第13章新型金属材料课件.pptx
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- 13 新型 金属材料 课件
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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
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