金属材料导热系数

    金属的物理性能指的是金属固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。

    密度

    金属的密度是指单位体积金属的质量。其单位是kg／m3。

    密度是金属的特性之一。不同金属的密度是不同的。表1-3为常用金属的密度。大多数金属的密度都比较大，密度最大的金属是锇（22.48×103kg／m3），但有些金属的密度比较小，如钠、钾，能浮在水面上，密度最小的金属是锂（0.534×103kg／m3）。

    表1-3 常用金属的密度

    【例1-1】 有一块质量为5×10-2kg形似黄金的金属，投入盛有125×10-6m3水的量筒中，水面升高到128×10-6m3的地方，请问这块金属是纯金吗？

    解：已知金属质量 m＝5×10-2kg

    金属的体积 V＝128×10-6-125×10-6＝3×10-6（m3）

    则密度 ρ＝m／V＝5×10-2／（3×10-6）＝16.7×103（kg／m3）

    答：求得此金属密度与金的密度19.3×103kg／m3不符，故知，这块金属不是纯金。

    在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量也越大。金属材料的密度直接关系到由它制成设备的自重和效能。

    交流与讨论

    一架波音787飞机，如图1-5所示，约70％的零件是用铝和铝合金制造的。请问飞机上的零件为什么要大量选用铝和铝合金制造？

    图1-5 波音787飞机

    熔点

    金属材料从固态向液态转变的温度称为熔点。金属都有固定的熔点。合金的熔点由它们的成分决定。熔点对金属材料的冶炼、铸造和焊接是重要的工艺参数。

    工业上一般把熔点低于700℃的金属称为易熔金属，如锡（231.2℃）、铅（327.4℃）、锌 （419.4℃），可用于制造保险丝和防火安全阀等零件；熔点高于700℃的金属称为难熔金属，如钨 （3180℃）、钼 （2622℃）、钒 （1919℃），可用来制造耐高温的零件，广泛用于喷气发动机、火箭、导弹等。如图1-6和图1-7所示的温度保险丝和航空发动机分别由易熔金属和难熔金属制造。

    图1-6 温度保险丝

    图1-7 航空发动机

    导热性

    金属材料传导热量的性能称为导热性。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。

    导热性是金属材料的重要性能之一，在制定锻造、铸造、焊接和热处理工艺流程时，必须考虑金属材料的导热性，防止在加热或冷却过程中形成过大的内应力，使金属材料变形或开裂。

    导热性好的金属散热必然好，因此在制造散热器、热交换器和活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。

    问题解决

    导热性差的金属材料，加热和冷却时会产生内外温度差，导致内外不同的膨胀或收缩，易使金属材料变形或开裂。请你设计出导热性差的金属材料在加热时防止变形或开裂的方法：__________。

    导电性

    金属材料传导电流的性能称为导电性。金属大多是良好的导体，纯金属的导电性能比合金好，其中以银的导电为最好，铜、铝次之。

    导电性好的金属，如纯铜、纯铝适合于做导电材料；导电性差的金属如铁铬合金、康铜 （铜镍为主要成分的合金）适合于做电热元件。

    视野拓展

    超导材料

    1911年，荷兰科学家卡麦林昂尼斯 （Onnes）领导的科学小组发现了超导材料。超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。其主要特点：①零电阻性。超导材料处于超导态时，电阻为零，能够无损耗地传输电能。②完全抗磁性。超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。③约瑟夫森效应。两超导材料之间有一薄绝缘层 （厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。

    超导材料的优异特性向人类展示了诱人的应用前景，从它被发现之日起，就在世界各国掀起了研制、探索了超导材料的热潮，并在20世纪末取得了关键性的突破。

    热膨胀性

    金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小。

    各种金属材料的热膨胀性能不同。热膨胀性能的大小用线胀系数α1和体胀系数αv表示。线胀系数α1的计算公式如下：

    【例1-2】 有一车工，车削一根长度为1m的黄铜棒，在车削过程中黄铜棒的温度由10℃升高到30℃，这时黄铜棒的长度为1.000356m。请问该车工应怎样测量黄铜棒的尺寸，以减小测量误差？（黄铜在0℃～100℃时，α1＝17.8×10-6℃-1）

    解：已知

    代入公式

    得

    l2＝17.8×10-6×20＋1＝1.000356（m）

    答：黄铜棒在30℃的长度是1.000356m，说明车工测量工件尺寸应等冷却后再进行。

    交流与讨论

    金属工件加工过程中测量尺寸时，从热膨胀因素考虑应如何操作？

    精密测量工具 （如游标卡尺，如图1-8所示）应选用热膨胀性大的还是热膨胀性小的金属材料来制造，为什么？

    图1-8 游标卡尺

    磁性

    金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。具有磁性的金属都能被磁铁所吸引。

    对某些金属来说磁性也不是固定不变的，如铁在自然温度下是铁磁性材料，但当温度升高到770℃以上时，就会失去磁性。

    根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料。

    （1）铁磁性材料。在外加磁场中，能强烈被磁化的材料，如铁、钴、镍等。铁磁性材料的应用很广泛。可用来制造半导体的天线磁棒、录音机的磁头、电子计算机中的存储元件、校园 “一卡通”的磁性卡，以及变压器、交流发电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等。

    （2）顺磁性材料。在外加磁场中呈现十分微弱的磁性的材料，如锰、钼、铬等。

    （3）抗磁性材料。能抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料，如铜、金、银、锌等。它可用于制造避免磁场干扰的零件，如航海罗盘、航空仪表和炮兵瞄准环等。

    练习与实践

    一、填空题

    1.油罐车行驶时罐内石油震荡产生静电，易发生火险。因此，油罐车的尾部经常有一条铁链拖到地面上，这是利用了铁的__________性。

    2.铁和铝都可以用来制作炊具，这是利用了铁和铝的__________性。

    二、判断题 （下列说法你认为对的打√，错的打×）

    1.与钢铁材料相比，制造相同体积的机械设备，选用铝合金能有效减轻设备自重。（ ）

    2.精密测量工具通常选用热膨胀系数较大的材料制造。 （ ）

    3.金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。 （ ）

    4.铁为磁性材料，它在任何温度下磁性都不会改变。 （ ）

    5.钨、钼、钒为难熔金属，可用来制造耐高温零件，如喷气发动机、火箭、导弹等。（ ）

    三、简述与实践题

    1.银的导电性比铜和铝好，为什么电线一般用铜或铝制而不用银制？

    2.一枚硬币中间钻了一个孔，如果将硬币加热，孔径是变大还是变小？有人说：“金属受热后膨胀，有孔的地方挤小了。”这种说法对吗？