金属材料物理化学性能全解
常见金属的物理和化学性质
常见金属的物理和化学性质金属是一类重要的材料，是指在常温下具有金属光泽、良好导电导热性和延展性的化学元素或合金。
常见的金属有铁、铜、铝、锡、铅、锌、镁、钠等。
这些金属在工业生产和日常生活中有广泛应用。
本文将着重探讨常见金属的物理和化学性质。
一、铁铁是最常见的金属之一，铁元素主要存在于地球的地壳上，占地壳的5%。
铁具有很高的熔点和沸点，熔点为1535℃，沸点为2750℃。
铁是一种有磁性的金属，它可以被磁化，可以吸附磁性颗粒。
铁的化学性质非常活泼，与空气、水和酸反应迅速产生氧化物。
除了常见的氧化反应，铁还可以与卤素等其他元素进行反应，生成金属卤化物。
铁可以减少其他金属的氧化性，因此可以用于制造其他金属的还原剂。
铁的最重要的合金是钢，钢是铁和碳的合金，主要由铁、碳和少量的其他元素组成。
钢是工业生产中非常重要的金属材料之一，由于其物理和化学性质的优异表现，被广泛应用于建筑、机械、汽车和电力等领域。
二、铜铜是第三周期的一种化学元素，它具有良好的导电、导热、延展性和韧性，是一种非常重要的传导性金属。
铜的化学性质较为活泼，与氧、硫、卤素等元素可以反应生成不同的化合物。
铜最重要的合金是黄铜，黄铜是铜和锌的合金，有良好的加工性能和装饰性。
黄铜被广泛应用于制造电器、家具、钟表、乐器等领域。
三、铝铝是第三周期元素，具有低密度、高强度、良好的导电、导热、耐腐蚀等特点，被称为“工程金属”。
铝是不磁性金属，具有良好的反射性和导电性，在光学和电子领域有广泛的应用。
铝的化学性质相对较稳定，与氧、硫等元素反应较弱。
与氯化物等元素反应时会生成反应产物，铝是很强的还原剂。
铝的合金应用范围非常广泛，铝合金材料可以用于航空、汽车和船舶制造等领域，其轻质、高强度的优势非常明显。
四、锡锡是一种白银色的金属，具有良好的延展性、弹性和耐腐蚀性。
锡在室温下能与氧气、水和酸反应，形成锡的氧化物和盐类。
锡的化学性质较为活泼，在一定程度上可以与其他金属和非金属形成合金。
1 金属材料的主要性能解析
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ak不能直接用于强度方面计算，但可作为鉴
影响ak因素:材料的化学成分、显微组织、试 样的表面质量、热处理工艺以及试验温度等。
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动画 冲击试验
27
Titanic沉没原因
——含硫高的钢板， 韧性很差，特别是在低温 呈脆性。所以，冲击试样 是典型的脆性断口。近代 船用钢板的冲击试样则具 有相当好的韧性。
一、金属材料的主要性能
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1
金属材料具有许多的可贵的性能，一般分为两大类：
使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
工程材料的性能
铸造性能 可锻性能 工艺性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性工艺性
2
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金属材料的主要性能
1.使用性能 ――反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。
包括： 力学性能： （强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等） 物理性能： （密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性等） 化学性能： （抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧化等
2. 工艺性能 ――反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。
包括：铸造特性、压力加工特性、焊接特性、热处理特性、切削加工 特性等。 在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首先考虑金属材料的 使用性能，而在使用性能中，又主要以力学性能（机械性能）为主，因 此作为本章讨论的重点。
Titanic
一项新的科学研究回答了80年未解之谜
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
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金属材料的主要性能—疲劳强度
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4、疲劳强度σr，N（交变载荷）
定义： 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。 承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往 在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 钢材的循环次数一般取 N = 107;有色金属的循环次数一般取 N = 108 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1 = (0.45～0.55)σb
金属材料的主要性能(共11张PPT)
无机非金属材料（陶瓷…
0
布氏硬度 Brinell Hardness （HB ）
35HRC～38HRC
用于测量有色金属、退火或正火钢件 、灰铸铁材料。
l 洛氏硬度 Rockwell Hardness (HR) 强度与塑性是应由变拉伸: 试验获得
l 而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。
抵抗各种介质侵蚀的能力。
5、疲劳强度 1 fatigue strength
疲劳强度（疲劳极限）——在周期性或非周期性动载 荷（疲劳载荷）作用下，零件材料在无数次循环载荷 作用下不致引起断裂的最大应力。
疲劳应力值往往大大低于材料的强度极限值。
第九页，共11页。
二、金属材料的物理性能： （一）密度 （二）热学性能
⒈ 熔点；⒉ 热容；⒊ 热膨胀；⒋ 热传导 （三）电学性能
第七页，共11页。
洛氏硬度 Rockwell Hardness (HR)
原理是用顶角为120°的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为压头，在规定的载荷压力作用下，
压入材料表面，在指示盘上显示出硬度值大小。 常用的是用符号 HRC 表示。
注： 1、数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC～38HRC 2、HRC适用范围数值20～70；小于或大于这个范围均 为标注错误！如17HRC；75HRC；HRC=15～19等。
韧性——金属在断裂前吸收变形能量的能力。韧性的判断依据是通过冲击实验来测定，通常采用
摆锤式冲击试验机测定。
摆锤式一次冲击实验 GB229—94规定：将材料制成带有V型缺口标准冲击试样。
aK
响，比较复杂，所以冲击 值一般只作为选择材料的参考，不直接用于强度计算。
⒈ 电阻率ρ ；⒉ 电阻温度系数；⒊ 介电性 （四）磁学性能
铜的物理化学性质
铜的物理化学性质铜是一种常见的金属元素，具有许多独特的物理化学性质。
本文将围绕铜的导电性、热传导性、化学稳定性以及其他一些重要的性质展开讨论。
电导性铜是一种极好的导电材料，具有出色的电导性能。
它是金属中最常用的导电材料之一，也被广泛应用于电气工程和电子行业。
铜以其低电阻和良好的导电性能而闻名。
热导性铜不仅具有优良的电导性，而且还具有良好的热导性。
它是导热性最高的金属之一，与银相比仅次于银。
因此，铜经常被用作热交换器、散热器等高温设备的材料。
化学稳定性铜具有相对较高的化学稳定性，能够在常见的环境条件下保持其物理化学性质。
然而，铜在接触空气、水和一些酸性物质时会发生氧化反应，形成铜氧化物。
这个氧化层可以保护铜免受进一步腐蚀。
抗腐蚀性由于铜的化学稳定性，它表现出优异的抗腐蚀性能。
相对于其他金属，铜具有良好的耐蚀性，能够抵御许多腐蚀介质的侵蚀。
因此，铜被广泛应用于制造耐用的水管、屋顶材料和海洋设备等。
光反射性铜具有良好的光反射性能，因此常用于制作镜面和表面反射器。
铜的金属光泽使其在艺术品和装饰品方面得到广泛应用。
可塑性铜是一种非常可塑的材料，容易被锻造、拉伸和压延成各种形状和尺寸。
这使得铜被广泛应用于制造各种金属制品，如线材、管道、电缆和电线。
磁学性质一般情况下，铜是非磁性材料。
这意味着铜不受磁场的影响，不能吸引其他磁性物质。
高温稳定性铜具有较高的熔点和较低的蒸汽压，因此在高温环境下仍能保持其物理化学性质。
这使得铜成为许多高温应用领域的理想材料，如航空航天、核能和燃气领域。
总结铜是一种具有优异物理化学性质的金属材料。
它具有出色的导电性、热导性和化学稳定性。
铜还具有抗腐蚀性、光反射性、可塑性和高温稳定性。
这些特性使得铜在各个领域都有广泛的应用，包括电子、电气、建筑和工业等。
在实际应用中，我们需要充分理解和利用铜的物理化学性质，以优化铜的应用效果并提高产品的性能和可靠性。
金属的物理化学性质
金属的物理化学性质金属是一类具有特定物理化学性质的化学元素。
它们在常温下呈固体状态，具有良好的导电性、导热性和延展性。
此外，金属还表现出良好的机械性能和光亮度。
本文将详细讨论金属的物理化学性质，包括导电性、导热性、延展性、机械性能和光亮度。
一、导电性金属的导电性是金属的重要特性之一。
金属中的自由电子能够在金属晶格中自由运动，从而使得金属可以传导电流。
由于自由电子的存在，金属能够迅速传导电能，并且具有低电阻。
这也是为什么大部分电线和电缆都采用金属导体的原因之一。
二、导热性金属的导热性也是其重要的物理性质之一。
金属中的自由电子在受到热能激发后会迅速传播，从而使得金属能够有效传导热能。
因此，金属通常用于制造散热器、锅具等能够快速传热的器件。
此外，金属的导热性还对其在高温高压下的应用具有重要意义。
三、延展性金属的延展性是指金属可以在受力作用下发生塑性变形而不破裂的性质。
由于金属具有较高的结晶点和熔点，其晶格结构比较稳定，使金属离子或原子之间的键更加牢固。
因此，在受力作用下，金属的原子或离子可以相对容易地滑动和重新排列，而不会发生断裂。
这使得金属在制造工业中具有广泛的应用，如铁制品、铝制品等。
四、机械性能金属的机械性能包括刚性、强度和韧性等方面。
金属的晶体结构使其具有较高的刚性，能够抵抗外部的应力和变形。
同时，金属的离子或原子之间的金属键使其具有较高的强度，能够承受外部的拉伸和压缩应力。
此外，金属还具有较高的韧性，即在受力作用下仍可以变形而不断裂。
这些特性使金属成为制造材料中不可或缺的一部分。
五、光亮度金属具有较高的反射强度和独特的光亮度。
金属表面能够反射大部分光线，使其具有较高的反射率。
这也是为什么金属制品通常具有明亮表面的原因之一。
此外，金属还能够通过特定的处理方法，如抛光和电镀，增加其表面的光亮度，使其更具吸引力。
总结：金属的物理化学性质使其在科学研究、制造业和日常生活中具有广泛的应用。
导电性和导热性使金属成为优质的导体材料，广泛应用于电子、电力和通信等领域。
金属材料的性能
2.抗氧化性 金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力 。
3.化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。
三1 金属材料的力学性能
1.力学性能:
金属材料在外力作用下所表现出来的性能称为力学性能。
2.载荷：
拉伸过程
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
②塑性 δδ
金属材料在静载荷作用下，产生永久变形 而不破坏的能力称为塑性。
常用的塑性指标： 延伸率（δ）和断面收缩率（ψ）。
塑性 ：材料在载荷作用下，产生塑形变形而不被破坏的能力。
1.断后伸长率
断后伸长率是指试样拉断后，标距的伸长量与原标距长
度的百分比，用符号δ表示。
δ=
L1-L0 L0
L0—试样的原始标距（mm）
2.断面收缩率
L1—试样拉断后的标距（mm）
断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩
减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。
ψ=
S1-S0 S0
S0—试样的原始横截面积（mm2） S1—试样拉断后的横截面积（mm2）
裂纹扩展的基本形式
1943年美国T-2油轮发生
北
断裂
极 星
导
弹
⑤疲劳强度
• 材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。
材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的 最大应力称为疲劳极限。用-1表示。
钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
疲劳应力示意图
疲劳曲线示意图
疲劳断口
式中：HBS(HBW) ——淬火钢球（硬质合金球）试验的布氏硬度值 Ｆ —— 试验力（N）； d —— 压痕平均直径（mm）； Ｄ —— 淬火钢球（硬质合金球）直径（mm）。
1.金属材料的性能
课外小知识： 1、金属的特性(密度、熔点、硬度等)
物理性质 物理性质比较
银 铜 金 铝 锌 铁 铅 100 99 74 61 27 17 7.9（良） （优） 铅 银 铜 铁 锌 铝 （小） 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70 金 银 1064 962 金 铝 660 铝 锡 232（低） 铅
1.1金属材料的物理性能和化学性能
载荷是指零件或构件工作时所承受的 外力。 载荷的分类: 不随时间变化或变化较缓慢的载荷 称为静载荷， 如重力，锅炉中的压力，螺栓拧紧后 载 荷 受到的拉力; 随时间变化的栽荷称为冲击载荷， 如内燃机活塞杆受到的力，机器中的 齿轮受到的力等。 在工作过程中受到大小、方向随时 间呈周期性变化的载荷作用，这种载 荷称为交变载荷。 有许多机械零件，如轴、齿轮、连杆 和弹簧等，
1 耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他 化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀 性。 常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。 2 抗氧化性 金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧 化性。 金属材料在加热时，氧化作用加速，
3 化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗 氧化性的总称。 热稳定性 金属材料在高温下的化学 稳 定性。 制造在高温下工作的零件的 金属材料，要有良好的热稳定性。
一、金属材料的物理性能
2.熔点 定义 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１５ ３８ ℃。 分类 低熔点金属——熔点低于 １０００ ℃， 中熔点金属——熔点在１０００～２０００ ℃， 高熔点金属——熔点 高于２０００ ℃。
金属材料的性能
金属材料的性能首先，金属材料的性能指其在特定条件下的物理、化学、力学、热学等方面的表现。
常见的金属材料有钢、铝、铜、镁、锌等。
下面就这些金属材料的性能作一简要介绍。
1. 钢钢是一种铁碳合金，具有高强度、耐热、耐腐蚀、机械加工性好等优点。
其主要特点是硬度高、弹性模量大、面心立方结构等。
但是，钢的铁含量高，易生锈，而且它的塑性和韧性较差，容易产生脆性断裂。
此外，由于不同钢材的化学成分、热处理状态和制造工艺不同，其性能会有所差异。
2. 铝铝是一种轻质、耐腐蚀的金属，密度低、导热性能好、可加工性强等。
铝的主要特点是具有高强度、低密度、良好的导热性和电导率等。
此外，铝的表面可以通过氧化、着色等特殊处理而获得不同的颜色和变化，达到美化和抗氧化的作用。
但是，铝的强度和刚度相对较差。
3. 铜铜是一种传统金属材料，具有高导电性、高热导性、良好的导磁性、良好的加工性等。
它的主要特点有良好的导电性、导热性和塑性等，具有优异的可加工性和冲压性。
但是，铜的密度较大、强度较低，容易氧化和变形。
4. 镁镁是一种轻金属，密度轻、强度高、刚度高，具有良好的加工性和耐腐蚀性等优点。
其主要特点是密度低，强度高，具有良好的刚性和韧性，能耐受高温，而且具有良好的可塑性和可加工性等。
但是，在常温下易受到腐蚀，所以需要进行特殊的表面处理。
5. 锌锌是一种富含金属，密度小、耐腐蚀、防氧化，满足了先进电子工业、新型材料和化学工业的需要。
其主要特点是耐腐蚀、良好的可加工性和防护性等。
但是，锌易受到热膨胀和浸蚀，环境因素、温度、湿度等因素都会影响锌的性能。
综上所述，除了同属于金属材料之外，不同的金属材料具有不同的物理、力学、化学等性能，在应用过程中必须仔细考虑各自的长处和短处，选用合适的材料。
同时我们也可以以不同的方式替代问题所在的金属材料，因为新的技术发展出了许多在不同环境中耐腐蚀、更加轻便、性能更好的材料。
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金属材料在加热时，氧化作用加速，
金属与氧气的反应
常温下 高温下
反应式
镁或铝 铁或铜
可反应 不反应
耀眼白光 可反应
2Mg + O2 =点=燃2MgO 4Al + 3O2 =点=燃 2Al2O3
3Fe + 2O2 =点=燃Fe3O4 2Cu + O2 =△= 2CuO
一、物理性能
• 金属所固有的性能，包括密度、熔点、导 热性、导电性、热膨胀性、磁性
这些东西有哪些相似的物理性质？
用途
铁制造炊具 铜制成导线
物理性质
导热性 导电性
性质在很大程度上决定物质的用途，但还需考虑价格、 资源、美观、使用是否便利、回收、环境影响等因素
一、金属材料的物理性能
• 1. 密度 定义 金属的密度即是单位体积金属的质
银
熔点最大的金属
钨
熔点最低
汞
3、金属活动性顺序
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au 钾钙 钠 镁 铝锌 铁 锡 铅 氢铜 汞 银 铂金
什这 么是
一、金属材料的物理性能
• 5 .导电性 • 定义 金属材料传导电流的性能称为导电性。
银为最好，铜、铝次之，
• 用途 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。
一、金属材料的物理性能
• 6磁性 定义 金属导磁的性能称为磁性。
课外小知识： 1、金属的特性(密度、熔点、硬度等)
物理性质
物理性质比较
导电性（以
银 铜 金 铝锌 铁 铅
银的导电性为100 作标准）
（优）100
99
74 61
27 17 7.9 （良）
密度
金铅银铜铁锌铝
（g·cm ） -3 （大） 19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70（小）
• 2.熔点 定义 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 ℃。 分类 低熔点金属——熔点低于 １０００ ℃， 中熔点金属——熔点在１０００～２０００ ℃， 高熔点金属——熔点 高于２０００ ℃。
熔点(℃)
钨
（高）3410
铁
1535
铜金
1083 1064
银
962
铝
660
锡
232 （低）
硬度（以金
铬铁
刚石的硬度为10 （大） 9 4~5
作标准）
银
2.5~4
铜金
2.5~3 2.5~3
铝铅
2~2.9 1.5 （小）
2、金属之最
地壳中含量最高的金属
铝
人体中含量最高的金属
钙
世界年产量最高的金属
铁
导电导热性最好的金属
铁磁性材料 铁、钴， 无磁性或顺磁性材料 锰、铬、铜、锌。 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。
• 用途 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。
讨论并回答下列问题：
1、银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜而不 用银制？
结论：许多金属都能与氧气反应，生成氧化物
思考： 1、有没有特例？ 有，金、银例外；
2、为什么我们看过铁生锈，而பைடு நூலகம்看过
铝生锈呢？ 注意:
铝在空气中与氧气反应生成致密的 氧化铝薄膜,阻止反应进一步发生。
• 钢材在锻造、热处理、焊接等加热作业 时，会 发生氧化和脱碳，造成材料的损耗 和各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时， 常在其 周围形成一种还原气体或保护气体， 以避免金属材料的氧化。 3 化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗 氧化性的总称。
1-2 金属材料的性能
• 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。
量，其单位为ｋｇ／ｍ3。 分类 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 .5 ｇ／ｃｍ3 的金属叫做轻 金属， 如铝，钛等。
密度大于4 .5 ｇ／ｃｍ3 的金属叫做重 金属， 如铜，铁等。
一、金属材料的物理性能
• 用途 在航空业和汽车业中，为增加有效 载重，需考虑密度
一、金属材料的物理性能
一、金属材料的物理性能
• 4.热膨胀性 定义 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。
线膨胀系数αl 铁在 0-100℃时 αl=11.76×10－6/℃
用途 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。
• 用途 熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制 合 金等都很重要。
• 易熔金属——熔断器，防火安全阀
• 难熔金属——耐高温零件，如飞船外壳、 火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等耐高 温零件
一、金属材料的物理性能
• 3.导热性 定义 金属材料传导热量的能力称为导热性。 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。 用途 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。
• 热稳定性 金属材料在高温下的化学 稳
定性。
制造在高温下工作的零件的
金属材料，要有良好的热稳定性。
常见金属性能比较
金属
熔点 ℃
密度 导电性 磁性 化学性能 g/cm3 导热性
铁
1538 7.8 银
室温 铜的耐蚀
铜
铁钴 性优于钢
镍
在碱性中 优于铝
铜
1083 8.9 铝
铝
660 2.7 铁
铁的化学 性能活泼
2、为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？如果 用锡制的话，可能会出现什么情况？
二、金属材料的化学性能
• 金属材料的化学性能是指金属在化学作 用下所表现的性能。
• 1 耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他
化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀 性。 • 常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。 • 2 抗氧化性