金屬材料的物理化學性能分析

王 棟 王 瑞

(1.新鄉職業技術學院，河南 新鄉 453006；2.豫新汽車熱管理科技有限公司，河南 新鄉 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器時，都應當考慮其密度要求，因為密度的大小很大程度上決定了零件的自身重量。而機床外殼，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度和硬度。

1.2 熔點

熔點對于金屬材料來說有著十分重要的作用，因為金屬材料一般在作為成品使用之前都需要進行熱處理工藝，如果不能準確地掌握材料的熔點的話，那么在進行熱處理時就不能準確地得到我們需要的合金組織。我們把材料從固態轉變為液態的溫度稱為熔點，金屬一般都是晶體，所以金屬都有著固定的熔點。但是，一些高分子的非晶體的材料都沒有固定的熔點。熔點的不同影響著金屬的應用場合，對于熔點較高的材料，我們可以用在需要耐高溫的材料上，例如，鎢(W)是熔點最高的金屬，它的熔點高達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、鉍等都是熔點較低的金屬，可以用來制作焊接的釬料或者熔絲等。現在我們很廣泛應用低溫金屬合金也有很多，主要是與低熔點金屬鎵融合，如鎵鋁合金、鎵鉍合金、鎵錫合金、鎵銦合金等。他們的熔點會根據配比的不同從而熔點也會不一樣，在高端技術的呼和攪拌下形成新型的低溫合金材料，廣泛應用于電子行業、實驗室、半導體材料以及低溫合金行業。低熔點合金經常被廣泛地用做焊料，以及電器、蒸汽、消防、火災報警等裝置中的保險絲、熔斷器等熱敏組件，例如我們常見的電器開關中的保險絲等。還有一些是我們目前頗具發展潛力的低熔點合金新型材料。

1.3 導電性

導電即讓電流通過，不僅金屬能夠導電，半導體、電解質和一些非金屬也導電，能夠具有傳導電流的能力稱為導電性，用電阻率來衡量，在一定程度上，金屬的導電性比導熱性和力學性能還重要。導電系數就是電阻率，電阻率越小，材料的導電性就越好。通常，銀的導電性最好，其次是銅和金，而合金的導電性就比金屬要差。因為金屬中含有大量的自由電子，所以金屬可以導電，而大多數非金屬由于自由電子數很少，故不容易導電，金屬的導電性也與溫度有關系，一般情況下電阻率和溫度成正比的關系。電阻率小的金屬可以用來制造電氣產品觸點，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 導熱性

材料的導熱性是傳導熱量的性能，一般來說導電性好的材料，導熱性也好。金屬的導熱原理和導電一樣都是靠自由電子的運動來實現的。金屬導熱性的區別在于金屬鍵的強弱之分。金屬晶體的導熱是由于晶體內部，自由電子與金屬陽離子的碰撞，另一個金屬原子又失去最外層電子，碰撞到第三個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到左端了。金屬的導熱性可以影響零件的散熱，金屬在加工的過程中零件內部會產生大量的熱量，這些熱量會使內應力變大，進而影響到零件的開裂或者是變形等問題。所以，導熱性好的零件會使熱量迅速地傳播到外界空氣中，避免了此類現象的產生。在金屬材料中，銀的導熱性是最好的，其次是銅和鋁。另外，良好的導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，但散熱效果上有優勢，現在也逐步推廣鋁銅相結合的方式用于散熱片的制作。

1.5 熱膨脹性

材料都會存在著熱脹冷縮的現象，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廢。另外，一些精密測量工具就要選用熱膨脹性系數較小的材料來使用，以減少在測量時因為熱膨脹而帶來的測量誤差。鋪設鐵軌，架設橋梁等也都要考慮到熱膨脹系數。

1.6 磁性

金屬材料在磁場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識和使用，例如人們根據磁鐵發明了指南針，對航海等有著重要的作用。現在根據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，其磁性隨外磁場的加強而急劇增高，并在外磁場移走后，仍能保留磁性。金屬材料中，大多數過渡金屬具有順磁性；只有Fe、Co、Ni等少數金屬是鐵磁性的。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°以上磁性就會減弱，沒有磁性或者是順磁性。鐵磁材料用途有很多，通常可以用來制作避免電磁場干擾的零件。

2 化學性能

2.1 耐腐蝕性

金屬材料在使用或者工作的時候，經常會處于惡略的環境或者工作場合，會對材料造成一些化學因素的影響，這樣就對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、水以及其他化學物質腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性。材料的腐蝕會使金屬表面的光澤缺失和材料的損失，進而會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象。玻璃鋼制品是良好的耐腐材料，玻璃鋼制品的拉伸強度接近，甚至超過碳素鋼，其強度可以與高級合金鋼相接近。所以在航空、衛星、太空飛行器、汽車以及在其他需要減輕自重的制品應用中，都具有卓越成效。

2.2 高溫抗氧化性

在高溫的環境下，金屬材料容易與氧相結合，形成氧化皮，造成了金屬的浪費和消耗。所以，在高溫的條件下，氧化速度會更快，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更應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而致密的與母體結合牢固的膜，從而阻止深層的金屬進一步的氧化，例如鋁，可以形成鋁薄膜。金屬材料的物理和化學性能還有很多方面需要我們去進一步地研究和探索，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。