金屬材料的物理化學(xué)性能分析

王 棟 王 瑞

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453006；2.豫新汽車熱管理科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453006)

1 物理性能

1.1 密度

金屬的密度就是單位體積金屬的質(zhì)量，其單位為 kg/m3，金屬按照密度的大小分為輕金屬和重金屬，我們把密度小于4.5×103kg/m3的金屬稱為是輕金屬，常見的有鋁、鎂、鈦及其合金；把密度大于4.5×103kg/m3的金屬稱為是重金屬，這樣的金屬有金、銀、銅、鉛等。在航空、汽車和較大體積的機(jī)器時(shí)，都應(yīng)當(dāng)考慮其密度要求，因?yàn)槊芏鹊拇笮『艽蟪潭壬蠜Q定了零件的自身重量。而機(jī)床外殼，底座、箱體等要求自重的，我們就采用密度較大的材料來保證其自身的強(qiáng)度和硬度。

1.2 熔點(diǎn)

熔點(diǎn)對(duì)于金屬材料來說有著十分重要的作用，因?yàn)榻饘俨牧弦话阍谧鳛槌善肥褂弥岸夹枰M(jìn)行熱處理工藝，如果不能準(zhǔn)確地掌握材料的熔點(diǎn)的話，那么在進(jìn)行熱處理時(shí)就不能準(zhǔn)確地得到我們需要的合金組織。我們把材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度稱為熔點(diǎn)，金屬一般都是晶體，所以金屬都有著固定的熔點(diǎn)。但是，一些高分子的非晶體的材料都沒有固定的熔點(diǎn)。熔點(diǎn)的不同影響著金屬的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于熔點(diǎn)較高的材料，我們可以用在需要耐高溫的材料上，例如，鎢(W)是熔點(diǎn)最高的金屬，它的熔點(diǎn)高達(dá)3380 ℃，所以主要用途為制造燈絲和高速切削合金鋼、超硬模具。而鉛、鉍等都是熔點(diǎn)較低的金屬，可以用來制作焊接的釬料或者熔絲等?，F(xiàn)在我們很廣泛應(yīng)用低溫金屬合金也有很多，主要是與低熔點(diǎn)金屬鎵融合，如鎵鋁合金、鎵鉍合金、鎵錫合金、鎵銦合金等。他們的熔點(diǎn)會(huì)根據(jù)配比的不同從而熔點(diǎn)也會(huì)不一樣，在高端技術(shù)的呼和攪拌下形成新型的低溫合金材料，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、半導(dǎo)體材料以及低溫合金行業(yè)。低熔點(diǎn)合金經(jīng)常被廣泛地用做焊料，以及電器、蒸汽、消防、火災(zāi)報(bào)警等裝置中的保險(xiǎn)絲、熔斷器等熱敏組件，例如我們常見的電器開關(guān)中的保險(xiǎn)絲等。還有一些是我們目前頗具發(fā)展?jié)摿Φ牡腿埸c(diǎn)合金新型材料。

1.3 導(dǎo)電性

導(dǎo)電即讓電流通過，不僅金屬能夠?qū)щ姡雽?dǎo)體、電解質(zhì)和一些非金屬也導(dǎo)電，能夠具有傳導(dǎo)電流的能力稱為導(dǎo)電性，用電阻率來衡量，在一定程度上，金屬的導(dǎo)電性比導(dǎo)熱性和力學(xué)性能還重要。導(dǎo)電系數(shù)就是電阻率，電阻率越小，材料的導(dǎo)電性就越好。通常，銀的導(dǎo)電性最好，其次是銅和金，而合金的導(dǎo)電性就比金屬要差。因?yàn)榻饘僦泻写罅康淖杂呻娮?，所以金屬可以?dǎo)電，而大多數(shù)非金屬由于自由電子數(shù)很少，故不容易導(dǎo)電，金屬的導(dǎo)電性也與溫度有關(guān)系，一般情況下電阻率和溫度成正比的關(guān)系。電阻率小的金屬可以用來制造電氣產(chǎn)品觸點(diǎn)，電阻率較大的金屬則可以用來制造一些電熱的元件等。

1.4 導(dǎo)熱性

材料的導(dǎo)熱性是傳導(dǎo)熱量的性能，一般來說導(dǎo)電性好的材料，導(dǎo)熱性也好。金屬的導(dǎo)熱原理和導(dǎo)電一樣都是靠自由電子的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。金屬導(dǎo)熱性的區(qū)別在于金屬鍵的強(qiáng)弱之分。金屬晶體的導(dǎo)熱是由于晶體內(nèi)部，自由電子與金屬陽離子的碰撞，另一個(gè)金屬原子又失去最外層電子，碰撞到第三個(gè)金屬陽離子上成為中性原子。假如右端受熱，右端的中性原子失去電子帶著能量向左邊金屬陽離子傳遞左邊金屬原子，從而受熱又失去電子，再向左端傳遞。這樣熱就從右端傳導(dǎo)到左端了。金屬的導(dǎo)熱性可以影響零件的散熱，金屬在加工的過程中零件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量會(huì)使內(nèi)應(yīng)力變大，進(jìn)而影響到零件的開裂或者是變形等問題。所以，導(dǎo)熱性好的零件會(huì)使熱量迅速地傳播到外界空氣中，避免了此類現(xiàn)象的產(chǎn)生。在金屬材料中，銀的導(dǎo)熱性是最好的，其次是銅和鋁。另外，良好的導(dǎo)熱性也可以作為散熱保溫的選擇材料。效果最好的是銀，其次是銅，再次才是鋁。銀的價(jià)格昂貴，不太可能拿來做散熱片。純銅較為笨重，但散熱效果上有優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在也逐步推廣鋁銅相結(jié)合的方式用于散熱片的制作。

1.5 熱膨脹性

材料都會(huì)存在著熱脹冷縮的現(xiàn)象，金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性，金屬的熱膨脹性對(duì)材料的選擇和使用中有著十分重要的作用，不僅影響了材料的使用性能，還直接影響了材料的安全性能。在熱加工和熱處理時(shí)都要考慮到材料的熱膨脹帶來的影響，來減少工件變形和開裂，從而引起工件的損壞或者是報(bào)廢。另外，一些精密測(cè)量工具就要選用熱膨脹性系數(shù)較小的材料來使用，以減少在測(cè)量時(shí)因?yàn)闊崤蛎浂鴰淼臏y(cè)量誤差。鋪設(shè)鐵軌，架設(shè)橋梁等也都要考慮到熱膨脹系數(shù)。

1.6 磁性

金屬材料在磁場(chǎng)中被磁化的性能成為磁性。早在幾千年前，磁性材料就被人們所認(rèn)識(shí)和使用，例如人們根據(jù)磁鐵發(fā)明了指南針，對(duì)航海等有著重要的作用?，F(xiàn)在根據(jù)材料收到磁化的程度不同，可以分為：鐵磁性材料、順磁性材料和抗磁性材料。鐵磁性材料，其磁性隨外磁場(chǎng)的加強(qiáng)而急劇增高，并在外磁場(chǎng)移走后，仍能保留磁性。金屬材料中，大多數(shù)過渡金屬具有順磁性；只有Fe、Co、Ni等少數(shù)金屬是鐵磁性的。其中，鐵和鈷的磁性最好，但是一些金屬的磁性也不是一成不變的，鐵在加熱到768°以上磁性就會(huì)減弱，沒有磁性或者是順磁性。鐵磁材料用途有很多，通?？梢杂脕碇谱鞅苊怆姶艌?chǎng)干擾的零件。

2 化學(xué)性能

2.1 耐腐蝕性

金屬材料在使用或者工作的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)處于惡略的環(huán)境或者工作場(chǎng)合，會(huì)對(duì)材料造成一些化學(xué)因素的影響，這樣就對(duì)工件本身的特性提出了更高的要求。在常溫下，材料抵抗氧氣、水以及其他化學(xué)物質(zhì)腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性。材料的腐蝕會(huì)使金屬表面的光澤缺失和材料的損失，進(jìn)而會(huì)帶來一些安全的隱患。鐵的生銹、鋁的氧化膜等這些都是腐蝕現(xiàn)象。玻璃鋼制品是良好的耐腐材料，玻璃鋼制品的拉伸強(qiáng)度接近，甚至超過碳素鋼，其強(qiáng)度可以與高級(jí)合金鋼相接近。所以在航空、衛(wèi)星、太空飛行器、汽車以及在其他需要減輕自重的制品應(yīng)用中，都具有卓越成效。

2.2 高溫抗氧化性

在高溫的環(huán)境下，金屬材料容易與氧相結(jié)合，形成氧化皮，造成了金屬的浪費(fèi)和消耗。所以，在高溫的條件下，氧化速度會(huì)更快，材料必須具有高溫抗氧化的能力。特別是在高溫加熱的爐選材時(shí)更應(yīng)該選用抗氧化性良好的材料，例如，鈦合金，陶瓷，高溫合金材料都有很好的高溫抗氧化性。如果需要提高材料高溫抗氧化性，可以采用如下措施：使材料在迅速氧化后能在表面形成一層連續(xù)而致密的與母體結(jié)合牢固的膜，從而阻止深層的金屬進(jìn)一步的氧化，例如鋁，可以形成鋁薄膜。金屬材料的物理和化學(xué)性能還有很多方面需要我們?nèi)ミM(jìn)一步地研究和探索，只有充分利用其性能，才能在使用中更好地來滿足我們的需求。