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、室内外装修、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℃，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％的范围；

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(σ

b)。

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900-1300MPa；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