金屬材料組織結(jié)構(gòu)對性能的影響

金屬材料的性能主要由其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)所決定，包括了內(nèi)部原子排列、固體中的相組成、晶粒度、金屬纖維組織等。由于金屬材料的種類繁多，性能又是千變?nèi)f化的，因此要想了解金屬材料組織對性能的影響首先要了解機(jī)械加工領(lǐng)域?qū)饘俨牧系氖褂眯枨?。在機(jī)械工程中，金屬材料作為被應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)材料，主要?dú)w功于金屬材料具有優(yōu)良的使用性能和工藝性能。

    在使用性能中，金屬材料的力學(xué)性能是占據(jù)了比較突出的地位。金屬材料的力學(xué)性能的測試指標(biāo)有很多，例如強(qiáng)度、硬度、塑性和彈性等。這些性能指標(biāo)是機(jī)械工程選擇材料的主要依據(jù)。因此，要充分了解金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，這樣才能知道組織結(jié)構(gòu)對金屬材料的性能影響表現(xiàn)。

    一、金屬材料組織對其力學(xué)性能的影響

    1.1晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響

    在工藝性能中，晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在金屬塑性成形性能。目前工業(yè)生產(chǎn)中一般采用晶粒的平均面積或者平均直徑即晶粒度來衡量晶粒的大小。晶粒度級別越高，晶粒大小越細(xì)小,那么一定體積中晶界就越多，導(dǎo)致不同位相的晶粒也會越多，會使得金屬材料的塑性變形抗壓能力越大。對于一般的金屬材料，晶粒越細(xì)小，其強(qiáng)度、硬度、塑性及韌性都有可能提高。因此控制鑄件晶粒大小有很重要的意義。在實(shí)際生產(chǎn)中，我們可以看到很多用于細(xì)化晶粒的方法，比如降低熔液澆注溫度、選擇導(dǎo)熱性較大的鑄造模具材料、

    加入形核劑、采用機(jī)械振動等措施。

    1.2 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性對鋼鐵材料的組織及力學(xué)性能的影響

    由普遍的機(jī)械工程和現(xiàn)代工業(yè)中可知，鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性對鋼鐵材料的組織及力學(xué)性能的影響是最為廣泛合金。這些合金基本上都是以鐵和碳為基本組元，但是由于其成分的含量不用，例如合金中的含碳量不同，所以就會導(dǎo)致其組織、性能和應(yīng)用的場合不同。一般情況下,鐵碳合金的基本組織有五種，其中，屬于固溶體的是鐵素體和奧氏體。在a-Fe中形成的間隙固溶體就是鐵素體，但是由于晶格的間隙大小影響著塑性、韌性和強(qiáng)度和硬度等。所以，因?yàn)閍-Fe是體心立方晶格，而且晶格間隙較小，所以碳在a-Fe當(dāng)中的溶解度就比較小，因此這樣的間隙固溶體的室溫性就會比較接近純鐵，那么也就表明其具有較為良好的塑性、韌性和較低的強(qiáng)度和硬度。但是，奧氏體是碳溶于r-Fe中形成的間隙固溶體。由r-Fe本身的性質(zhì)可知，r-Fe是在高溫的狀態(tài)下存在，并且是面心立方晶格結(jié)構(gòu)，這樣的晶格其間隙會比較大，因此，與鐵素體相比，奧氏體的溶碳能力就會比較強(qiáng)，因此其強(qiáng)度和硬度就比鐵素體要高，并且具有較為良好的塑性和韌性，尤其是具有較為良好的鍛壓性能。鐵是具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特性的，因此熱處理能使得鋼鐵材料的性能發(fā)生變化。例如，對于球墨鑄鐵來說，可能通過熱處理來改變其基體組織，以改變其力學(xué)性能。一般是通過退火，就能得到鐵素體，從而一定程度上提高其塑性和韌性，消除應(yīng)力;通過正火就能得到珠光體基體，以提高強(qiáng)度和耐磨性;通過調(diào)質(zhì)處理就能得到回火索氏體的基體組織，這樣就能提高其綜合的力學(xué)性能等。

    二、金屬材料組織對其工藝性能的影響

    2.1金屬材料的工藝性能

    金屬材料的工藝性能就是指，金屬材料對不同的加工工藝方法都有一定的適應(yīng)能力。一般情況下包括:鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。

    2.2金屬材料的鑄造性能

    鑄件的偏析程度是衡量金屬材料冶金質(zhì)量的重要指標(biāo)。金屬凝固之后，其內(nèi)部的化學(xué)組成成分出現(xiàn)的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏析較為嚴(yán)重時，可能會使鑄件的各個部分的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的差異，即對鑄件性能的均勻性產(chǎn)生一定影響。偏析現(xiàn)象很難完全避免，必定會降低鑄件的質(zhì)量，尤其是對大型鑄件的危害就會更為明顯。由此可見，冷卻凝固的金屬材料組織是否均勻，對鑄件的鑄造性能有著很大的影響。

    2.3 金屬材料的鍛壓性能

    以鍛壓性能為例，鍛壓性能就是指用鍛壓成形的方法來獲得優(yōu)良的鍛件的難易程度。一般情況下都是以塑性和變形抗力兩個指標(biāo)來綜合衡量的。通常，當(dāng)塑性越好，其變形抗力就越小，那么其金屬的鍛壓性能就會越好。一般純金屬的鍛壓性能都會比一般合金要好。在鐵碳合金中,含碳量越低，鍛壓性能就越好;在合金鋼中，合金元素的種類和含量越多，其鍛壓性能就越差。單相固溶體和多相混合物都是屬于合金的組織，而其塑性和變形也是有著自身的特點(diǎn)的?？梢娊饘俨牧系牟煌M織組成，對鍛壓性能造成不用的影響。

    2.4焊接對金屬組織的影響

    焊接對于金屬材料造成的表面缺陷可以概括為熔敷金屬與母材間未完全融合形成了一定的縫隙，例如焊瘤、咬邊、未焊透等。我們可以采取一定的宏觀手段來改善一部分縫隙，例如通過機(jī)械加工的方法提高焊接部位的表面質(zhì)量。但是有的縫隙對金屬微觀組織的影響卻無法消除。例如，在電解質(zhì)溶液中(以 NaCI水溶液為例)，縫隙往往都會發(fā)生縫隙腐蝕，這就會使得金屬材料的性能變差。雖然發(fā)生縫隙腐蝕是需要一定的條件的，例如縫隙的大小、介質(zhì)的滯留狀態(tài)還有腐蝕的特性等因素，但是焊接造成的表面缺陷無疑給縫隙腐蝕提供了良好的形成場所，因此，焊接表面缺陷會對金屬組織造成無法避免的影響。這樣的影響在不同的腐蝕環(huán)境下也會有不同的后果，例如，在奧氏體不銹鋼焊接的接頭中，其原熔融部位所含鐵素體在鹽酸溶液里面，會成為優(yōu)先腐蝕的相，極易形成網(wǎng)狀裂紋，從而在熱影響區(qū)中沿晶間析出的碳化鉻在NaCI水溶液等類型腐蝕環(huán)境中，使得鋼材晶間型的應(yīng)力和腐蝕抗力明顯變差。

    總而言之，焊接對于金屬材料的影響是非常復(fù)雜，金屬組織結(jié)構(gòu)也會影響焊接質(zhì)量。在實(shí)踐過程中，要盡可能減少焊接對金屬材料的影響，這樣才能控制焊接缺陷，才能保障金屬的原本性能而使得相應(yīng)工程不受到損害。

    三、結(jié)語

    綜上所述，金屬組織會對其力學(xué)性能和其工藝性能造成一定的影響。為了更好地運(yùn)用金屬材料，就要充分了解其組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并且深入了解它對性能的影響。這樣才能一定程度上減少各種缺陷對金屬材料使用性能的不利影響，提高金屬材料的工藝性能。深刻了解金屬材料組織對其性能的影響，能在某種程度上推動新材料、新技術(shù)的發(fā)展，并且能促進(jìn)現(xiàn)代材料科學(xué)研究。