在選擇特定應(yīng)用的材料時(shí)，物理和機(jī)械性能是重要的考慮因素。金屬合金的物理性質(zhì)是可以測量的項(xiàng)。金屬的物理特性包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性和膨脹系數(shù)等。金屬合金的機(jī)械性質(zhì)是金屬在受到不同力作用時(shí)的表現(xiàn)。機(jī)械特性包括強(qiáng)度、延展性和耐磨性等。

一、關(guān)于材料分析

材料的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如晶粒尺寸或晶體結(jié)構(gòu))決定了其機(jī)械和物理性質(zhì)。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重新排列，機(jī)械性能可能受到加工的影響。金屬加工工藝或熱處理可能會(huì)影響一些物理性質(zhì)，如密度和電導(dǎo)率。然而，這些影響通常微不足道。

金屬的性質(zhì)如何決定其用途?機(jī)械和物理性質(zhì)是確定特定應(yīng)用中何種合金合適的關(guān)鍵因素，當(dāng)多種合金可用時(shí)。幾乎在每種情況下，工程師都會(huì)設(shè)計(jì)金屬零件，使其在一定范圍內(nèi)的物理和機(jī)械性能內(nèi)發(fā)揮作用。

許多機(jī)械性能是相互關(guān)聯(lián)的。例如，在某一方面的高性能可能伴隨著在另一方面的較低性能。例如，金屬的強(qiáng)度增加可能會(huì)犧牲延展性。因此，對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境有很好的了解將有助于選擇最適合應(yīng)用的材料。

二、材料的常見機(jī)械和物理性質(zhì)是什么?

對(duì)金屬的一些常見機(jī)械和物理性質(zhì)的描述將為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提供在選擇特定應(yīng)用的材料時(shí)的參考信息。以下是考慮的前十四種常見物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)。

1. 導(dǎo)電性

熱導(dǎo)率是衡量熱量流過材料的數(shù)量的指標(biāo)。熱導(dǎo)率較低的材料可用作絕緣體，而熱導(dǎo)率較高的材料可用作散熱器。具有高熱導(dǎo)率的金屬可用于熱交換器或制冷應(yīng)用。低熱導(dǎo)率材料可用于高溫應(yīng)用。然而，在許多情況下，高溫元件需要高熱導(dǎo)率，因此了解特定環(huán)境是重要的。電導(dǎo)率類似于熱導(dǎo)率，測量了已知橫截面和長度的材料中傳遞電量的數(shù)量。

2. 耐腐蝕性

耐腐蝕性描述了材料抵抗大氣、濕氣或其他因素的自然化學(xué)或電化學(xué)侵蝕的能力。腐蝕有許多形式，包括點(diǎn)蝕、電偶反應(yīng)、應(yīng)力腐蝕、分離、晶間腐蝕等。耐腐蝕性可以表示為一年內(nèi)腐蝕能夠滲透的最大深度(以千分之一英寸或0.001英寸為單位)。有些材料本身具有抗腐蝕性，而其他材料則從鍍層或涂層的添加中獲益。許多屬于抵抗腐蝕的家族的金屬仍然在其運(yùn)行的特定環(huán)境條件下不完全安全。

3. 密度

密度屬于金屬的物理性質(zhì)定義。密度(通常表示為每立方英寸的磅數(shù)或每立方厘米的克數(shù))描述了單位體積的合金的質(zhì)量。合金的密度將確定一定尺寸的組件的重量。在航空航天或汽車等需要重量重要的應(yīng)用中，這一因素非常重要。尋求較輕組件的工程師可能會(huì)尋找密度較小的合金，但必須考慮強(qiáng)度與重量的比值。如果提供了比較大的強(qiáng)度，則可以選擇高密度材料，例如鋼。

4. 延展性/韌性

延展性和韌性通常一起考慮。延展性是一種物理性質(zhì)，韌性是一種機(jī)械性質(zhì)。延展性是材料在不斷施加力的情況下能夠發(fā)生塑性變形(即伸展)并在去除負(fù)載后保持新形狀的能力。可以使用拉伸試驗(yàn)來測量延展性，作為延伸百分比或在失效前的樣本橫截面積減小。拉伸試驗(yàn)也可用于確定楊氏模量或彈性模量，這是許多設(shè)計(jì)計(jì)算中使用的重要應(yīng)力/應(yīng)變比。材料抵抗開裂或斷裂的傾向使得延展材料適用于其他金屬加工過程，包括軋制或拉拔。某些其他工藝，如冷加工，會(huì)使金屬的延展性降低。

韌性是一種物理性質(zhì)，描述了金屬在不斷施加壓力或壓縮應(yīng)力的情況下不斷形成的能力。具有高韌性的材料將能夠承受更大的壓力而不會(huì)斷裂。

5. 彈性/剛度

彈性描述了材料在去除變形力后恢復(fù)到其原始大小和形狀的趨勢。與表現(xiàn)出塑性的材料(其中形狀的改變是不可逆的)相反，彈性材料在去除應(yīng)力后將返回到其以前的配置。

金屬的剛度通常是通過楊氏模量來測量的，該模量比較了應(yīng)力(施加的力)和應(yīng)變(導(dǎo)致的變形)之間的關(guān)系。模量越高，即應(yīng)力導(dǎo)致的變形與應(yīng)力成比例減小，材料越剛硬。玻璃是剛性/高模量材料的例子，而橡膠是一種表現(xiàn)出低剛度/低模量的材料。這對(duì)需要承受負(fù)荷的應(yīng)用來說是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。

6. 斷裂韌性

抗沖擊性是一種材料抵抗沖擊的能力的衡量。沖擊的效果——在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的碰撞——通常大于較長時(shí)間內(nèi)傳遞的較弱力量的效果。因此，在應(yīng)用包括受到?jīng)_擊風(fēng)險(xiǎn)的情況下，應(yīng)考慮抗沖擊性。某些金屬在靜態(tài)負(fù)載下可能表現(xiàn)得尚可，但在動(dòng)態(tài)負(fù)載或遭受碰撞時(shí)可能失效。在實(shí)驗(yàn)室中，沖擊通常通過常見的夏比試驗(yàn)來測量，其中一個(gè)帶有加權(quán)擺錘的樣品被撞擊，擺錘與樣品相對(duì)位于一個(gè)機(jī)加工的V形缺口的對(duì)面。

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