金属材料的物理特性与导热性、热膨胀性及导电性相关

金属材料的物理性能是指材料在各种物理现象(如导电、导热、熔化等)中所表现出来的属性。

1.密度和熔点

(1)密度。物质单位体积所具有的质量称为密度。材料的密度对设计和制造过程中的选材有重要的意义，如何减少自身质量、增加承载能力，密度是需要重点考虑的因素之一。例如，飞机上的许多零件及构件都要选用密度较小的铝合金或镁合金来制造。人们一般把密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属，而密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属。材料的抗拉强度与密度之比称为比强度。比强度高的材料不但强度高，而且质量小，这对于高速运转的零件、要求自重轻的运输机械或工程结构件等具有重要意义。

在生产中常利用密度通过测量体积来计算不能直接称量的大型工件或估算毛坯用料的质量。在热加工中常常利用金属的密度不同来去除液态金属中的杂质。常用金属材料的密度(见表1－1)。

表1－1　常用金属材料的密度

(2)熔点。在缓慢加热条件下，金属或合金由固体状态变成液体状态时的温度称为熔点，常用摄氏温度(℃)表示。纯金属有固定的熔点，即其熔化过程是在恒定的温度下进行的，而合金的熔化过程则在一个温度范围内进行。表1－2列出了常用金属材料的熔点。

表1－2　常用金属材料的熔点

不同熔点的金属有不同的用途，熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钼、钒等)，常用于制造耐高温零件，例如选用钨做灯丝，防止灯丝因温度升高而熔化；熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等)，常用于制造保险丝等，保护电器设备不会因电流突然增大而烧坏。此外，熔点对于材料的成型和热处理工艺十分重要。铸造和焊接等工艺必须加热到金属的熔点才能实现，热处理工艺中加热温度的选择、压力加工时锻造温度范围的选择等也要考虑金属材料的熔点。

2.热学性能

(1)导热性。材料传导热量的能力称为导热性，即在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率。各种材料的导热性是不同的。对金属材料来说，通常情况下金属越纯，其导热性越好，在金属中即使含有少量杂质，也会显著地影响它的导热性。因此，合金钢的导热性都比碳素钢差。

材料导热性的好坏用热导率λ表示。热导率越大，材料的导热性越好。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。常用材料的热导率(见表1－3)。

表1－3　常用材料的热导率

(2)线胀系数。材料随着温度升高而体积增大的性质称为热膨胀性。物质都有受热则体积膨胀，而受冷则体积收缩的性能，各种材料的热膨胀性是不同的，一般用线胀系数来表示。其计算公式为(www.xing528.com)

式中，l1——膨胀前长度，m；

l2——膨胀后长度，m；

t——升高的温度，℃；

α1——线胀系数，1/℃。

表1－4所列的是常用材料的线胀系数。

表1－4　常用材料的线胀系数(0℃～100℃)

3.导电性

材料传导电流的性能称为导电性。电导率、电阻率或电阻都可用来表示材料的导电性。材料的电导率σ的计算公式为

式中，ρ——电阻率，1/(Ω·m)；

S——导体横截面面积，m2；

R——电阻，Ω；

L——导体长度，m。

电导率越大，材料的导电性越好。绝缘体的电导率为1×10－16～1×10－10Ω·m，而导体的电导率为1×106Ω·m。一般来说，金属材料都是导体，具有较好的导电性，其中银最好，其次是铜、铝。工业上常用导电性好的铜、铝或它们的合金制作导电结构材料，而用导电性差的金属制作高电阻材料，如用镍铬合金和铬铁铝合金等制作电热元件或电热零件。而高分子材料和陶瓷都是绝缘体，可制作高压线的瓷绝缘子和电线的塑料包套等，还可作为电介质应用于电容器等器件中。但随着温度的升高，绝缘体的导电性也会逐渐加大。