认识金属材料的性能

一、学习目标

1．知识目标

①知道金属材料的物理、化学性能及其应用。

②知道金属材料的力学性能和工艺性能及其应用。

2．能力目标

能根据金属材料的各种性能正确选用材料。

3．态度目标

主动参与与自己相关的学习活动。

二、学习活动

活动一　认识金属材料的物理性能及化学性能

已知公式为

物理性能＝密度＋熔点＋导热性＋导电性＋热膨胀性＋磁性

1．密度

金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位为kg／m3。

根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于45g／cm3的金属称为轻金属，如铝、钛等。密度是金属材料的一个重要物理性能，与材料的使用和检测等都有关系。例如，在航空工业和汽车工业中，为了增加有效载重量，密度是需要考虑的重要因素。

2．熔点

金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。熔点一般用摄氏温度（℃）表示。各种金属都有其固定熔点。如铅的熔点为323℃，钢的熔点为1538℃。熔点对于冶炼、铸造、焊接及配制合金等都很重要。易熔金属及合金可用来制造熔断器和防火安全阀等零件；难熔金属及合金则用来制造要求耐高温的零件，广泛用于飞船外壳、火箭、导弹、燃气轮机及喷气飞机等耐高温零件。熔点低于1000℃的金属，称为低熔点金属；熔点为1000～2000℃的金属，称为中熔点金属；熔点高于2000℃的金属，称为高熔点金属。

3．导热性

金属材料传导热量的能力称为导热性。一般用热导率（导热系数）λ表示金属材料导热性能的优劣。

热导率大的金属材料的导热性好。在一般情况下，金属材料的导热性比非金属材料好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。

导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器零件，如冰箱、空调的散热片。

4．热膨胀性

金属材料在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。各种金属的热膨胀性能不同。常用线［膨］胀系数α1表示热膨胀性。如铁为0～100℃时，α1＝11．76× 10℃，即温度升高1℃铁增加11．76μm／m。在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造；铺设铁轨、架设桥梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。

5．导电性

金属材料传导电流的性能称为导电性。但各种金属材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝次之，工业上用铜、铝作导电的材料。导电性差的高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件，如电炉丝。

6．磁性

金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料，锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在768℃以上就表现为没有磁性或顺磁性。

铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁芯和测量仪表零件等；无（顺）磁性材料可用作要求避免磁场干扰的零件。

金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现出来的性能。它包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。

活动二　认识金属材料的力学性能

力学性能是指金属材料在外力作用下表现出来的性能。

力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。

1．强度

强度是金属材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗能力越大，则强度越高；强度越高的材料越能承受较大的外力而不变形和破坏。由于材料承受载荷的方式不同，其变形形式也不同，因此，材料的强度又分为抗拉、抗压、抗扭、抗弯、抗剪等的强度，强度是机械设计和选材的主要依据之一。

2．塑性

塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示。δ，ψ值越大，表示材料的塑性越好。材料具有塑性才能进行压力加工，如汽车外壳、不锈钢用品等。塑性好的材料制成的零件在使用时也较安全。

3．硬度

硬度是衡量金属材料软硬的一个指标。一般认为，硬度是指金属材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力，是金属材料表面抵抗变形或破坏的能力。它是材料塑性、强度等性能的综合体现。

4．韧性

金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，称为韧性。材料的冲击韧性一般在摆锤冲击试验机上进行测试。

5．疲劳强度

金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力，称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验，一般试验时规定，钢在经受107次、有色金属经受108次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力，称为疲劳强度。由于疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性，因此，要选择抗疲劳强度较好的材料来制造承受交变载荷的机器零件，如轴、齿轮、弹簧等。

活动三　认识金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指在各种加工条件下表现出来的适应能力，包括铸造性、锻压性、焊接性和可加工性等。

1．铸造性

金属材料能否用铸造方法制成优良铸件的性能，称为铸造性或可铸性。铸造性能主要决定于金属材料熔化后金属液体的流动性、冷却时的收缩率等。不同的金属材料，其铸造性差异较大。常用金属材料中，灰铸铁具有优良的铸造性能，铸钢的铸造性低于铸铁。

铸造铝合金和铸造铜合金的铸造性也较好。

2．锻压性

金属材料能否用锻压方法制成锻压件的性能，称为锻压性或可锻性。锻压性一般与材料的塑性及其塑性变形抗力有关。在一般情况下，材料塑性好，变形抗力小，则锻压性也好。低碳钢的锻压性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差。低合金钢的锻压性近似于中碳钢，高合金钢的锻压性比碳钢差。

3．焊接性

金属材料在一定焊接条件下是否易于获得优良焊接接头的能力，称为焊接性或可焊性。它取决于焊缝是否产生裂纹、气孔等。焊接性能好的材料易于用一般的焊接方法且不易产生裂纹、气孔等缺陷，焊缝接头有一定的力学性能。低碳钢焊接时有较好的可焊性，高碳钢较差，铸铁则更差。铜、铝合金的可焊性一般都比碳钢差。

4．可加工性

金属材料切削加工的难易程度，称为可加工性或切削加工性。可加工性好的金属材料，在切削加工时刀具磨损小，加工表面好。一般认为，硬度过高或过低的金属材料，其切削加工性能较差。切削时切屑易于折断，也表明材料切削加工性好。

三、巩固与提高

①金属材料的物理和化学性能分别有哪些？

②金属材料的力学性能指的是什么？

③金属材料的工艺性能有哪些？

四、学习评价

分组进行自评、组评、师评，在学习活动评价表相应等级的方格内画“√”。

学习活动评价表