本文中,我们将讨论金属材料的物理,化学和力学性能.金属材料的性能很多,不同的使用要求和使用环境,具有相应的性能要求.对于做靶材的材料人来说,具体需要了解的有以下几个重要部分:
金属材料的物理性质
这些特性主要是指熔点,导电性,导热性,密度,耐腐蚀性,磁特性等.
熔点,金属材料在缓慢加热的条件下,由固态开始熔化为液态时的温度,叫该金属的熔点,单位为摄氏度(℃).工业上常用的金属中,锡的熔点最低,为.9℃,而钨的熔点最高,为℃,纯金属有固定的熔点.但大多数合金材料在熔化时,取决于它的成分.比如,铁碳合金,含碳量不同熔点也不同,即它们没有一个固定的熔点.掌握各种金属材料和合金的熔点,对我们金属和合金靶材的熔炼铸造具有很大的影响,并因此影响其应用.
导电性,是金属材料传导电流的能力.衡量金属材料导电能力的指标是电导率.电导率愈大,其导电性能就愈好.导电性以银最好,其次是铜和铝.金属材料的导电性还与温度有关.合金的导电性一般比纯金属差.当材料的横截面积及其他条件相同时,金属的导电性愈好,则电流通过时产生的热量就愈小,因而在输电过程中的电能损失就较小.金属中银的导电性最好,其次是铜铝.
导热性,用烙铁举例.木柄导热系数低,可抵抗热能流动;钻头是由铜制成的,它是良好的热导体,因此可以使存储在其中的热能容易地向下传播到尖端并进入被焊接的工件.这种,金属传导热量的能力叫导热性,导热性能的优劣一般用导热系数来表示金属材料,导热系数又称热导率;金属的导热性愈差,其加热或冷却时,部件表面和内部的温度差就愈大,由此产生的内应力就愈大,就愈易发生裂纹.一般来说,导电性好的材料,其导热性也好.银的导热性最好,其次是铜和铝.
密度,定义为材料每单位体积的质量;国际单位制和中国法定计量单位中,密度的单位为kg/m3;相对密度是材料密度与4°C以下水的密度相比.
密度和相对密度的公式为:
密度(ρ)=质量(m)/体积(V)
相对密度(d)=材料密度/纯水在4°C的密度
利用密度的概念可以解决一系列实际问题,如计算毛坯的质量、鉴别金属材料等.
热膨胀性,就是金属升高温度时体积发生胀大的现象称为金属的热膨胀.衡量热膨胀性的指标称为热膨胀系数,热膨胀系数是指金属温度每升高1℃所增加的长度度与原来长度的比值.例如,在靶材的焊接绑定过程中,被焊的工件由于受热不均匀而产生不均匀的热膨胀,就会导致焊件的变形和焊接应力.
导磁性,金属被磁化或被磁力吸引的性能称为磁性.根据这种性能的不同,通常将金属材料分为铁磁材料、顺磁材料和逆磁材料三种.铁磁材料有铁、钴、镍等,它们在外磁场中能强烈被磁化.顺磁材料有锰、铬、钨、钼等,它们在外加磁场中只是微弱地被磁化.逆磁材料有铜、锡、铅、锌等,它们能抗拒或削弱外加磁场对材料本身的磁化作用.镀膜工业上应用较多的铁磁材料,需要考虑磁场屏蔽问题,尽量提高透磁率以满足溅射要求.
金属材料的化学性能
金属材料在室温或高温下,抵抗介质对它化学浸蚀的能力,称为金属材料的化学性能;金属材料的化学性能一般包括抗腐蚀性和抗氧化性等.
抗氧化性,是指金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力.
耐腐蚀性,金属材料抵抗各种介质(大气、酸、碱、盐)浸蚀的能力称为抗腐蚀性.钽、铌等金属材料在这方面有突出表现,钽靶材溅射镀膜后能起到耐腐蚀作用,保护膜层的表面.
金属材料的力学性能
力学性能是指金属在外力作用,抵抗塑性变形和断裂的能力,金属材料的力学性能包括强度、屈服点、抗拉强度、延伸率、断面收缩率、硬度、冲击韧性等.
强度,材料在外力(载荷)作用下,抵抗变形和断裂的能力.材料单位面积受载荷称应力.
屈服点(σs),称屈服强度,指材料在拉抻过程中,材料所受应力达到某一临界值时,载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L.时应力值,单位用牛顿/毫米2(N/mm2)表示.材料的屈服点是机械设计的主要依据之一,是评定金属材料质量的重要指标.
抗拉强度(σb)也叫强度极限,指材料在拉断前承受最大应力值.单位用牛顿/毫米2(N/mm2)表示.如铝锂合金抗拉强度可达.5MPa.
延伸率(δ),金属材料在拉伸断裂后,总伸长与原始标距长度的百分比.工程上常将δ≥5%的材料称为塑性材料,如常温静载的低碳钢、铝、铜等;而把δ≤5%的材料称为脆性材料,如常温静载下的铸铁、玻璃、陶瓷等.
断面收缩率(Ψ),金属材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比.
冲击韧性(αk),金属材料抵抗冲击载荷的能力,单位为焦耳/厘米2(J/cm2).用公式表示:
αk=Ak/F(J/cm2)
Ak---冲击试样所消耗的功,J;F---试样断口处横截面积,cm2.αk值越大,材料的韧性越好,在受到冲击时不容易断裂;反之,越大脆性.金属材料的冲击韧度、与温度有关,温度越低,冲击韧度值越小.
硬度，指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度(HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）；在生产中常用的是布氏硬度和洛氏硬度，维氏硬度试验是用来测定显微组织的硬度。