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金属材料的物理和化学性能

一、金属材料的物理性能

金属材料的物理性能是指在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下，材料所表现的性能或固有属性。机械零件及工程构件在制造中所涉及的金属材料的物理性能主要包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。

1.密度

同一温度下单位体积物质的质量称为密度（g/cm或kg/m3),与水密度之比叫相对密度。根据相对密度的大小，可将金属分为轻金属（相对密度小于4.5)和重金属（相对密度大于4.5)。Al、Mg等及其合金属于轻金属；Cu、Fe、Pb、Zn、Sn等及其合金属于重金属。在机械制造业中，某些高速运转的零件、车辆、飞机、导弹以及航天器等，常要求在满足力学性能的条件下尽量减轻材料质量，因而常采用铝合金、钛合金等轻金属。常用的金属材料的相对密度差别很大，如铜为8.9,铁为7.8,钛为4.5.铝为2.7等。在非金属材料中，陶瓷的密度较大，塑料的密度较小，常用的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料的相对密度为0.9~1.1。

2. 熔点

材料在缓慢加热时由固态转变为液态并有一定潜热吸收或放出时的转变温度，称为熔点。熔点低的金属（如Pb、Sn等）可以用来制造针焊的针料、熔体（保险丝）和铅字等；熔点高的金属（如Fe、Ni、Cr、Mo等）可以用来制造高温零件，如加热炉构件、电热元件、喷气机叶片，以及火箭、导弹中的耐高温零件。

非金属材料中的陶瓷（金属陶瓷）有一定熔点，如石英（SiO2)熔点为1670℃，苦土(MgO)熔点为2800℃，常用作耐火材料；而塑料和一般玻璃等非晶态材料则没有熔点，只有软化点或称玻璃化温度。

3.导电性

材料传导电流的能力称为导电性。以电导率y(单位s/m)表示。纯金属中银的导电性最好，其次是铜、铝。工程中为减少电能损耗常采用纯铜或纯铝作为输电导体；采用导电性差的材料（如Fe-Cr、Ni-Cr、Fe-Cr-Al等合金、碳硅棒等）作为加热元件。

4.导热性

材料传导热量的能力称为导热性，用热导率入（单位W/(m.K))表示。热导率越大，导热性越好。纯金属的导热性比合金好，银、铜的导热性最好，铝次之。非金属中，碳(金刚石）的导热性最好。

合金钢的导热性比碳钢差，因此合金钢在进行热处理加热时的加热速度应缓慢，以保证工件或坯料内外温差小，减少变形和开裂倾向。另外，导热性差的金属材料切削加工也较困难。

5.热膨胀性

材料因温度改变而引起的体积变化现象称为热膨胀性，一般用线膨胀系数来表示。常温下工作的普通机械零件（构件）可不考虑热膨胀性，但在一些特殊场合就必须考虑其影响，例如工作在温差较大场合的长零（构）件（如火车导轨等）、精密仪器仪表的关键零件热膨胀系数均要小。工程中也常利用材料的热膨胀性来装配或拆卸配合过盈量较大的机械零件。

6.磁性

材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性或磁性。通常用磁导率μ(单位H/m)来表示。具有显著磁性的材料称为磁性材料。目前应用的磁性材料有金属和陶瓷两类：金属磁性材料也称为铁磁材料，常用的有Fe、Co、Ni等金属及其合金；陶瓷磁性材料通称为铁氧体。工程中常利用材料的磁性制造机械及电气零件。

二、金属材料的化学性能

材料的化学性能是指材料抵抗其周围介质侵蚀的能力，主要包括耐蚀性和热稳定性等。

1.耐蚀性

金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力称为耐蚀性，包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。化学腐蚀一般是在干燥气体及非电解液中进行的，腐蚀时没有电流产生；电化学腐蚀是在电解液中进行，腐蚀时有微电流产生。

根据介质侵蚀能力的强弱，对于不同介质中工作的金属材料的耐蚀性要求也不相同。如海洋设备及船舶用钢，须耐海水和海洋大气腐蚀；而贮存和运输酸类的容器、管道等，则应具有较高的耐酸性能。一种金属材料在某种介质、某种条件下是耐蚀的，而在另一种介质或条件下就可能不耐蚀。如镍铬不锈钢在稀酸中耐蚀，而在盐酸中则不耐蚀；铜及铜合金在一般大气中耐蚀，但在氨水中却不耐蚀。

2.热稳定性

材料在高温下抵抗氧化的能力称为热稳定性。在高温（高压）下工作的锅炉、各种加热炉、内燃机中的零件等都要求具有良好的热稳定性。