浅谈金属材料的组织与性能的关系

时间：2024-10-27

吴杰钊

（大连民族大学，辽宁大连 116602）

金属的组织结构性能能够影响到金属的性能，它是通过对金属材料进行内部结构的调节，从而调控材料的各项性能。

1 金属材料的分类与简介

1.1 黑色金属材料

含有锰、铬、铁三种金属元素的金属材料都被称为黑色金属材料，例如碳钢、精密合金等，黑色金属材料在金属材料中是应用最为广泛的一种，主要用于建筑工程行业的支撑和奠基材料，这个过程的应用是不可缺少的。进行对黑色金属材料的创新和开发能够迅速推动建筑行业的发展，它的整体产量在所有金属材料中大约占95%。在这通过对铁元素为基础材料进行举例，按照含碳量把金属材料分为三类，第一类是纯铁，并不是100%的铁元素材料，可能会达到99%以上的含铁量，不会超过0.02%的含碳量，在工业上，纯铁又被称为熟铁，纯铁一般情况下会呈现银白色光泽，而且纯铁属于软质金属，所以纯铁不能用于制造刀具等这一类硬度较大的金属工具。第二类是钢材，它的含碳量在0.03%～2%之间，它是合金材料。钢材和纯铁的差别就是钢材中的含碳量较多，但它的强度也会更高，这类钢铁材料冶炼和操作比较简单，大多数金属制品的材料主要就是钢铁。第三种是铸铁，这是一种含碳量在2%～4.3%的金属材料，由于它的含碳量比较高，品质又硬又脆，但是对比之前两种金属材料铸铁的抗压能力和耐磨性都比较高。结合以上说法，含碳量能够在金属材料组织结构中发挥着重要的作用[1]。

1.2 特种金属材料

日常生活中，除了之前提到的两大类金属材料，另外还有一种特种金属材料，它是具有较为特殊的结构和特殊的性能，但极少应用到它，其中，准晶体、非晶态和纳米级晶态等都是特种金属的材料，它的应用主要出现在前沿科技产品里。如今，这种特种金属材料应用范围还是较小，还正在研究开发中。

1.3 有色金属材料

有色金属材料包括狭义的有色金属和广义的有色金属，铁、铬锰除外的其他金属都是狭义的有色金属，各种有色金属合金被称为广义的有色金属。在当今时代中，对于新科技设备来说，它们对于金属的性能要求比较特别，虽然有色金属材料的生产量和使用量都较少，但是许多新产品的功都离不开有色金属的使用。在全球范围内，有色金属与黑色金属相比储量差距巨大，所以有色金属材料只会被应用在特殊的工业制品当中。其中有色金属材料主要分为轻金属、重金属、半金属、贵金属、稀土金属和稀有金属。有色金属材料比黑色金属材料加工制造难度更大，所以在平时的生活当中的用途比较少。一般只有在导弹、卫星、潜艇和雷达等特殊产品的制造中才会用到有色金属材料。

2 金属材料组织结构和使用性能之间的关系

在使用金属材料的时候，它表现出来的一种性能是对于金属材料使用性能，其中它包含了力学性能，物理性能以及化学性能，实用性能决定了金属材料的应用环境和使用时间[2]。

2.1 对物理性能的影响

由于不同的外界条件，金属材料就会展现出不同的物理性能，所以就限制了使用范围。这里以钢材来举例说明，在1538℃的温度下，就会从固态转化为液态，物理性能也会随着状态的变化而改变。众人周知，金属的导热性良好，其中银的导热性是最强的，但是价格相对高，所以通常会采用铜、铝等材料来代替。而且，由于这些材料具有良好的散热性，因此可以用作散热片使用。此外，金属材料具有热胀冷缩的功能，由于经常在温度高、强度大的环境中进行使用，可能使用效果就会被影响，比如在精密仪器中使用，就要选择胀缩性小的材料。铁碳合金由于本身的耐热性能低下，如果混合镍元素使用，耐热性能就会有一定程度的提升。

2.2 对力学性能的影响

金属材料在承受外界荷载时就会体现出相应的力学性能。以铁碳合金为举例说明，其中包含五中基本组织，不同组织它的力学性能也会各不相同：①铁素体，铁元素韧性和塑性比较强，但是强度和硬度却比较低；②奥氏体，不仅强度和硬度比较高，而且有良好的塑性，经常用于压力加工法；③渗碳体，铁和碳的化合物，不仅有比较高的硬度，而且也有很大的塑性；④珠光体，铁元素和渗碳体结合而成，所以力学性能也处于两种元素之间；⑤莱氏体，由奥氏体和渗碳体组成，虽然莱式体硬度比较大，但是塑性比较差。可以看出，相同的元素之间如果组织结构不相同，那么力学性能也会有所差别。铁碳合金中，碳元素的含量大，就会提高强度和硬度，韧性和塑性就会随之降低；碳元素的含量小，就会降低强度和硬度，从而就会增加韧性和塑性。在加工工艺上看，通常会使用加热法、冷拉法对其进行处理，使得改变金属材料的组织结构，从而相应的力学性能也会随着组织结构的改变而变化。

3 金属材料组织与工艺性能之间的关系

3.1 与切削性能的关系

金属材料的切削性能指的是切削加工操作的难易过程。从字面意思上来看，这一性能在对材料硬度上有着一定程度的影响，其实与组织状态也有着密切的关系。一般情况下，材料的硬度越高，切削加工难度就越大，但是光洁度就会越高；相反如果材料硬度低，切削加工也会更容易，相对的光洁度就会越差。工业生产的过程中，想要改变材料的切削性能，经常会使用的是热加工的方法。例如低碳钢来说，要想使材料的硬度提高要采取正火和冷波的处理方式，从而使材料的硬度有一定程度上的提高；如果对碳钢使用退火的方式，就可以使切削水平提升；但是通过退火的方式处理高碳钢，硬度就会在一定程度上有所降低。

3.2 金属材料组织与铸造性能之间的关系

把熔融金属加添到铸型当中，从而使其充分冷却并凝固所得到的需要尺寸的铸件的过程就是金属铸造。什么是合金的铸造性能，指的是合金铸造成型而得到的优质铸件的难易程度，通常用流动性和收缩性来权衡这一性能，其中纯金属材料和共晶合金的流动性相对较好，则容易使缩孔形成。通常来说能对金属材料铸造性能产生影响的在于金属材料冷却凝固后组织的均匀与否，内部组织不均匀致使铸件存在的性能差异就会比较大，从而不仅使得铸件的质量差，而且会存在一定的安全隐患[3-6]。

3.3 金属材料组织与焊接性能之间的关系

被焊金属在固定的焊接条件下所得到的优质焊接接头的难易程度就是金属材料的焊接性能。对于碳钢焊接性能的好坏，一般来说低碳钢的焊接性能较好，中碳钢的焊接性能则会比低碳钢低，高碳钢的焊接性能最差，所以通常情况下不会使用高碳钢来用作焊接结构件。铁碳合金由于组织的不同含碳量也会不同，当然焊接性也会有差异：奥氏体含碳量比较低，从而焊接性能较好；然而热影响区的铁素体晶粒则容易过热而引起粗化；马氏体焊接后淬硬度会比较大，容易使冷纹产生；珠光体的焊接性能则会比较低下。

4 金属材料的组织与性能的相关手段与发展趋势

4.1 相关手段

在进行生产的过程中，进行对金属材料的持续性的供应，能够促进我国的生产建设的发展。国外的一些先进的金属材料对我国的金属销售市场造成了很大的影响，但金属材料厂的生产只对用户施工运输材料要求提供指向性保证，与此同时，要保证材料组织的性能，要采取相关的措施，在进行切削、锻造和焊接的过程中，为了保证金属材料的性能，要采取一些相关的措施。因为建设降温的这些材料具有广泛性，所以若是经济足够，许多的机械行业要对生产需要的材料进行补充，从而保障了生产的操作。金属材料是时间操作的过程中加工和改良的较为基础的材料。在进行机械实际加工时，要对各类材料的性能进行合理应用，要重视对加工材料功能的研究分析，这样能够使得金属在加工时能够获得最大收益。

4.2 金属材料的发展趋势

在一定程度上对金属材料的使用充分反映了人类文明的进步发展，它在人类工业文明中具有代表性作用，同时对未来社会来说也是非常重要的资源。现代工业发展越来越快，加工技能越来越完善，金属材料的加工方法也越来越进步，通过对传统金属加工制造的改变，使得金属性能得到了充分利用，从而使原有纯金属、纯合金的局限被打破，为各个行业都提供了丰富的金属资源，也使经济效益得到了提升。但是在金属材料加工制作中依然有一些不足之处的存在。比如，由于对金属材料的过渡开采从而对环境造成了严重的破坏；不能共享资源，区域合作不团结，地区之间制造技术分散；政府不能给出具体政策，地方不能给出具体制度；企业不能提高管理效率，使得加工成本不断提高。金属加工行业要想发展的优良，则需要社会相关业，甚至政府国家齐心合力共同沟通发展。