新型金属材料

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：①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；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、室外装修、装饰；④幕墙材料和金属器具；⑤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℃，呈液态；1535-1390℃：体心立方晶格，称为δ-Fe；1390-910℃：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10-100μm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。

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：①侵入型固溶体；②置换型固溶体；③析出物。

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。

（2）建筑钢材的成分及其对性能的影响①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％的围；..②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③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。

④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。

（3）金属材料的一般特性①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；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，作成长大尺寸的构件；..④金属材料具有光亮的表面，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的部原因，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900-1300MPa；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。

（2）低屈强比钢钢材的屈服强度与极限强度的比值(σ..s/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。

（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。

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。

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℃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。

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。

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℃－-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。

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℃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。

..B.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。

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，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D.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，人体脏注入药液的微型泵、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..接在回转轴上的风扇旋转器，室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。

接头在工厂进行形状记忆热处理后，对接头再进行扩大径的塑性加工，通常所设定的形状恢复温度为200℃，恢复可能应变3％。

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的门窗、外墙幕墙材料及室装修。

（1）超塑性铝合金晶粒的粒径达到20μm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。

2.7.4 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、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。