合金的机械性能和物理性能有何不同?

在选择特定应用的材料时，物理和机械性能是重要的考虑因素。金属合金的物理性质是可以测量的项。金属的物理特性包括密度、熔点、导电性和膨胀系数等。金属合金的机械性质是金属在受到不同力作用时的表现。机械特性包括强度、延展性和耐磨性等。

一、关于材料分析

材料的化学成分和内部结构(如晶粒尺寸或晶体结构)决定了其机械和物理性质。由于内部结构的重新排列，机械性能可能受到加工的影响。金属加工工艺或热处理可能会影响一些物理性质，如密度和电导率。然而，这些影响通常微不足道。

金属的性质如何决定其用途?机械和物理性质是确定特定应用中何种合金合适的关键因素，当多种合金可用时。几乎在每种情况下，工程师都会设计金属零件，使其在一定范围内的物理和机械性能内发挥作用。

许多机械性能是相互关联的。例如，在某一方面的高性能可能伴随着在另一方面的较低性能。例如，金属的强度增加可能会牺牲延展性。因此，对产品的环境有很好的了解将有助于选择最适合应用的材料。

二、材料的常见机械和物理性质是什么?

对金属的一些常见机械和物理性质的描述将为产品设计师提供在选择特定应用的材料时的参考信息。以下是考虑的前十四种常见物理性质和机械性质。

1. 导电性

热导率是衡量热量流过材料的数量的指标。热导率较低的材料可用作绝缘体，而热导率较高的材料可用作散热器。具有高热导率的金属可用于热交换器或制冷应用。低热导率材料可用于高温应用。然而，在许多情况下，高温元件需要高热导率，因此了解特定环境是重要的。电导率类似于热导率，测量了已知横截面和长度的材料中传递电量的数量。

2. 耐腐蚀性

耐腐蚀性描述了材料抵抗大气、湿气或其他因素的自然化学或电化学侵蚀的能力。腐蚀有许多形式，包括点蚀、电偶反应、应力腐蚀、分离、晶间腐蚀等。耐腐蚀性可以表示为一年内腐蚀能够渗透的最大深度(以千分之一英寸或0.001英寸为单位)。有些材料本身具有抗腐蚀性，而其他材料则从镀层或涂层的添加中获益。许多属于抵抗腐蚀的家族的金属仍然在其运行的特定环境条件下不完全安全。

3. 密度

密度属于金属的物理性质定义。密度(通常表示为每立方英寸的磅数或每立方厘米的克数)描述了单位体积的合金的质量。合金的密度将确定一定尺寸的组件的重量。在航空航天或汽车等需要重量重要的应用中，这一因素非常重要。寻求较轻组件的工程师可能会寻找密度较小的合金，但必须考虑强度与重量的比值。如果提供了比较大的强度，则可以选择高密度材料，例如钢。

4. 延展性/韧性

延展性和韧性通常一起考虑。延展性是一种物理性质，韧性是一种机械性质。延展性是材料在不断施加力的情况下能够发生塑性变形(即伸展)并在去除负载后保持新形状的能力。可以使用拉伸试验来测量延展性，作为延伸百分比或在失效前的样本横截面积减小。拉伸试验也可用于确定杨氏模量或弹性模量，这是许多设计计算中使用的重要应力/应变比。材料抵抗开裂或断裂的倾向使得延展材料适用于其他金属加工过程，包括轧制或拉拔。某些其他工艺，如冷加工，会使金属的延展性降低。

韧性是一种物理性质，描述了金属在不断施加压力或压缩应力的情况下不断形成的能力。具有高韧性的材料将能够承受更大的压力而不会断裂。

5. 弹性/刚度

弹性描述了材料在去除变形力后恢复到其原始大小和形状的趋势。与表现出塑性的材料(其中形状的改变是不可逆的)相反，弹性材料在去除应力后将返回到其以前的配置。

金属的刚度通常是通过杨氏模量来测量的，该模量比较了应力(施加的力)和应变(导致的变形)之间的关系。模量越高，即应力导致的变形与应力成比例减小，材料越刚硬。玻璃是刚性/高模量材料的例子，而橡胶是一种表现出低刚度/低模量的材料。这对需要承受负荷的应用来说是一个重要的设计考虑因素。

6. 断裂韧性

抗冲击性是一种材料抵抗冲击的能力的衡量。冲击的效果——在短时间内发生的碰撞——通常大于较长时间内传递的较弱力量的效果。因此，在应用包括受到冲击风险的情况下，应考虑抗冲击性。某些金属在静态负载下可能表现得尚可，但在动态负载或遭受碰撞时可能失效。在实验室中，冲击通常通过常见的夏比试验来测量，其中一个带有加权摆锤的样品被撞击，摆锤与样品相对位于一个机加工的V形缺口的对面。

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