第13章新型金属材料

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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、 不能生产 几百米长的 太宽的薄板 薄板
100μm直径的 球状金属微粉
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3．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
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13.3.3 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。
原子的移动在 格子之间 连续变化， 停留在不 安定的位置上
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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。

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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。

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(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。

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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
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2. 形状记忆功能的机理
沿滑移面原 子发生变位
通常的塑性变形
形状记忆合金 的塑性变形
在食盐水、酸性、碱性溶液中无腐蚀，图13.18
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腐 蚀 速 度 (mm/y)
结晶质 铬镍不锈钢
非晶质合金
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(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。
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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
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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

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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)
σb σp
σs
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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
普通碳素钢： 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。
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。

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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 9001300MPa；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。

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13.2.2 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
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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、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。

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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

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13.2.4 高耐蚀性金属及钛合金建材
(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。

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(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

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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500700℃高温，用于火力发电厂或建筑物中的 耐火覆盖层。

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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。
原材料金属棒 金属纤维
弹性切削工具
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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。
小时
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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。

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13.2.5 耐火钢

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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
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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。
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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 维方向上呈规则排列，其排列规律可以用空间格 子来描述，叫做晶格。
体心立方晶格: 普通钢材、钨等
面心立方晶格: 奥氏体系列的不锈钢、 密排六方晶格 钛金属等 铝、铜、金、银等
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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
•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。 7
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0.02％－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。
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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， 但是金属材料容易被腐蚀，耐高温性差，生 产成本较高。
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。

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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％。
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13．3．2 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
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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。
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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。
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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
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4．形状记忆合金的应用实例
第13章 新型金属材料
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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
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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。
钛

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。
镍
铜
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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
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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 ％