金属材料的分类及表示方法

第一讲：金属材料分类及性能

【学习目标】

1、掌握金属材料的性能

2、掌握金属材料力学性能主要指标

3、掌握硬度的主要指标

【知识解析】

在机械制造中，大多数的零件都是由各种金属材料制成的。随着零件的工作条件和加工方法的不同，必然会对金属材料提出各种不同的性能要求。例如，弹簧需要材料具有良好的弹性；刀具要求材料硬且耐磨；飞机零件要求材料强度高、质量轻；制造容器的材料要求良好的焊接性能和压延性能等。为了合理地使用和加工金属材料以及充分发挥其性能潜力，必须充分了解和掌握金属材料的基本性能。

一、金属材料介绍

金属材料具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有表面光泽的物质。一般是指工业应用中的纯金属或合金。自然界中大约有70多种纯金属，其中常见的有铁、铜、铝、锡、镍、金、银、铅、锌等等。而合金常指两种或两种以上的金属或金属与非金属结合而成,且具有金属特性的材料。

1、铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在2-3%左右。

2、铝银白色轻金属，有延性和展性。商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、氢氧化钠和氢氧化钾溶液，不溶于水。相对密度2.70。熔点660℃。沸点2327℃。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，应用极为广泛。是国民经济中不可缺少的基础原材料，广泛用于建筑、包装、交通运输、电力等领域。新中国成立60年来，从勘探、采选、冶炼到加工，中国铝工业上下游齐全、产业链完整，能充分发挥整体的优势。

3、锡是一种化学元素，其化学符号是Sn，它的原子序数是50。它是一种主族金属。纯的锡有银灰色的金属光泽，它拥有良好的伸展性能，它在空气中不易氧化，它的多种合金有防腐蚀的性能，因此它常被用来作为其它金属的防腐层。锡的主要来源是它的一种氧

化物矿物锡石（SnO2），盛产于中国云南、马来西亚等地。

5、镍是化学元素之一，化学符号为Ni，具磁性，属过渡金属。银白色金属，密度8.9克/厘米3。熔点1455℃，沸点2730℃。化合价2和3。质坚硬，具有磁性和良好的可塑性。

二、金属材料的分类

金属材料按其化学性质分为：

1、黑色金属

通常以铁、锰、铬为主形成的物质称黑色金属。包括碳素钢、合金钢和铸铁等。

2、有色金属

除黑色金属以外的其他金属，称为有色金属。有色金属通常按其元素名称命名。

如铝及铝合金，铜及铜合金。有色金属分为重金属（指比重大于5的金属，包括金、银、铜、铁、铅等，重金属在人体中累积达到一定程度，会造成慢性中毒。相对密度在4.5g/cm3以上的金属，称作重金属。铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉和铋）、轻金属（比重小于5，（又有一说是密度小于4.5克/立方厘米），包括铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡。如铝的比重是2.7，镁的比重是1.7倍，而钾的比重只有0.87，钠只有0.97）

、贵金属、半金属和稀有金属五类。

三、金属材料的物理性能

材料是机器的物质基础。金属材料的性能是选择材料的主要依据。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能；使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能决定了它的使用范围。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。其物理性能包括

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4.5kｇ／ｍ3的金属叫做轻金属，如铝，钛等。

密度公式：ρ=m/V

式中 m──物质的质量（kg或g） V──物质的体积（m3或 cm3）

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、焊接和配制合金等都很重要。

熔点低于1000℃的金属称为低熔点金属，熔点在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或K表示金属材料导热性能的优劣。，单位瓦特米开尔文（W/m·k），物质的密度大，其热导率通常也较大。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，也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。

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、铝做导电的材料。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、电机的铁心和测量仪表零件等；无（顺）磁性材料可用做要求避免磁场干扰的零件。

表1—1 常用金属材料的物理性能