【文章內(nèi)容簡介】 屬材料 ， 就要求金屬材料必須具有優(yōu)異的耐低溫性能 。 飛行于宇宙中的宇宙飛船 ， 受太陽直射一側的溫度可達到零上 100—200℃ ， 而沒有受到太陽照射的一側最低能達到 269℃ （ 4K） 左右的超低溫度 。所以用于宇宙基地等結構體的金屬材料必須同時具有耐高溫和耐低溫的性能 ， 此外字宙空間各種放射線的作用 ， 使材料受到損傷的危險性也很大 ， 所以性能優(yōu)異的材料是從事宇宙開發(fā)的先決條件 。 低溫下使用的金屬材料 ， 主要考慮其低溫脆化性 ， 即隨著溫度降低其韌性是否明顯降低 。 建筑工程學院 金屬材料在不同溫度下的沖擊韌性 由圖可見，具有面心立方晶體結構的奧氏體系不銹鋼在室溫下的沖擊韌性值較低，但隨著溫度降低沖擊韌性值基本保持穩(wěn)定，即在低溫下也顯示出較好的韌性。表是幾種低溫用金屬材料的使用可能的溫度界限。 建筑工程學院 低溫用金屬材料使用可能的溫度界限 建筑工程學院 金屬纖維 ? 為提高混凝土或砂漿材料的抗拉強度 ， 常常在混凝土或砂漿中摻入金屬短纖維 ， 制成纖維砂漿或纖維混凝土 。 目前生產(chǎn)這些金屬短纖維的方法是先將金屬材料制成鋼絲 ， 然后切割成所需尺寸制成短纖維 。 目前已經(jīng)開發(fā)出采用高頻振動法由金屬塊狀材料直接制造短纖維的技術 ， 其生產(chǎn)效率更高 。 如圖 ， 將圓柱形金屬塊狀原材料夾在振動機器上 ， 使其高速旋轉 ， 在端面用高頻振動的刃具切削金屬塊即可實現(xiàn)短纖維的量產(chǎn) 。 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能力 ， 所以 ，選擇耐蝕性好的金屬素材作金屬纖維 。 ? 此外 ， 采用非晶質(zhì)合金為素材由熔融狀態(tài) ， 以 104℃ /s的速度急冷凝固可制造非晶質(zhì)合金纖維 。 非晶質(zhì)纖維耐蝕性優(yōu)秀 ， 抗拉強度很高 ， 例如鐵一硼系列的非晶質(zhì)合金 ， 其抗拉強度可達 3500MPa， 是理想的強化纖維材料 。 建筑工程學院 高頻振動法生產(chǎn)金屬短纖維 建筑工程學院 非磁性金屬 ? 大多數(shù)金屬材料均具有磁性 ， 這種磁性對于普通的建筑物沒有什么影響 ， 而對有些結構物卻有副作用 。 例如高智能化的建筑物 、 核熔爐 、 磁懸浮鐵路系統(tǒng)等容易產(chǎn)生很強的磁場 ， 如果采用普通的具有磁性的金屬材料 ， 在磁場作用下產(chǎn)生力的作用 ， 不利于結構體的正常運行 。例如磁懸浮軌道交通系統(tǒng) ， 是在車輛上裝載強力超導磁鐵 ， 依靠磁力將列車在軌道上浮起 ， 并向前推進 ， 列車時速最高可達 500km/h。 用于這種交通系統(tǒng)的軌道路基 ，以及車輛下方的一些設施 ， 如果使用普通的鋼材等磁性材料 ， 則路基材料將與列車的強力磁性之間產(chǎn)生吸引 ，抵消一部分使列車上浮的力和水平推進力 ， 因此這些結構物要求采用非磁性的金屬材料 。 目前具有代表性的非磁性金屬材料有高錳鋼 、 奧氏體系列不銹鋼和鈦金屬 ，其中高錳鋼分為 12Mn、 18Mn、 24Mn三個系列 。 建筑工程學院 具有特殊功能的金屬材料 ? 形狀記憶合金 ? 金屬材料通過特殊的熱處理方法 ， 使之具有記憶原來形狀的功能 ， 稱為形狀記憶金屬 ， 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 。 在實際應用中 ， 通常是在常溫 、 初始形狀下用特定的熱處理方法 ， 賦予它記憶功能 。 然后加熱至某一溫度下 ， 根據(jù)使用要求進行塑性加工 ， 改變其初始形狀 。 之后 ， 如果溫度再回到初始溫度 ，則該合金材料的形狀也將恢復到初始狀態(tài) 。 ? 形狀記憶合金最早出現(xiàn)于 1951年 ， 當時在美國一座大學的研究所里 ，一個偶然的機會研究人員發(fā)現(xiàn)金 鎘合金具有記憶形狀的功能 ， 但是由于是一種特殊的合金 ， 并未引起人們的足夠重視 。 1963年美國的海軍研究所開發(fā)了鎳 鈦合金 ， 其顯著的形狀記憶功能令世界矚目 ， 從此對形狀記憶合金材料展開了研究 。 到 1970年 ， 包括銅 鋅 鋁合金在內(nèi) ， 人們已開發(fā)出十幾種具有形狀記憶功能的合金材料 ， 然而已經(jīng)走向?qū)嵱没膬H有鎳 鈦合金和銅 鋅 鋁合金兩種 。 其他合金由于結晶粒子晶界面容易破斷 ， 非單結晶不能利用 ， 不適用于工業(yè)生產(chǎn) 。 建筑工程學院 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 。 如圖所示 ， 將平板狀的合金彎曲成直角形狀 ， 并加熱至某一溫度下 （ 例如 130oC左右 ） 迸行形狀記憶熱處理；則該合金。 將 “ 記住 ” 在這一溫度下的形狀 。 然后在常溫下對該合金進行塑性加工成平板狀 ， 在使用過程中 ． 如果環(huán)境溫度達到進行形狀記憶熱處理時的溫度 ， 則該合金將恢復成直角形狀 。 之后再冷卻至室溫條件 ， 如果合金的形狀不再改變 ， 仍然保持直角狀態(tài) ， 叫做單方向性記憶型；如果在常溫下合金又恢復成平板形狀 ， 叫做雙向性記憶型 。 建筑工程學院 形狀記憶合金的功能 建筑工程學院 1） 形狀記憶功能的機理 ? 形狀記憶合金在發(fā)生塑性變形時其內(nèi)部的晶格變化與普通金屬不同 。 普通金屬的塑性變形來自于晶格滑移 ， 沿著滑移面原子移動一個空間格子發(fā)生變位 ， 宏觀上表現(xiàn)為塑性變形 。 而形狀記憶合金的變形并非來自于晶格滑移 ， 而是晶格發(fā)生變形 ， 原子的移動在格子之間連續(xù)變化 ， 停留在不安定的位置上 ， 如圖 13 12所示 。 如果在晶格發(fā)生變形 、 原子變位之后對合金加熱 ， 處于不安定位登上的原子有回到原來位置上去的趨勢 ． 所以表現(xiàn)為形狀記憶特性 。 雙向性記憶合金是原子的不安定位置有兩處 ， 在加熱或冷卻條件下原子在這兩個位置上交互變動位置 。 建筑工程學院 產(chǎn)生形狀記憶效果的原子的特殊滑移 建筑工程學院 ? 金屬或合金材料在固態(tài)下隨著溫度的變化 ， 內(nèi)部的結晶結構將發(fā)生轉變 ， 即發(fā)生 “ 相變 ” 現(xiàn)象 ， 這是金屬材料的同素異構特性 。 這也是某些合金材料具有形狀記憶功能的根本原因 。 如圖 13 13所示 ，形狀記憶合會在高溫下的晶格結構稱為基本相 ， 隨著溫度的降低 ，達到馬氏體變態(tài)溫度時 ， 合金內(nèi)部發(fā)生晶型轉變 ， 即晶格結構成為馬氏體相 。 如果對該合金再加熱使其溫度升高 ， 達到馬氏體變態(tài)溫度以上 ， 則晶格又恢復到基本相結構 。 這種隨著溫度的變化而發(fā)生的馬氏作變態(tài)和逆變態(tài)過程叫做 “ 馬氏變態(tài) ” 過程 ， 在這個過程中， 要不施加外力作用 ， 合金的外形不會發(fā)生變化 。 如果在合金材料的內(nèi)部結構處于馬氏體相時施加外力 ， 馬氏作相的晶格將產(chǎn)生變形， 則合金材料在外觀上也將顯示出塑性應變 。 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 ， 而是原子之間的結合形式保持不變 ， 只是晶格形狀發(fā)生變化 。 將變形之后的馬氏體相加熱使之逆變態(tài) ， 原子之間還會保持原來的結合形狀 ， 恢復到基本相狀態(tài) ， 外觀 L的塑性應變也隨之解消 ， 這正是形狀記憶合金具有記憶功能的機理 。 建筑工程學院 ? 但是 ， 形狀記憶合金的形狀恢復能力是有限的 ， 在晶格結構不被破壞的障圍內(nèi)才能恢復其形狀 ， 它取決于對合金進行塑性加工 、 內(nèi)部產(chǎn)生應變的程度 。 為了獲得良好的形狀恢復能力 ， 塑性加工時所產(chǎn)生的應變量不能超過一定值 。 如果應變過大 ， 破壞了合金內(nèi)部的晶格結構 ， 即使加熱到相變溫度 ， 形狀也不能完全回到初始位置 。 目前所開發(fā)的形狀記憶合金 ， 能保持形狀恢復可能性的極限應變?yōu)?4％ 左右 ， 形狀恢復時所產(chǎn)生的應力大約為 200一 350MPa， 并已要避免溫度過多地超過相變溫度 。 建筑工程學院 形狀記憶功能機理 建筑工程學院 3） 鎳一鈦合金的特性 ? 鎳一鈦合金是到目前為止所開發(fā)的最成熟 、 應用最多的形狀記憶合金材料 ， 它具有如下特性 。 ? l 形狀記憶功能較好 ， 如果塑性應變不超過晰 ，形狀可完全恢復； ? l 形狀恢復應力較大 ， 可達 600MPa； ? l 疲勞壽命長 ， 如果塑性應變控制在 2％ 以內(nèi) ， 可重復 10萬次變形恢復過程 ， 如果將塑性應變控制在 %以內(nèi) ， 則可承受 1000萬次形狀恢復過程； ? l 耐蝕性好 ， 鎳一鈦合全具有與鈦金屬及其普通的鈦合金相當?shù)哪臀g性 ， 不會發(fā)生應力腐蝕破裂 。 建筑工程學院 ? 由于鎳一鈦合金具有以上優(yōu)點；到目前為止使用量最多 。 銅一鋅一鋁系合金在性能上劣于鎳一鈦合金 ， 與鎳一鈦合金相比 ， 銅一鋅一鋁系合金的最大弱點是疲勞壽命短 、 反復使用其記憶能力將逐漸衰落；但是銅一鋅一鋁系合金價格較低 ， 對于形狀記憶合金的普及和應用具有重要意義 ， 如果能克服記憶功能衰落的缺點 ， 其需要量將高于鎳一鈦合金 。 ? 建筑工程學院 4） 形狀記憶合金的應用實例 ? 形狀記憶合金應用的歷史還很短 ， 目前在以下幾方面已經(jīng)走向?qū)嵱没?。 ? l 配管接頭：形狀記憶合金的最大用途是用作配管的接頭， 全世界已經(jīng)有大約 10萬個形狀記憶合金配管接頭應用在噴氣式戰(zhàn)斗機的油壓系統(tǒng)配管上 ， 并且沒有發(fā)生過任何漏油事件 、 形狀記憶合金配管接頭還用于艦艇內(nèi) 、 海底油田送油管的維修工程等方面 。 ? l 宇宙開發(fā)：形狀記憶合金在宇宙開發(fā)中也已得到應用 ，例如用做人造衛(wèi)星或月球表面的天線 。 設置在月球表面或衛(wèi)星上的拋物面天線其形狀 、 尺寸過大 ， 無法裝載在運送火箭上 ， 利用合金