【正文】 構(gòu)材料相比 ， 鋼材的強(qiáng)度較高 ， 但超高層建筑 、 大跨度橋梁等大型結(jié)構(gòu)物的建造 ， 對鋼材的強(qiáng)度提出了更高的要求 。 所以要求開發(fā)高強(qiáng)度鋼材和超高強(qiáng)度鋼材 。 ? “高強(qiáng)度鋼”抗拉強(qiáng)度要求達(dá)到 900— 1300MPa， 超高強(qiáng)度鋼材抗拉強(qiáng)度要求達(dá)到 1300MPa以上、同時其韌性和耐疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能也要求有較大幅度提高。 建筑工程學(xué)院 ? 目前已經(jīng)開發(fā)出的超高強(qiáng)度鋼材按照合金元素的含量分為低合金系 、 中合金系和高合金系三類 。 ? l 低合金超高強(qiáng)度鋼是將馬氏體系低合金鋼進(jìn)行低溫回火制成 ， 較多地用于航空業(yè) ， 在建筑上主要用作連接五金件等 。 ? l 中合金超高強(qiáng)度鋼是添加鉻 、 鉬等合金元素 ， 并進(jìn)行二次回火處理制成 ， 耐熱性能優(yōu)良 ， 可用作建筑上需要耐火的部位； ? l 高合金超高強(qiáng)度鋼包括 9Ni4Co、 馬氏體時效硬化鋼 、 析出硬化不銹鋼等品種 ， 具有很高的韌性 ， 焊接性能優(yōu)異 ， 適用于海洋環(huán)境和與原子能相關(guān)的設(shè)施 。 建筑工程學(xué)院 低屈強(qiáng)比鋼 ? 鋼材的屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度的比值叫做屈強(qiáng)比。 該值反映了鋼材受力超過屈服極限至破壞所具有的安全儲備 。 屈強(qiáng)比值越小 ， 鋼材在受力超過屈服極限工作時的可靠性越大 ， 結(jié)構(gòu)偏于安全 。 所以對于工程上使用的鋼材 ， 不僅希望具有較高的強(qiáng)度極限和屈服強(qiáng)度 ， 而且還希望屈強(qiáng)比值適當(dāng)降低 。 但是屈強(qiáng)比過小 ， 鋼材的有效利用率較低 。 用于建筑工程的普通低碳鋼的屈強(qiáng)比為 —， 低合金鋼的屈強(qiáng)比為－ 。 建筑工程學(xué)院 ? 鋼材的屈強(qiáng)比值對于結(jié)構(gòu)的抗震性能尤其重要 。 在設(shè)計一個建筑物時 ， 為了實現(xiàn)其抗震安全性 ， 要求在使用期間內(nèi) ， 發(fā)生中等強(qiáng)度地震時結(jié)構(gòu)不破壞 ， 不產(chǎn)生過大變形 ， 能保證正常使用；而發(fā)生概率較小的大型或巨型地震發(fā)生時 ， 能保證結(jié)構(gòu)主體不倒塌 ， 即建筑物的變形在允許范圍內(nèi) ， 能提供充分的避難時間 。 而要滿足上述小震 、 中震不破壞 ， 大震 、 巨震不倒塌的要求 ， 就要求所采用的結(jié)構(gòu)材料首先要具有較高的屈服強(qiáng)度 ， 保證在中等強(qiáng)度地震發(fā)生時不產(chǎn)生過大變形和破壞；其次要求材料的屈強(qiáng)比較小 ， 即超過屈服強(qiáng)度到達(dá)極限荷載要有一個較充足的過程 。 建筑工程學(xué)院 ? 超高強(qiáng)度鋼材為了獲得很高的強(qiáng)度 ， 碳含量一般較高， 內(nèi)部組織中含有較多的貝氏體和馬氏體等硬度 、 脆性較高的金屬組織 ， 所以鋼材的焊接性能下降 ， 而且沒有明顯的屈服點 ， 往往在發(fā)生屈服之后很快就到達(dá)強(qiáng)度極限 ， 沒有明顯的塑性變形 ， 因此不利于安全 。作為建筑用鋼材 ， 希望屈強(qiáng)比值較小 ， 才有利于安全。 為了達(dá)到這個目的 ， 在超高強(qiáng)度鋼材中加入一部分較柔軟的金屬組織 ， 即鐵素體 ， 使鋼材保持原有超高強(qiáng)度的同時 ， 降低其屈服強(qiáng)度 ， 減小屈強(qiáng)比 ， 并增加鋼材的塑性和韌性 ， 提高安全性 。 建筑工程學(xué)院 新型不銹鋼 ? 目前大量使用的不銹鋼通常含有 Ni元素 ， 盡管其名稱叫做 “ 不銹鋼 ” ， 但這只是與普通的鋼材相比較而言 。 在比較苛刻的環(huán)境條件下仍然免不了受到腐蝕而生銹 。 新型不銹鋼不含 Ni元素 ， 是在 19Cr－ 20Mo不銹鋼中添加 Nb、 Ti、 Zr等穩(wěn)定性更好的元素 。 形成高純度的貝氏體不銹鋼 ， 其耐腐蝕性大幅度提高 。 同時具有耐熱性 、 耐腐蝕性 ， 焊接加工性能也得到改善 。 一般用于建筑物中的太陽能熱水器 、 耐腐蝕配管等構(gòu)件 。 但是在 450℃ 高溫下表現(xiàn)出脆弱性 ， 因此適宜用于 300℃ 以下的環(huán)境中 。 最近又開發(fā)出 Cr含量更大的新品種不銹鋼 ， 可耐 500—700℃高溫 ， 用于火力發(fā)電廠或建筑物中的耐火覆蓋層 。 建筑工程學(xué)院 ? 為了提高不銹鋼的美觀性 ， 可采用高耐久性的含氟樹脂等涂料涂刷表面制成涂膜不銹鋼 ， 或利用電解著色制成彩色不銹鋼 ， 用于建筑物的外裝修材料 。 例如在硫酸鉻酸性溶液中電解 ， 可在不銹鋼表面形成氧化膜， 再利用這層膜的光干涉作用 ， 發(fā)出金色 、 藍(lán)色 、 黃色 、 綠色 、 黑色等各種顏色 ， 這種彩色不銹鋼比涂膜不銹鋼色調(diào)活潑 ， 外觀華美 ， 可用于外裝修及廚房用品等 。 建筑工程學(xué)院 高耐蝕性金屬及鈦合金建材 ? 海洋結(jié)構(gòu)物 、 臨海建筑物中使用的金屬材料 ， 要求具有優(yōu)異的耐腐蝕性 。 大多數(shù)金屬材料在海水中很容易被腐蝕 ， 即使是不銹鋼也會發(fā)生孔蝕現(xiàn)象 ， 鎳金屬也會受到腐蝕 。 而金屬鈦的耐海水腐蝕性特別好 。 金屬鈦這種優(yōu)秀的耐腐蝕性來自于金屬鈦表面形成的致密氧化膜 。 ? 另一方面 ， 金屬鈦經(jīng)氧化處理能形成 TiO2膜層 ， 利用光的干涉作用 ， 對應(yīng)膜層的不同厚度 ， 可以發(fā)出各種顏色 ， 形成彩色鈦合金板 ， 其顏色因入射光的波長分布 、 入射角 、 氧化物膜層的厚度與折射率 、 鈦金屬表面的粗糙程度而呈微妙變化， 可以獲得涂料涂層所不能比擬的金屬光澤 。 同時彩色鈦金屬板顏色與光澤的耐蝕性 、 耐候性也非常優(yōu)秀 。 建筑工程學(xué)院 常用金屬材料的耐海水腐蝕性 建筑工程學(xué)院 彩色鈦合金與其他彩色金屬的光澤度耐候性 建筑工程學(xué)院 TiO2膜層厚度與色調(diào)之間的關(guān)系 建筑工程學(xué)院 ? 綜上所述 ， 金屬鈦質(zhì)量輕 ， 比強(qiáng)度高 ， 耐腐蝕性強(qiáng) ， 且裝飾性能好 ， 已經(jīng)成為宇宙 、 航空 、 原子能發(fā)電 、 化學(xué)工業(yè)以及海水淡化等設(shè)施中不可缺少的材料 。 同時 ， 鈦金屬熱膨脹系數(shù)小 ， 焊接性能也好 ， 是理想的建筑材料 。 但是由于價格高昂 ， 作為普通的建筑材料還沒有達(dá)到普及使用的程度 。 最近發(fā)達(dá)國家在沿海 、 腐蝕嚴(yán)重的地區(qū)已經(jīng)開始將鈦合金應(yīng)用于建筑物的屋頂及外裝修板材 。 ? 由于腐蝕作用主要從材料的表面開始 ， 為了降低材料的成本 ， 可以考慮內(nèi)部采用不銹鋼或普通碳素鋼 ， 表面用鈦金屬覆蓋形成保護(hù)層的材料 ， 這樣既可提高構(gòu)件的耐腐蝕性 ， 又不至于使材料的成本過高 。 圖為帶保護(hù)層的金屬材料的制造方法 ， 這幾種表面覆蓋方法在工業(yè)上已經(jīng)可以實現(xiàn) 。 建筑工程學(xué)院 表面保護(hù)金屬材料的加工方法 建筑工程學(xué)院 ? l 鑄造復(fù)合：將材料 A作為芯材料 ， 材料 B作為覆蓋層材料 ， 在液態(tài)下鑄造成型 ， 然后采用壓延等方法加工成板材 、 型材； ? l 壓延接合：依靠壓力將芯材和覆蓋層兩種材料緊密結(jié)合在一起； ? l 爆破結(jié)合：利用爆破產(chǎn)生的熱量將基體材料和覆蓋層材料粘結(jié)在一起 。 建筑工程學(xué)院 耐火鋼 ? 雖然鋼材在常溫下具有很高的強(qiáng)度 ， 但是耐熱性差 ， 隨溫度升高強(qiáng)度降低 ， 變形嚴(yán)重 。 普通建筑鋼材的機(jī)械強(qiáng)度 （ 包括屈服強(qiáng)度 、 抗拉強(qiáng)度 ） 在 400℃ 溫度時將降低為室溫下強(qiáng)度的 1／ 3， 在 1000℃ 時降低為室溫下強(qiáng)度的 1／ 10。 隨著高層建筑的建設(shè) ， 城市建筑物密度的增大 ，開發(fā)耐火鋼材 ， 提高建筑物的防火 、 耐火性十分必要 。 為了提高鋼結(jié)構(gòu)建筑物的耐火性 ， 經(jīng)常是在鋼材表面涂刷耐火涂料 ， 或者在鋼材表面覆蓋耐火材料 ， 例如在鋼構(gòu)件表面噴射 GRC（ 玻璃纖維混凝土 ） 等 。但是這種做法施工時工序繁雜 ， 同時鋼材表面被覆蓋 ， 難以收到鋼結(jié)構(gòu)輕巧 、 線條清晰 、 表面光澤等美觀效果 。 所以應(yīng)開發(fā)耐火鋼材 ， 使結(jié)構(gòu)體本身即有足夠的耐火性 ， 既可提高施工效率 ， 又可將鋼結(jié)構(gòu)體直接暴露在外 ， 能取得良好的金屬建筑物的藝術(shù)效果 。 ? 耐火鋼是在普通碳素鋼中添加鉬 、 釩 、 鉻 、 鈮等合金元素 ， 各種元素的添加量大約為 1％ ， 可使鋼材在 400℃ 高溫下的強(qiáng)度達(dá)到室溫強(qiáng)度的 2／ 3。 建筑工程學(xué)院 輕質(zhì)、高比強(qiáng)度金屬材料 ? 比強(qiáng)度是指材料的強(qiáng)度與其密度的比值 。 為減輕高層 、 超高層建筑物的自重 ， 要求用于主體結(jié)構(gòu)的金屬材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)性能 ， 即比強(qiáng)度值要高 。 單純的金屬材料中 ， 鈦的比強(qiáng)度較高 。但鈦金屬成本較高 ， 難以作為結(jié)構(gòu)材料在實際工程中大量使用。 所以必須開發(fā)成本低 ， 具有高比強(qiáng)度的金屬材料 。 ? 采用輕金屬與碳纖維復(fù)合制成的纖維強(qiáng)化金屬 ， 具有較高的比強(qiáng)度 。 這種材料是對強(qiáng)化長纖維縱向加壓 ， 使熔融的金屬浸漬到纖維材料中 ， 或者采用短纖維與熔融金屬進(jìn)行混合鑄造等方法制成 。 碳纖維的抗拉強(qiáng)度高達(dá) 2022MPa， 如果與鋁金屬復(fù)合， 制成纖維強(qiáng)化鋁金屬 ， 密度大幅度降低 ， 抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1000MPa左右 ， 比強(qiáng)度值可超過 350MPa。 這種材料作為結(jié)構(gòu)材料在建筑上應(yīng)用 ， 還存在著連接組合技術(shù)方面的問題 ， 有待于進(jìn)一步探討 。 建筑工程學(xué)院 常用金屬的比強(qiáng)度 建筑工程學(xué)院 耐低溫金屬材料 ? 金屬材料在常溫下具有很高的強(qiáng)度和韌性 ， 隨著溫度降低 ， 金屬材料的韌性下降 ， 開始緩慢下降 ， 當(dāng)溫度下降到一定程度時 ， 對于很小的溫度變化 ， 金屬的韌性突然降低 ， 該溫度稱為金屬材料的臨界脆性溫度 。 不同的金屬材料其臨界脆性溫度值不同 ， 臨界脆性溫度越低 ， 表明該材料的耐低溫性能越好 。 ? 地球表面自然環(huán)境的最低溫度大約為 70— 80℃ ， 而液化天然氣的貯藏要在 173℃ （ 100K） 左右的溫度下進(jìn)行 ， 超導(dǎo)機(jī)器需要在 ℃ ()液體氦的溫度下工作 ， 如果進(jìn)行操作所用的容器或設(shè)施采用金