【正文】 材的強(qiáng)度提出了更高的要求 。 即加工硬化達(dá)到最高點(diǎn) 。這時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服強(qiáng)度。 建筑工程學(xué)院 建筑鋼材的應(yīng)力 ~應(yīng)變曲線(xiàn)圖 建筑工程學(xué)院 ? 圖為建筑鋼材受拉力作用下變形曲線(xiàn) ， 稱(chēng)為應(yīng)力 應(yīng)變曲線(xiàn) 。 鋼材根據(jù)含碳量的多少分為低碳鋼 、 中碳鋼和高碳鋼 ， 隨著含碳量增加 ， 鋼材的強(qiáng)度 、 硬度增大 ， 但塑性 、 韌性降低 。 晶格缺陷的形式有點(diǎn)缺陷 、 線(xiàn)缺陷和面缺陷等， 如圖 。 例如奧氏體系列的不銹鋼 、 鋁 、銅 、 金 、 銀等金屬屬于面心立方晶格；而體心立方晶格除了頂點(diǎn)處的原子之外 ， 在立方晶格的正中心存在著 l個(gè)原子 ， 常溫下的普通鋼材 、 鎢等屬于體心立方晶格 。 Civil Engineering (SACE) 新型建筑結(jié)構(gòu)與材料 混凝土材料性能與結(jié)構(gòu) 建筑工程學(xué)院 9 新型金屬材料 金屬材料的結(jié)構(gòu)與一般特性 ? 用于土木 、 建筑工程的金屬材料主要有建筑鋼材 、 鑄鐵、 鋁合金和銅 。 不同種類(lèi)的金屬以及處于不同溫度下的金屬其內(nèi)部晶格形式不同 。 合金元素的原子在母體金屬中通常以 3種狀態(tài)存在： ? l 侵入型固溶體 ， 較小的合金元素的原子侵人母體元素原子的正常排列格子之間； ? l 置換型固溶體 ， 較大的合金元素的原子置換母體元素的原子 ， 取而代之； ? 拆出物，即合金原子密集在一起析出。 面缺陷即小角晶界 ， 指在組成金屬的晶粒之間 ， 位相稍有差別的晶縣 晶界上原子排列偏離平衡位置 ， 晶格略變較大， 位錯(cuò)密度較高 ， 原子處于較高的能量；活性較大 。 建筑工程學(xué)院 金屬材料的一般特性 ? 金屬材料內(nèi)部原子間以金屬鍵結(jié)合 ， 所謂金屬鍵是失去外層電子的金屬正離子排成空間點(diǎn)陣 ， 自由電子在正離子點(diǎn)陣間自由運(yùn)動(dòng) ， 正離子與自由電子間的靜電引力為結(jié)合力 ， 因此金屬鍵沒(méi)有方向性與飽和性 ， 結(jié)合力很強(qiáng) 。 所以這一階段產(chǎn)生的變形稱(chēng)為彈性變形 。 這種應(yīng)力的加大起因于進(jìn)行滑移的原子之間的相互作用 。 除了傳統(tǒng)的建筑鋼材 、 鋁合金之外 ， 人們正在開(kāi)發(fā)功能更加強(qiáng)大 、 性能更加優(yōu)良的金屬材料 ， 目前已經(jīng)取得以下成果 。 ? 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(shí)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 。 在設(shè)計(jì)一個(gè)建筑物時(shí) ， 為了實(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)不破壞 ， 不產(chǎn)生過(guò)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(shí) ， 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(shí)間 。 形成高純度的貝氏體不銹鋼 ， 其耐腐蝕性大幅度提高 。 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(huì)發(fā)生孔蝕現(xiàn)象 ， 鎳金屬也會(huì)受到腐蝕 。 最近發(fā)達(dá)國(guó)家在沿海 、 腐蝕嚴(yán)重的地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始將鈦合金應(yīng)用于建筑物的屋頂及外裝修板材 。但是這種做法施工時(shí)工序繁雜 ， 同時(shí)鋼材表面被覆蓋 ， 難以收到鋼結(jié)構(gòu)輕巧 、 線(xiàn)條清晰 、 表面光澤等美觀(guān)效果 。 ? 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 。所以用于宇宙基地等結(jié)構(gòu)體的金屬材料必須同時(shí)具有耐高溫和耐低溫的性能 ， 此外字宙空間各種放射線(xiàn)的作用 ， 使材料受到損傷的危險(xiǎn)性也很大 ， 所以性能優(yōu)異的材料是從事宇宙開(kāi)發(fā)的先決條件 。 由于金屬纖維直徑很小 ， 其截面面積很小， 在使用中如果腐蝕則很快全截面變成銹而失去增強(qiáng)能力 ， 所以 ，選擇耐蝕性好的金屬素材作金屬纖維 。 建筑工程學(xué)院 具有特殊功能的金屬材料 ? 形狀記憶合金 ? 金屬材料通過(guò)特殊的熱處理方法 ， 使之具有記憶原來(lái)形狀的功能 ， 稱(chēng)為形狀記憶金屬 ， 具有形狀記憶功能的金屬通常是合金 ， 所以叫做形狀記憶合金 。 建筑工程學(xué)院 1） 形狀記憶合金的功能 ? 形狀記憶合金有單向記憶型和雙向記憶型兩種 。 如果在晶格發(fā)生變形 、 原子變位之后對(duì)合金加熱 ， 處于不安定位登上的原子有回到原來(lái)位置上去的趨勢(shì) ． 所以表現(xiàn)為形狀記憶特性 。 但馬氏體相的晶格變形不同于清移變形那樣相鄰原子間發(fā)生稻行換位 ， 而是原子之間的結(jié)合形式保持不變 ， 只是晶格形狀發(fā)生變化 。 建筑工程學(xué)院 ? 由于鎳一鈦合金具有以上優(yōu)點(diǎn)；到目前為止使用量最多 。 ? l 自動(dòng)開(kāi)啟裝置：雙向型形狀記憶合金的應(yīng)用范圍比單向型形狀記憶合金更加廣泛 。 建筑工程學(xué)院 形狀記憶合金配管接頭的連接施工 建筑工程學(xué)院 ? 在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配管接頭連結(jié)的施工過(guò)程如圖 13 14所示 ， 先將欲連結(jié)的管道端部外表面切削去毛刺 ， 以免傷害接頭內(nèi)表面的密封材料；然后在管道端部作記號(hào) ， 每例等于接頭 。 建筑工程學(xué)院 吸氫金屬 ? 氫是原子尺寸最小 、 最容易進(jìn)出其他金屬晶格內(nèi)部的元素 。 建筑工程學(xué)院 吸氫金屬的反應(yīng)代表式 建筑工程學(xué)院 吸氫合金的制冷制熱空調(diào)機(jī)理 建筑工程學(xué)院 ? 吸氫金屬或合金在建筑領(lǐng)域可用于制冷制熱空調(diào) ， 其原理如圖 13 16所示 ， 采用兩種合金 G和 L， 其中合金 G在吸收 、 放出氫時(shí)的壓力較高 ， 而合金 L在吸收 、 放出紅時(shí)的壓力較低 。 而非晶質(zhì)金屬是將高溫下熔融狀態(tài)的液態(tài)金屬在瞬間凍結(jié) ， 內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有充足的時(shí)間形成晶核并按規(guī)則排列 ，在很短時(shí)間內(nèi)就被固化 。 ? l 離心力法：制作細(xì)線(xiàn) ， 將熔融的合金液體由細(xì)噴嘴中噴射到回轉(zhuǎn)的液體中 ， 可形成直徑 100μ m左右的非晶質(zhì)金屬絲 。 液態(tài)金屬原材料通常采用兩種以上組成的合金 ， 比單一成分金屬材料的加工制造更為容易 ，所以通常稱(chēng)為非品質(zhì)含金 。 排列方向是不規(guī)則的 ， 所以磁場(chǎng)的方向也不固定 ， 無(wú)論在哪個(gè)方向上即使施加一個(gè)很弱的磁場(chǎng) ， 也會(huì)馬上 l結(jié)晶質(zhì)鉻鎮(zhèn)不銹鋼有所反應(yīng) 。 但是金箔畢竟價(jià)格昂貴 ， 不可能普遍用于建筑物的裝飾 。 根據(jù)不同的氣體與金屬組合 ，可得到不同色調(diào)特征的表面層 ， 例如 ， 氮化鈦為金色 ， 鋁的氧化物為紫色 ， 奶的氧化物為綠色 ，氧化硅薄膜接近透明 ， 且具有很高的耐蝕性 ， 將其與著色覆蓋膜重疊可同時(shí)賦予裝飾性和耐蝕性。 建筑工程學(xué)院 超塑性鋁合金 ? 普通的鋁合金結(jié)晶粒子的粒徑大約為 20Pm以上 ， 鋁合金材料的最大拉伸變形能力為 50％ 左右 。 ? 鋁質(zhì)復(fù)合材料 ? 將鋁質(zhì)金屬與其他材料復(fù)合，可以制造具有某種特殊功能的材料。 建筑工程學(xué)院 ? 除陽(yáng)極氧化成膜技術(shù)之外 ， 目前還有在鋁合金極采用合成樹(shù)脂涂料 ， 進(jìn)行噴漆 、 噴塑 、 熱鎮(zhèn)等加工方法制造而成的鋁質(zhì)涂層極 ， 通稱(chēng)彩色鋁板 。 所以 ， 應(yīng)不斷開(kāi)發(fā)新型的 、 符合可持續(xù)發(fā)展原則的金屬材料 ，并將其應(yīng)用于建筑工程中 。 這種板材具有良好的防腐功能和裝飾效果 ， 常用于建筑物的屋頂 。 還有在兩塊薄鋁板之間失火樹(shù)脂等高分子泡沫材料成纖維石膏板制成的復(fù)合板材 ， 輕質(zhì) 、 美觀(guān) ， 且具有良好的保溫性能 ， 可用作建筑物的門(mén)板及內(nèi)裝修板材等 。 具有超塑性的鋁合金材料可進(jìn)行各種復(fù)雜形狀的加工 ， 獲得所需形狀的建筑構(gòu)件 。 建筑工程學(xué)院 離子電鍍法原理 建筑工程學(xué)院 ? 4） 鏡面不銹鋼飾面板 ? 對(duì)不銹鋼薄板表面進(jìn)行特殊的拋光處理 ， 使板面光亮如鏡 ， 反射率 、 變形率與高級(jí)鏡面相差無(wú)幾 ， 且具有耐火 、 防潮 、 不變形 、 不破碎 、 安裝方便等優(yōu)點(diǎn)， 但應(yīng)防止硬物劃傷 。 此外還有鋁 、 鈦等金屬材料也常用于建筑飾面 。 因此導(dǎo)電性差 ， 具非品質(zhì)全企有較高的電阻值非晶質(zhì)金屬的缺點(diǎn)是不能焊接 ， 板材厚度有限 ， 結(jié)構(gòu)性能具有溫度不穩(wěn)定性 ， 當(dāng)溫度達(dá)到某一界限時(shí)會(huì)發(fā)生再結(jié)晶 。 建筑工程學(xué)院 3） 非晶質(zhì)合金的特性 ? 非晶質(zhì)合金可作成厚度 30μ m的薄膜 ， 具有與不銹鋼類(lèi)似的光澤 ，外觀(guān)上與普通金屬相似 ， 但其性能與普通金屬存在很大差別 ， 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ? l 具有較高的硬度和強(qiáng)度 ? 非晶質(zhì)合金的布氏硬度大約為 1000左右 ， 是普通碳素鋼的 100倍；抗拉強(qiáng)度可達(dá)到 300MPa以上 ， 而普通的碳素鋼抗拉強(qiáng)度大約為240MPa左右 。 單輪法可生產(chǎn)寬 1015cm、 長(zhǎng)度達(dá)幾百米長(zhǎng)的薄板 。 這樣的金屬材料稱(chēng)為非晶質(zhì)金屬 。 吸氫反應(yīng)時(shí)伴隨著放熱， 所以流過(guò) L周?chē)臏厮諢崃孔優(yōu)闊崴?， 起到制熱效果 。 利用這些金屬材料與氫元素的不同反應(yīng)特性可制得各類(lèi)合金 ， 并可以使這些合金在低溫下吸收氫原子 ， 在高溫下放出氫原子 、具有吸收 、 放出氫原子能力的金屬材料 （ 或合金 ） 稱(chēng)為吸氧金屬或合金 。 之后溫度自然下降或采用水冷 ， 接頭形狀保持不變 。 建筑工程學(xué)院 ? l 在土木 、 建筑領(lǐng)域的應(yīng)用：形狀記憶合金在土木 、建筑領(lǐng)域內(nèi)通常用于溫室的自動(dòng)門(mén)開(kāi)啟裝置 、 自來(lái)水和煤氣管道的接頭等部位 。 ? 建筑工程學(xué)院 4） 形狀記憶合金的應(yīng)用實(shí)例 ? 形狀記憶合金應(yīng)用的歷史還很短 ， 目前在以下幾方面已經(jīng)走向?qū)嵱没?。