金屬材料力學性能的影響因素解析

摘要：本文闡述了金屬材料力學性能的影響因素，解析了這些影響因素之間的關系。通過解析這些影響因素及其關系，可以對金屬材料的力學性能與材料、工藝等因素之間的關系有更為深刻的理解。

關鍵詞：力學性能；成分；結(jié)構(gòu)

材料的力學性能是指材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)、濕度）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應力等）時所表現(xiàn)出的力學特征。一般來說金屬的力學性能可用如下指標加以衡量：彈性指標、硬度指標、強度指標、塑性指標、韌性指標、疲勞性能、斷裂韌度。力學性能的重要程度對于機制設計及制造人員而言是不言而喻的，在金屬加工制造過程中，技術(shù)人員通過各種加工工藝方法來實現(xiàn)提高和優(yōu)化金屬力學性能的目的，以滿足使用性能要求、延長使用壽命、避免構(gòu)件失效、提高安全系數(shù)。這就要求機制、農(nóng)機化等相關專業(yè)學生必須充分了解影響金屬材料力學性能的因素，并在畢業(yè)后從事機械制造、工程結(jié)構(gòu)等相關行業(yè)時能夠充分理順各種影響材料力學性能的因素，并采用各種合理的手段有效地改善力學性能。本文試圖從定性的角度探討影響金屬材料力學性能的各種因素。

在機械工程材料及材料成形技術(shù)基礎課程教學過程中，經(jīng)常提到的一句話就是：“成分、結(jié)構(gòu)決定性能”。可以說，這句話是對影響力學性能的因素的高度概括。成分亦即化學成分，是指組成金屬材料的化學元素組成及其比例構(gòu)成。在金屬的物理、化學、力學、工藝等四大性能中，成分都處于決定性的地位，具有決定性的作用，是第一位的。也就是說，在力學性能的影響因素中，成分最為重要。在金屬材料中，黑色金屬和有色金屬屬于兩大不同系列，它們的力學性能與物理、化學、工藝性能一樣，受化學元素組成的影響最大，因此，各種牌號的鋼種和有色合金應運而生也就在情理之中了。

其次，就是結(jié)構(gòu)對于力學性能的影響。結(jié)構(gòu)的概念更為復雜，結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是原子或原子集團的排列。1848年A.Bravais采用數(shù)學分析方法證明晶體中的空間點陣排列只能有14種理想結(jié)構(gòu)，機械工程應用較為廣泛的金屬材料主要有體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格結(jié)構(gòu)排列。同一成分的金屬材料在不同加工條件下可能會處于不同的晶體結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)不同的力學性能。這也正是熱處理控制相變，以達到改性目的的物理依據(jù)[1]。

在金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，晶體排列并非完全理想的排列狀態(tài)。由于鑄造、熱處理、壓力加工等外界因素的影響，缺陷不可避免地存在于晶體結(jié)構(gòu)排列中，從而對力學性能產(chǎn)生影響，某些情況下甚至影響非常嚴重。這些缺陷從存在的空間角度而言表現(xiàn)為點缺陷、線缺陷、面缺陷等，其中點缺陷包括空位和間隙原子；線缺陷的集中表現(xiàn)形式是位錯，從幾何結(jié)構(gòu)可分為刃型位錯和螺型位錯。金屬晶體中的面缺陷包括晶界、亞晶界、孿晶界、相界、表面、層錯等。這些缺陷的存在都導致金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)偏離了理想結(jié)構(gòu)，從而對力學性能產(chǎn)生顯著影響?？刂迫毕莸念愋汀?shù)量、分布也是一種控制力學性能的有效方法，在生產(chǎn)實踐中，經(jīng)常采用直接或間接控制缺陷的辦法，以達到控制力學性能的目的。

圖1表達了各種對材料力學性能的影響因素及其影響層次，涉及到材料成形工藝因素。其中，鑄造過程中，廣泛采用的是控制凝固及變質(zhì)處理；熱處理工藝本身就是為了改變結(jié)構(gòu)從而改變力學性能而發(fā)展起來的[2]；壓力加工過程引起的結(jié)構(gòu)缺陷的變化改變了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而在成形的同時達到改變力學性能的目的[3]；焊接的本質(zhì)上是焊縫部位的局部、快速冶金過程。

綜上所述，影響力學性能的因素是非常復雜的，簡而言之，成分與結(jié)構(gòu)相比較，成分起主導作用。在成分一定的前提下，金屬本身固有的實際結(jié)構(gòu)則處于決定性的地位，鑄造、熱處理、壓力加工、焊接等工藝方式只能在一定的范圍內(nèi)通過改變結(jié)構(gòu)，達到改變力學性能的目的。

結(jié)論：本文簡要分析了影響金屬材料力學性能的因素以及這些影響因素之間的關系。其中化學成分起主導作用。在成分一定的前提下，金屬本身固有的實際結(jié)構(gòu)則處于決定性的地位，金屬加工工藝方式只能在一定的范圍內(nèi)通過改變結(jié)構(gòu)，達到改變力學性能的目的。通過分析，可以澄清學生對于金屬力學性能影響因素的認識，有利于學生制造工藝水平的提高。

參考文獻：

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[2]李笑，盧亞鋒，辛社偉.去應力退火對Ti40合金力學性能的影響[J].金屬熱處理.2011（12）：20-23

[3]易煒發(fā)，朱定一，胡真明.熱軋變形對高碳TWIP鋼組織缺陷和力學性能的影響[J].材料科學與工藝.2011（ 05）：11-13

作者信息：劉玉高，男（1969.8--）， 山東煙臺人，碩士，副教授，主要研究方向：金屬材料的凝固及表面改性。

本課題得到青島農(nóng)業(yè)大學名校課程建設《材料成型技術(shù)基礎》的資助，項目編號：XJP2015013。