金属材料的物理化学性能分析

王 栋 王 瑞

(1.新乡职业技术学院，河南 新乡 453006；2.豫新汽车热管理科技有限公司，河南 新乡 453006)

1 物理性能

1.1 密度

金属的密度就是单位体积金属的质量，其单位为 kg/m3，金属按照密度的大小分为轻金属和重金属，我们把密度小于4.5×103kg/m3的金属称为是轻金属，常见的有铝、镁、钛及其合金；把密度大于4.5×103kg/m3的金属称为是重金属，这样的金属有金、银、铜、铅等。在航空、汽车和较大体积的机器时，都应当考虑其密度要求，因为密度的大小很大程度上决定了零件的自身重量。而机床外壳，底座、箱体等要求自重的，我们就采用密度较大的材料来保证其自身的强度和硬度。

1.2 熔点

熔点对于金属材料来说有着十分重要的作用，因为金属材料一般在作为成品使用之前都需要进行热处理工艺，如果不能准确地掌握材料的熔点的话，那么在进行热处理时就不能准确地得到我们需要的合金组织。我们把材料从固态转变为液态的温度称为熔点，金属一般都是晶体，所以金属都有着固定的熔点。但是，一些高分子的非晶体的材料都没有固定的熔点。熔点的不同影响着金属的应用场合，对于熔点较高的材料，我们可以用在需要耐高温的材料上，例如，钨(W)是熔点最高的金属，它的熔点高达3380 ℃，所以主要用途为制造灯丝和高速切削合金钢、超硬模具。而铅、铋等都是熔点较低的金属，可以用来制作焊接的钎料或者熔丝等。现在我们很广泛应用低温金属合金也有很多，主要是与低熔点金属镓融合，如镓铝合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金等。他们的熔点会根据配比的不同从而熔点也会不一样，在高端技术的呼和搅拌下形成新型的低温合金材料，广泛应用于电子行业、实验室、半导体材料以及低温合金行业。低熔点合金经常被广泛地用做焊料，以及电器、蒸汽、消防、火灾报警等装置中的保险丝、熔断器等热敏组件，例如我们常见的电器开关中的保险丝等。还有一些是我们目前颇具发展潜力的低熔点合金新型材料。

1.3 导电性

导电即让电流通过，不仅金属能够导电，半导体、电解质和一些非金属也导电，能够具有传导电流的能力称为导电性，用电阻率来衡量，在一定程度上，金属的导电性比导热性和力学性能还重要。导电系数就是电阻率，电阻率越小，材料的导电性就越好。通常，银的导电性最好，其次是铜和金，而合金的导电性就比金属要差。因为金属中含有大量的自由电子，所以金属可以导电，而大多数非金属由于自由电子数很少，故不容易导电，金属的导电性也与温度有关系，一般情况下电阻率和温度成正比的关系。电阻率小的金属可以用来制造电气产品触点，电阻率较大的金属则可以用来制造一些电热的元件等。

1.4 导热性

材料的导热性是传导热量的性能，一般来说导电性好的材料，导热性也好。金属的导热原理和导电一样都是靠自由电子的运动来实现的。金属导热性的区别在于金属键的强弱之分。金属晶体的导热是由于晶体内部，自由电子与金属阳离子的碰撞，另一个金属原子又失去最外层电子，碰撞到第三个金属阳离子上成为中性原子。假如右端受热，右端的中性原子失去电子带着能量向左边金属阳离子传递左边金属原子，从而受热又失去电子，再向左端传递。这样热就从右端传导到左端了。金属的导热性可以影响零件的散热，金属在加工的过程中零件内部会产生大量的热量，这些热量会使内应力变大，进而影响到零件的开裂或者是变形等问题。所以，导热性好的零件会使热量迅速地传播到外界空气中，避免了此类现象的产生。在金属材料中，银的导热性是最好的，其次是铜和铝。另外，良好的导热性也可以作为散热保温的选择材料。效果最好的是银，其次是铜，再次才是铝。银的价格昂贵，不太可能拿来做散热片。纯铜较为笨重，但散热效果上有优势，现在也逐步推广铝铜相结合的方式用于散热片的制作。

1.5 热膨胀性

材料都会存在着热胀冷缩的现象，金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性，金属的热膨胀性对材料的选择和使用中有着十分重要的作用，不仅影响了材料的使用性能，还直接影响了材料的安全性能。在热加工和热处理时都要考虑到材料的热膨胀带来的影响，来减少工件变形和开裂，从而引起工件的损坏或者是报废。另外，一些精密测量工具就要选用热膨胀性系数较小的材料来使用，以减少在测量时因为热膨胀而带来的测量误差。铺设铁轨，架设桥梁等也都要考虑到热膨胀系数。

1.6 磁性

金属材料在磁场中被磁化的性能成为磁性。早在几千年前，磁性材料就被人们所认识和使用，例如人们根据磁铁发明了指南针，对航海等有着重要的作用。现在根据材料收到磁化的程度不同，可以分为：铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料。铁磁性材料，其磁性随外磁场的加强而急剧增高，并在外磁场移走后，仍能保留磁性。金属材料中，大多数过渡金属具有顺磁性；只有Fe、Co、Ni等少数金属是铁磁性的。其中，铁和钴的磁性最好，但是一些金属的磁性也不是一成不变的，铁在加热到768°以上磁性就会减弱，没有磁性或者是顺磁性。铁磁材料用途有很多，通常可以用来制作避免电磁场干扰的零件。

2 化学性能

2.1 耐腐蚀性

金属材料在使用或者工作的时候，经常会处于恶略的环境或者工作场合，会对材料造成一些化学因素的影响，这样就对工件本身的特性提出了更高的要求。在常温下，材料抵抗氧气、水以及其他化学物质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。材料的腐蚀会使金属表面的光泽缺失和材料的损失，进而会带来一些安全的隐患。铁的生锈、铝的氧化膜等这些都是腐蚀现象。玻璃钢制品是良好的耐腐材料，玻璃钢制品的拉伸强度接近，甚至超过碳素钢，其强度可以与高级合金钢相接近。所以在航空、卫星、太空飞行器、汽车以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。

2.2 高温抗氧化性

在高温的环境下，金属材料容易与氧相结合，形成氧化皮，造成了金属的浪费和消耗。所以，在高温的条件下，氧化速度会更快，材料必须具有高温抗氧化的能力。特别是在高温加热的炉选材时更应该选用抗氧化性良好的材料，例如，钛合金，陶瓷，高温合金材料都有很好的高温抗氧化性。如果需要提高材料高温抗氧化性，可以采用如下措施：使材料在迅速氧化后能在表面形成一层连续而致密的与母体结合牢固的膜，从而阻止深层的金属进一步的氧化，例如铝，可以形成铝薄膜。金属材料的物理和化学性能还有很多方面需要我们去进一步地研究和探索，只有充分利用其性能，才能在使用中更好地来满足我们的需求。