有光亮的表面，装饰性能

8、良好，金属材料具有光亮的表面，装饰性能良好，n但是金属材料容易被腐蚀，耐高温性差，生但是金属材料容易被腐蚀，耐高温性差，生产成本较高。产成本较高。10受拉力作用下应力受拉力作用下应力应变曲线应变曲线 弹性阶段弹性阶段: 弹性模量弹性模量(E),弹性极限弹性极限(p)，可恢复，可恢复屈服阶段：屈服强度屈服阶段：屈服强度(s) 强化阶段强化阶段: 加工硬化或强加工硬化或强化化 颈缩阶段颈缩阶段: 导致破断导致破断 极限抗拉强度极限抗拉强度(b) spb11 引起金属材料产生塑引起金属材料产生塑性变形的内部原因，性变形的内部原因，其一其一晶格本身发生了晶格本身发生了变形变形；其二其二是原子发是原子发

9、生滑移运动，晶格形生滑移运动，晶格形状不变，状不变，晶格之间的晶格之间的原子位置改变原子位置改变1213.2 建筑领域的新型金属材料建筑领域的新型金属材料n用于建筑领域的金属材料用于建筑领域的金属材料种类较少，品种种类较少，品种比较单一比较单一，虽然具有较高的强度和韧性，虽然具有较高的强度和韧性，但是普遍存在着但是普遍存在着不耐高温、容易腐蚀、导不耐高温、容易腐蚀、导热性较高、低温脆性等缺点热性较高、低温脆性等缺点。n现阶段人们对建筑物的工作环境的要求更现阶段人们对建筑物的工作环境的要求更加苛刻，加苛刻，对金属材料的强度、耐久性、耐对金属材料的强度、耐久性、耐腐蚀性、耐火性、抗低温性、以及装饰

10、性腐蚀性、耐火性、抗低温性、以及装饰性能等也提出了更多的要求能等也提出了更多的要求。1313.2.1 超高强度钢材超高强度钢材n极限抗拉强度值极限抗拉强度值：低碳钢：低碳钢 510-720MPa；低；低合金钢合金钢 510-720MPa；高强度钢；高强度钢 900-1300MPa；超高强度钢材达到；超高强度钢材达到1300MPa以以上上n可通过改变可通过改变合金元素的含量合金元素的含量及及热处理工艺流热处理工艺流程程来实现。来实现。1413.2.2 低屈强比钢低屈强比钢n钢材的钢材的屈服强度与极限强度屈服强度与极限强度的比值的比值(s/b)叫叫做做屈强比屈强比，反映了钢材受力超过屈服极限，反映

11、了钢材受力超过屈服极限至破坏所具有的安全储备至破坏所具有的安全储备 n用于建筑工程的普通低碳钢的屈强比为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，低合金钢的屈强比为0.65-0.75n结构的抗震性能要求：结构的抗震性能要求：材料高的屈服强度材料高的屈服强度和屈强比较小和屈强比较小，满足小震、中震不破坏，满足小震、中震不破坏，大震、巨震不倒塌的要求大震、巨震不倒塌的要求 1513.2.3 新型不锈钢新型不锈钢n新型不锈钢不含新型不锈钢不含Ni元素，是在元素，是在19Cr-20Mo不锈钢中添加不锈钢中添加Nb、Ti、Zr等稳定性更好的等稳定性更好的元素，形成高纯度的

12、贝氏体不锈钢元素，形成高纯度的贝氏体不锈钢n一般用于建筑物中的太阳能热水器、耐腐一般用于建筑物中的太阳能热水器、耐腐蚀配管等构件，但是只适合用于蚀配管等构件，但是只适合用于300以下以下的环境中。的环境中。nCr含量更大的新品种不锈钢，可耐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高温，用于火力发电厂或建筑物中的耐火覆盖层。耐火覆盖层。16n为了提高不锈钢的美观性，可采用为了提高不锈钢的美观性，可采用高耐久高耐久性的含氟树脂等涂料性的含氟树脂等涂料涂刷表面制成涂膜不涂刷表面制成涂膜不锈钢，或利用锈钢，或利用电解着色电解着色制成彩色不锈钢，制成彩色不锈钢，用于建筑

13、物的外装修材料。用于建筑物的外装修材料。n例如在硫酸铬酸性溶液中电解，可在不锈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钢表面形成氧化膜，再利用这层膜的光干涉作用，发出涉作用，发出金色、蓝色、黄色、绿色、金色、蓝色、黄色、绿色、黑色等各种颜色黑色等各种颜色1713.2.4 高耐蚀性金属及钛合金建材高耐蚀性金属及钛合金建材n海洋结构物、临海建海洋结构物、临海建筑物筑物中使用的金属材中使用的金属材料，料，要求具有优异的要求具有优异的耐腐蚀性耐腐蚀性。 铜铜镍镍钛钛18钛钛 材材 钛金属经氧化处理能形成钛金属经氧化处理能形成TiO2膜层，颜色因入射光的波膜层，颜色因入射

14、光的波长分布、入射角、氧化物膜层的厚度与折射率、钛金属长分布、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表面的粗糙程度而呈微妙变化 19 彩色钛金属板彩色钛金属板颜色与光泽的颜色与光泽的耐蚀性、耐候耐蚀性、耐候性也非常优秀性也非常优秀 光光泽泽度度变变化化率率小时小时20n金属钛金属钛质量轻，比强度高，耐腐蚀性强，且质量轻，比强度高，耐腐蚀性强，且装饰性能好装饰性能好，同时，同时，钛金属热膨胀系数小，钛金属热膨胀系数小，焊接性能也好，焊接性能也好，是理想的建筑材材是理想的建筑材材n由于价格高昂，作为普通的建筑材料还没有由于价格高昂，作为普通的建筑材料还没有达到普及使用的

15、程度。达到普及使用的程度。n最近发达国家在沿海、腐蚀严重的地区已经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开始将钛合金应用于建筑物的屋顶及外装修板材。板材。2113.2.5 耐火钢n普通建筑钢材的机械强度在普通建筑钢材的机械强度在400温度时将温度时将降低为室温下强度的降低为室温下强度的1/3，在，在1000时降低时降低为室温下强度的为室温下强度的1/10。n在钢材表面涂刷在钢材表面涂刷耐火涂料耐火涂料，或者在钢材表面，或者在钢材表面覆盖耐火材料覆盖耐火材料n耐火钢是在普通碳素钢中添加钼、钒、铬、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

16、添加量大约为铌等合金元素，各种元素的添加量大约为1，可使钢材在，可使钢材在400高温下的强度达到室高温下的强度达到室温强度的温强度的2/3。2213.2.6 轻质、高比强度金属材料n比强度是指比强度是指材料的强度与其密度的比值材料的强度与其密度的比值。n为减轻高层、超高层建筑物的自重，要求用于主为减轻高层、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成本低，具有高比强度的金属材料 23n采用采用轻金属与碳纤维复合轻金属与碳纤维复合制成的纤维强化制成

17、的纤维强化金属，具有较高的比强度。金属，具有较高的比强度。n对强化长纤维对强化长纤维纵向加压纵向加压，使熔融的金属浸，使熔融的金属浸渍到纤维材料中，或者采用短纤维与熔融渍到纤维材料中，或者采用短纤维与熔融金属进行混合铸造等方法制成。金属进行混合铸造等方法制成。n碳纤维的抗拉强度高达碳纤维的抗拉强度高达2000MPa，制成纤，制成纤维强化铝金属，密度大幅度降低，抗拉强维强化铝金属，密度大幅度降低，抗拉强度可达到度可达到1000MPa左右，比强度值可超过左右，比强度值可超过350MPa。2413.2.7 耐低温金属材料耐低温金属材料n当温度下降到一定程度时，对于很小的温度变化，当温度下降到一定程度

18、时，对于很小的温度变化，金属的韧性突然降低金属的韧性突然降低，该温度称为金属材料的临，该温度称为金属材料的临界脆性温度。界脆性温度。n地球表面自然环境的最低温度大约为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，飞行于宇宙中的宇宙飞船，受太阳直射侧的温度的温度100-200，而没有受到太阳照射的一侧，而没有受到太阳照射的一侧最低能达到最低能达到-269.2(4K)左右的超低温度。左右的超低温度。 25n低温下使用的金属低温下使用的金属材料，主要考虑其材料，主要考虑其低温脆化性，即随低温脆化性，即随着温度降低其韧性着温度降低其韧性是否明显降低。是否明显降低。

19、 2613.2.8 金属纤维金属纤维n为提高混凝土或砂浆材料的抗拉强度，常常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。维砂浆或纤维混凝土。n先将金属材料制成钢丝，然后切割成所需尺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寸制成短纤维，宜选择耐蚀性好的金属素材作金属纤维。作金属纤维。n此外，采用非晶质合金为素材由熔融状态，此外，采用非晶质合金为素材由熔融状态，以以104/s的速度急冷凝固可制造非晶质合金的速度急冷凝固可制造非晶质合金纤维。纤维。27n高频振动法由金属块状材

20、料直接制造短纤维的技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。术，其生产效率更高。弹性切削工具弹性切削工具原材料金属棒原材料金属棒金属纤维金属纤维2813.2.9 非磁性金属n高智能化的建筑物、核熔炉、磁悬浮铁路系统高智能化的建筑物、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，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。不利于结构体的正常运行。n目前具有代表性的非磁性金属材料有高锰钢、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

21、锰钢分为奥氏体系列不锈钢和钛金属，其高锰钢分为12Mn、l8Mn、24Mn个系列。个系列。2913.3 具有特殊功能的金属材料13.3.1 形状记忆合金形状记忆合金1形状记忆合金的功能形状记忆合金的功能 将平板状的合金弯曲成直角形状，并加热至某一温将平板状的合金弯曲成直角形状，并加热至某一温度下度下(例如例如130左右左右)进行形状记忆热处理，则该进行形状记忆热处理，则该合金将合金将“记住记住”在这一温度下的形状在这一温度下的形状30312. 形状记忆功能的机理形状记忆功能的机理沿滑移面原沿滑移面原子发生变位子发生变位原子的移动在原子的移动在格子之间格子之间连续变化，连续变化，停留在不停留在不

22、安定的位置上安定的位置上对合金加热，原子又回到原来位置上，表现为形状对合金加热，原子又回到原来位置上，表现为形状记忆特性记忆特性 通常的塑性变形通常的塑性变形形状记忆合金形状记忆合金的塑性变形的塑性变形32n形状记忆合金在高温下形状记忆合金在高温下的晶格结构称为的晶格结构称为基本相基本相，温度降低至马氏体相变温度降低至马氏体相变温度时，即晶相结构成温度时，即晶相结构成为为马氏体相马氏体相。n如果对该合金再加热达如果对该合金再加热达到马氏体相变温度以上，到马氏体相变温度以上，则晶格又恢复到基本相则晶格又恢复到基本相结构。结构。333. 镍-钛合金的特性 (1) (1)形状记忆功能较好形状记忆功能

23、较好，如果塑性应变不超过，如果塑性应变不超过7 7，形状可完全恢复；，形状可完全恢复； (2)(2)形状恢复应力较大形状恢复应力较大，可达，可达600MPa600MPa； (3)(3)疲劳寿命长疲劳寿命长，如果塑性应变控制在，如果塑性应变控制在2 2以以内，可重复内，可重复1010万次变形恢复过程；万次变形恢复过程； (4)(4)耐蚀性好耐蚀性好，镍，镍- -钛合金具有与钛金属及其钛合金具有与钛金属及其普通的钛合金相当的耐蚀性普通的钛合金相当的耐蚀性344形状记忆合金的应用实例n(1)配管接头配管接头 n(2)宇宙开发宇宙开发 做人造卫星或月球表面的天线 n(3)医疗器械医疗器械 脊柱弯曲症支

24、撑材料，人体内脏注入药液的微型泵、以及各种止血钳等。 35n(4)自动开启装置自动开启装置 双向型形状记忆合金，例如双向型形状记忆合金，例如汽车发动机达汽车发动机达到一定温度时到一定温度时，将冷却扇连接在回转轴上，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、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。以及各种温度开关等。n(5)在土木、建筑领域的应用在土木、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煤气管道的接头等部位36n接

25、头在工厂内进行接头在工厂内进行形形状记忆热处理状记忆热处理后，对后，对接头接头再进行扩大内径再进行扩大内径的塑性加工的塑性加工，通常所，通常所设定的形状恢复温度设定的形状恢复温度为为200，恢复可能应，恢复可能应变变3。 371332 非晶质金属1非晶质金属的概念非晶质金属的概念 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体相似的内部结构38加工方法加工方法 均需进行急冷处理，冷却速度：阴极真空喷镀法均需进行急

26、冷处理，冷却速度：阴极真空喷镀法为为107-l09/s液体急冷法为液体急冷法为105-106/s。 直径直径100m左右的非晶左右的非晶质金属丝质金属丝 宽宽10-15cm、几百米长的几百米长的薄板薄板 不能生产不能生产太宽的薄板太宽的薄板 100m直径的直径的球状金属微粉球状金属微粉 393非晶质合金的特性非晶质合金可作成厚度非晶质合金可作成厚度30m的薄膜，与普通的薄膜，与普通金属比较而言，其优势在于：金属比较而言，其优势在于：(1)具有较高的硬度和强度具有较高的硬度和强度 布氏硬度是普通碳素钢的布氏硬度是普通碳素钢的100倍倍(2)具有优异的耐腐蚀性具有优异的耐腐蚀性 在食盐水、酸性、碱

27、性溶液中无腐蚀，图在食盐水、酸性、碱性溶液中无腐蚀，图13.1840结晶质结晶质铬镍不锈钢铬镍不锈钢 腐腐蚀蚀速速度度(mm/y)非晶质合金非晶质合金 41(3)对于磁性具有敏感性n普通的金属在结晶粒子之间可能存在着一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聚集时容易按特定的方向排列也会使磁场偏向。偏向。n而非晶质合金中的而非晶质合金中的原子排列方向是不规则原子排列方向是不规则的的，所以磁场的方向也不固定，无论在哪，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，也会个方向上

28、即使施加一个很弱的磁场，也会马上有所反应。马上有所反应。42(4)电阻值高电阻值高 非晶质合金的内部没有整齐排列的晶格，自由电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子的穿行不如普通金属那样顺利 非晶金属的缺点非晶金属的缺点 非晶质金属的缺点是非晶质金属的缺点是不能焊接不能焊接，当温度达到某一，当温度达到某一界限会发生再结晶界限会发生再结晶应用应用 目前非晶质合金主要应用于目前非晶质合金主要应用于太阳能电池、变压器、太阳能电池、变压器、振子材料、感知器、磁性过滤器振子材料、感知器、磁性过滤器等电子部件。在等电子部件。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。覆盖薄膜。4313.3.3 装饰性金属表面膜n在日本古都京都在日本古都京都的金阁寺，又名的金阁寺，又名鹿苑寺，建于鹿苑寺，建于1397年。年。n二层、三层在底二层、三层在底漆上铺纯金箔，漆上铺纯金箔，屋顶金凤凰，总屋顶金凤凰，总耗金量大约耗金量大约20kg，勘称金属饰面建勘称金属饰面建筑的典型代表。筑的