金属材料的物理、化学和工艺性能分析

1.金属材料的物理性能

金属材料的物理性能是指金属固体所表现出来的物理现象的性能，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。

(1)密度　单位体积材料的质量称为材料的密度，用ρ表示，单位为kg/m3。机械工程上，常用密度来计算材料和零件的质量。密度小于4.5×103 kg/m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛以及它们的合金等；密度大于4.5×103kg/m3的金属称为重金属，如铁、锡、铅、钨等。

(2)熔点　熔点是指金属从固态向液态转变时的温度。金属材料的熔点越高，在高温下越能够保持工作能力。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，一般用于制造耐高温材料。熔点低的金属称为易熔金属，如锡、铅等，常用于制作熔断丝和安全阀等零件。

(3)导热性　金属材料的导热性是指金属材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。热导率是指单位温度梯度下，单位时间内通过垂直于热流方向单位横截面积上的热流量，用λ表示，单位为W/(m·K)。金属材料的热导率越大，表明材料的导热性越好。反之，材料的导热性越差。在加热和冷却时表面和内部的温差就越大，越容易产生内应力，在进行焊接、铸造、锻造和热处理时，必须要考虑金属材料的导热性。金属的导热性以银最好，铜、铝次之，合金的导热性要比纯金属差。

(4)导电性　金属材料的导电性是指金属材料传导电流的能力，金属材料的导电性与材料的电阻密切相关，通常用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料的导电性越好。金属材料及其合金通常都具有良好的导电性，但合金的导电性要比纯金属的导电性差。金属材料中以银的导电性最好，铜、铝次之。金属材料是具有电阻温度系数的物质，随着温度的升高，金属的电阻会变大。电阻率小的金属，适合用作导电材料，如电线、电缆等电器元件；电阻率大的金属，适合用来制造电阻器和电热元件。

(5)热膨胀性　金属材料的热膨胀性是指金属材料随温度的变化而产生的热胀冷缩的特性。材料的热膨胀性通常用线膨胀系数来表示。线膨胀系数大的材料，在温度变化时，尺寸和形状变化都比较大。所以对于精密仪器，要选择线膨胀系数小的材料，并且要在恒温条件下使用。在进行热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀性的影响，如果材料的内部和表面的热膨胀性不同，在金属材料内部就会产生内应力，从而导致材料的变形和开裂。

(6)磁性　金属材料的磁性可分为三种:一种是在外加磁场中只能被微弱磁化的材料，称为顺磁性材料，如锰、铬等；一种是在外加磁场中能够被强烈磁化的材料，称为铁磁性材料，如铁、钴、镍等。铁磁性材料常用于制造电动机、变压器、测量仪等。铁磁材料会在温度升高到某一数值时变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770°；还有一种就是对外加磁场的磁化作用有抗拒和削弱的材料，称为抗磁性材料，如铜、锌等。抗磁性材料通常作为磁屏蔽或磁干扰的材料。

2.金属材料的化学性能

由于工作环境的影响，金属材料除了要有一定的力学性能、物理性能，还需要有一定化学性能。金属材料的化学性能是指金属抵抗外界化学侵蚀的能力，即要求金属材料具有一定的化学稳定性，也就是耐腐蚀性和抗氧化性。

(1)耐腐蚀性　金属材料的耐腐蚀性是指金属材料在室温下抵抗氧气、水蒸气、酸、盐等化学介质腐蚀破坏金属的能力。材料的耐腐蚀性是由材料的成分、组织结构等因素决定的。通常来说，非金属材料的耐腐蚀性比金属材料要好。在金属材料中，碳钢、铸铁的耐腐蚀性比较差，而不锈钢、铝合金、铜合金等具有较好的耐腐蚀性。

(2)抗氧化性　金属材料的抗氧化性是指金属材料在高温时抵抗氧化腐蚀作用的能力，又称热稳定性。在高温环境下工作的设备和零部件应选择热化学稳定性好的材料来加工制造。抗氧化性好的金属材料一般会在金属表面形成一层抗氧化膜，阻止氧化的进一步发生。如铝及其合金会在表面形成致密的Al2O3膜，从而防止铝的氧化；还有在钢中加入铝、铬、硅，也都会防止金属的氧化，提高抗氧化性。(www.xing528.com)

3.金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指金属材料对不同加工方法的适应能力。在金属材料的整个生产加工过程中，涉及多种加工方法，所以要求金属材料具有相应的工艺性能，也就是适应不同加工方法的能力。金属材料的工艺性能主要包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削性能和热处理性能等。

(1)铸造性能　金属材料的铸造性能是指在浇注时，液体金属能够充满整个铸型并获得优良铸件的能力，测定金属材料的铸造性能的指标包括流动性、收缩性和偏析等。

①流动性是指液体金属能够充满整个铸型的型腔，获得完整清晰的铸件的能力。流动性好的金属材料容易充满型腔，从而获得所需的铸件。

②收缩性是指液体金属在冷却凝固的过程中，铸件的体积和尺寸缩小的现象。金属材料的收缩性对铸件的性能有很大的影响，不仅影响铸件的尺寸，还会产生缩松、缩孔、变形和开裂等缺陷，造成内应力。所以在进行铸造时，要选择收缩性小的金属材料进行铸造。

③偏析是指液体金属在铸型凝固以后，在铸件断面各部分以及晶粒与晶界之间存在的化学成分不均匀的现象。偏析会严重影响铸件的使用寿命，降低产品质量。所以在生产铸件时，应尽量防止产生偏析。常见的金属材料中，灰铸铁和锡青铜的铸造性能比较好。

(2)压力加工性能　压力加工性能是指金属材料在热加工和冷加工时，易于加工成型而不产生裂纹的塑性变形能力。压力加工性能的高低主要取决于金属材料的塑性和变形抗力，塑性好、变形抗力小的材料压力加工性能好。机械工程上许多零件都是需要锻压成型的，而且锻压可以使材料的组织更加均匀致密。

(3)焊接性能　焊接性能是指金属材料容易被加热融化焊接到一起形成优质焊缝的能力。焊接性能好的材料在焊接时，不易产生裂纹、夹渣等焊接缺陷，焊接后焊缝与母体材料的强度相近。在机械工程中，焊接的主要对象是钢，钢的焊接性能与钢中碳含量密切相关，低碳钢的焊接性能好，高碳钢和铸铁的焊接性能较差。

(4)切削加工性能　切削加工性能是指金属材料被进行切削加工的难易程度。切削加工性能好的金属材料在进行切削加工时，容易被加工成型，并得到尺寸精确、表面粗糙度质量高的工件。金属材料的切削加工性能与材料的硬度、韧性等有关，通常用切削速度、加工表面粗糙度、刀具使用寿命来衡量。一般认为，具有合适硬度和脆性的金属材料的切削加工性能好，所以灰铸铁的切削性能要比钢的好，碳钢要好于高合金钢，中碳钢的切削性能最好，改变钢的成分和进行一定热处理都有利于改善钢的切削加工性能。

(5)热处理性能　材料的热处理是指金属材料通过加热、保温、冷却的过程，改变金属材料内部组织结构，从而获得材料所需性能的工艺。热处理工艺不仅能够改善金属材料的使用性能，还能够提高金属材料的工艺性能，如切削加工性能，继而提高金属材料的加工质量，减少刀具的磨损，延长使用寿命。常用的热处理方法有退火、正火、淬火、回火、调质处理及表面热处理等。