5.1金属及金属材料的性能
目前，在已发现的107种化学元素中，金属元素有90种，其中自然元素73种，人造元素17种。金属元素除汞以外，在常温下以结晶形态存在。
金属是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有金属光泽的物质。如铁、铝和铜等。
金属材料是由金属元素或以金属元素为主，其他金属元素或非金属元素为辅构成，并具有金属特性的材料。它包括纯金属和合金。
金属分为黑色金属和有色金属两大类。铁、铬、锰三种元素以及钢、铁合金为黑色金属。除黑色金属以外的其他金属称为有色金属，如铜、铝和镁等。
金属及金属材料之所以被广泛地应用，是因为它具有良好的物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能。学习金属及金属材料的性能，目的是指导订货、验收和维护保养工作，同时也可以帮助用户合理选用材料。
5.1.1物理性能
金属的物理性能是指不经过任何化学变化而能察知的性能。如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。
一、密度
金属材料的密度是指单位体积金属的质量。密度的表达式如下：
r=m/V
式中：m——金属的质量(克)；
V——金属的体积(立方厘米)；
r——金属的密度(克/立方厘米)。
因为密度的单位是由物质的质量和体积的单位来确定的，计算后的单位可以用克/立方厘米表示，也可以用千克/分立方米和吨/立方米来表示，无论采用何种单位，其数值相等。
密度是金属材料固有的特性之一，不同的金属，不同的金属材料，其密度是不同的。
密度的大小除因物质的不同而有差异外，还与温度、压力、加工方法有关。凡是热胀冷缩的金属材料，其密度会随温度的升高而减小，反之会增大。如纯铜的密度在20℃时为8.93；在1000℃时为8.47；铝的密度在20℃时为2.70；在700℃时为2.38。通常所指的密度，是指在20℃实验室中测得的数值。不同的压力加工方法，使内部组织致密程度不同，其密度大小也不同。如轧制成型的钢材的密度为7.85克/立方厘米；而经锻造成型的钢材的密度为7.868克/立方厘米。
在仓库物资管理中，对于规定要求理论换算计量的金属材料，可由其体积和密度来计算其质量，做好数量验收和调拨出库工作。在实际生产中，可以在受力大小相同的条件下，利用材料密度不同的特性，设计制造出质量轻、强度高的零部件。
二、熔点
金属由固态转变为液态时的温度称为熔点。金属都有固定的熔点，如钨、钼、钒和钛的熔点分别为3380℃、2630℃、1900℃、1677℃；又如铁、铜、金和银的熔点分别为1538℃、1083℃、1063℃、960.8℃；而铝、铅、锡的熔点分别是660℃、327℃和231.9℃，碳素钢的熔点随含碳量的不同，在1450~1500℃之间。
锡、铅、锌等属于低熔点金属(低于700℃)，常用于制造印刷铅字、熔丝、防火安全阀等。钨、钼、铬、钒等属于难熔金属，可制造耐高温零部件，在火箭、导弹、燃气轮机等方面获得广泛的应用。
三、热膨胀性
金属受热时体积会胀大，冷却时体积会缩小的性能，称为热膨胀性。不同金属受热后膨胀程度不同。
掌握金属材料热膨胀性的影响及其受冷受热导致的规格尺寸变化程度，正确设计、制造测量工件，对防止因热膨胀系数的差异使金属构件变形甚至损坏具有重要的实用意义。
四、导热性
金属传导热量的能力称为导热性。
金属的导热性比非金属好，纯金属的导热性比合金要好。金属越纯，导热性越好。金属导热性好的，导电性也好。
金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属散热性能也就越好，在制造散热器、热交换器等零部件时，要注意选用导热性好的金属。
五、导电性
金属能够传导电流的性能称为导电性。
金属具有良好的导电性，是因为金属的晶体是由浸沉于电子气氛中的阳离子排列而成，由于阳离子和电子互相吸引，从而使晶体组织非常紧密并排列有序，同时使离子和离子之间、电子和电子之间相互排斥的力量平衡。在阳离子之间存在有脱离了原来原子核的自由电子，它们在结晶格体间自由运动着，这样的电子称为电子气或电子云。当有电位差时，电子便朝一定方向运动，从而产生电流。
一般金属的导电性能随温度的升高而逐渐降低。纯金属的导电性比合金要好。金属越纯，导电性能越好。
金属导电性的好坏，是用电阻率来衡量的。长1米，截面积为1毫米2的物体在一定温度下所具有的电阻数，叫做电阻率，单位是欧·米。电阻率越小，导电性越好。金属的导电性能以银为最好，铜、铝次之。
工业上常用导电性好的铜、铝或它们的合金做导电材料，而用导电性差的镍铬合金和铁铬铝合金等做电热元件、电阻丝等。
六、磁性
物体能吸引铁、钴、镍等物质的性质叫磁性。带有磁性的物体叫磁体。使原来没有磁性的物体带磁性的过程，叫做磁化。
按磁性来分，金属材料可分为：
1.铁磁性材料——在磁场中，能被强烈磁化到很大程度，如锰、钼等。
2.抗磁性材料——能够抗拒或减弱磁场磁化作用的金属，如铜、金、银、铅、锌等。
铁磁性材料可用于制造变压器、电动机等。抗磁性材料可用于制造要求避免电磁干扰的零部件。
金属当加热到一定温度时，磁性就会消失，这个转变温度称为居里点。铁的居里点为770℃。
七、耐热性
金属材料在高温下仍具有足够的强度和抗氧化、抗腐蚀的性能，称为耐热性。发动机气阀、涡轮叶片等均要求耐热性好的材料制作。航天航空事业的发展，对金属材料的耐热性能要求越来越高。
八、颜色
金属为不透明体，不能透过光线。抛光的金属表面能很好地反射光线，而在反射光线中，各种金属都具有其特殊的颜色。
九、金属加热时的发光性
金属在不同的温度所发射的光具有特殊的颜色。如钢在525℃开始发光，呈微红色，900℃为橙色，1100℃为黄色，1200℃为浅黄色，1300℃为白色，1500℃为白热色。
5.1.2化学性能
金属的化学性能是指在化学作用下表现出的性能，包括耐腐蚀性和抗氧化性。
一、耐腐蚀性
金属在常温下抵抗周围介质(如大气、燃气、油、水、酸、碱、盐等)腐蚀的能力，称为耐腐蚀性，简称为耐蚀性。如铁生红锈、铜生绿锈、铝生成白点等，都是金属的腐蚀现象。受周围介质的作用，自金属表面由浅到深均匀地进行腐蚀，称为均匀腐蚀。受周围介质作用，初始于金属表面而后沿金属晶体界面深入进行的腐蚀，称为晶间腐蚀。
对金属材料的腐蚀应引起足够重视，应在满足其他性能要求的同时，采取必要的防腐蚀措施。
二、抗氧化性
金属在高温下抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性，又称抗高温氧化性。
工业上用的锅炉、加热设备、燃汽轮机、喷气发动机、火箭、导弹等，有许多零部件在高温下工作，制造这些零部件的材料，就需要具有良好的抗氧化性。
5.1.3力学性能
金属材料制成的零部件总是在受力不同的环境中工作着，金属材料抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力的优劣直接影响到零部件的有效使用和寿命。因此，测定、掌握不同材料的力学性能，合理选择材料制造零部件，在实际应用中具有重要意义。
金属抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力，称为金属材料的力学性能，亦称机械性能。金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性等。
金属材料的力学性能决定于材料自身的化学成分、组织结构、冶炼质量、表面和内部缺陷等，但外在因素如载荷性质、应力状态、温度、环境介质等对金属的力学性能也有很大的影响。
一、强度和塑性
强度是指金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。根据外力的作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度。判定强度的常用依据是屈服点和抗拉强度，测定的方法是在拉伸试验过程中取得的。
拉伸试验是将标准的拉伸试样装在拉伸试验机上，用静拉伸力对试样进行拉伸，测量力和相应的伸长，直至断裂，测定其力学性能。在国家标准(GB6397—86)中，对试样的形状、尺寸和加工要求均有明确规定。
弹性极限是金属材料由弹性变形过渡到塑性变形时的应力。应力超过弹性极限时材料将开始发生塑性变形。
二、硬度
金属材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力，叫做硬度。硬度是重要的力学性能指标，它影响到材料的耐磨性。一般来说，硬度高的耐磨性也好。硬度和强度一样，也反映了材料对塑性变形的抵抗能力，强度高的材料其硬度也高。例如碳素钢、低合金钢和调质合金钢，硬度和强度的近似关系是sb=0.35HB。
硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度试验，而常用的是布氏硬度和洛氏硬度试验。
(一)布氏硬度(HB)
布氏硬度试验原理是采用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球，以一定大小的载荷F压入试样的表面，并保持一定时间后，卸除载荷，测量试样表面的压痕直径d以求出压痕的面积。计算出压痕面积上所承受的平均压力，即为试样的布氏硬度值。
(二)洛式硬度(HR)
洛式硬度试验是应用广泛的试验方法之一，和布氏硬度一样也属压痕硬度试验。但它不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度并以深度的大小表示材料的硬度。其特点是：压痕很小，几乎不伤害工件表面；对软硬材料均可测定；因为有预加初负荷，故试样表面的轻微不平度对结果的影响大小；操作十分方便。
洛氏硬度按压头类型和总试验力的不同，有A、B、C三种常用标尺，表示符号为HRA、HRB、HRC。HRA和HRC是用顶角为120℃的金刚石作为压头，用以测量较硬的材料，如淬火后的钢件；HRB是用直径为1.588毫米的钢球作为压头，用于测量较软的材料，如有色金属和退火后的钢。
在洛氏硬度中，HRC应用最广泛，一般经淬火处理的钢材、工具钢、弹簧钢等及其制成的零部件都用HRC标尺测定其硬度值。
(三)维氏硬度(HV)
维氏硬度的试验原理：它是采用一个相对面夹角为136℃的正四棱金刚石为压头，以一定的试验力压入试样的表面，保持一定时间后，卸除试验力，测量压痕对角线长度，以压痕单位表面积上所承受的平均压力表示硬度值。
在测试过程中，不用进行计算，可以根据压痕对角线长度直接从表中查出来。维氏硬度值的表示方法和布氏硬度一样。例如640HV30，表示用294.2牛(30千克力)试验力，保持10~15秒测定的维氏硬度值为640。
维氏硬度试验时所加的试验力较小，压入深度较浅，可以测量厚度较薄的材料，也可测量金属材料表面渗碳层、渗氮层的硬度。维氏硬度测定的范围比较宽，且准确性高，很软到很硬的各种金属材料的硬度都可以测定出来。
(四)肖氏硬度(HS)
肖氏硬度测试方法是利用弹性回跳原理测定金属的硬度。将质量为2.5克的钢球从254毫米的高度自由落下，撞击金属零部件表面，然后根据钢球回跳高度来确定硬度的大小，也叫回跳硬度，用符号HS表示。
一些大型零部件用其他硬度测定方法十分困难，往往用肖氏硬度测试法测试。肖氏硬度测试法所测的硬度值不够精确，但由于测试方法简单方便，容易操作，从大体上区分不同材料的硬度，在具体工作中还是经常使用的。
四、韧性
金属材料的强度、塑性、硬度等指标均是在静态载荷条件下测得的。但在实际应用中，有许多材料都是在冲击载荷条件下工作的，用静态载荷下的性能指标不能说明材料此时的力学性能。
韧性是指在冲击载荷作用下，金属材料在断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。金属的韧性通常随加载速度的提高、温度的降低、应力集中程度的加剧而减小。冲击韧性(ak)是衡量金属材料韧性的常用指标，是通过摆锤冲击试验来测定的。
五、耐磨性、蠕动性和疲劳
(一)耐磨性
是指材料在工作过程中承受磨损的耐久程度。机械零部件因磨损而使性能下降，失去原有的精度，影响机械的使用寿命。材料的耐磨性与硬度、表面光洁度、摩擦系数、载荷大小和运动速度等因素有关。为了提高材料的耐磨性，必须提高其硬度，提高表面光洁度，减小摩擦系数等。
(二)蠕动性
是指金属材料在不变负荷下，变形量随时间而慢慢地增加的现象，而且在高温条件下这种变形更加显著，这种现象称为蠕动性。发生蠕变后，机械零件的形状，尺寸均发生变化，使其在破坏之前即不能使用。所以，在高温下工作的零部件，必须考虑其蠕变强度。蠕变强度是在标准规定的试验过程中测定的。
(三)疲劳
是指金属材料及其制成的零部件在工作中，随时间受到方向、大小反复变化的交变应力作用时，尽管这种交变应力远低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹和突然断裂的过程叫做金属的疲劳。
