金屬材料的組織與性能的關(guān)系探討

秦國(guó)飛，韓 茜*

（商洛市商州區(qū)商洛學(xué)院，陜西 商洛 726000）

多數(shù)不同種類的金屬材料已經(jīng)在人們的生活中不斷地被廣泛應(yīng)用。常見的金屬主要是由金、銀、銅和其他不同類型的金屬元素組成。常見的金屬可以被分為黑色金屬和有色金屬，前者重點(diǎn)應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域，而有色金屬加工的難度實(shí)際很大。但是因?yàn)椴煌N類金屬元素的種類較多，不同的技術(shù)實(shí)際也會(huì)表現(xiàn)出不同的性能，因此對(duì)金屬材料的組織和性能之間的關(guān)系進(jìn)行探討顯得尤為重要。

1 金屬材料的具體分類和實(shí)際應(yīng)用

1.1 金屬材料的概念

多數(shù)金屬材料具有一定的光澤和延展性，使用的過程中還容易直接材料，常規(guī)可以將金屬材料分成黑色金屬和有色金屬兩種不一樣的類型。多數(shù)黑色金屬可以更好地被融入鋼鐵內(nèi)部，實(shí)際更可以被稱為“工業(yè)骨髓”。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，不同類型的化學(xué)材料正不斷地被應(yīng)用，真正替代鋼鐵的產(chǎn)品變得越來越多，但是大家對(duì)鋼鐵的需求量卻會(huì)不斷地下降。但是發(fā)展到現(xiàn)在鋼鐵材料在金屬材料行業(yè)的位置依然是不可以被取代的。

人類文明和社會(huì)的發(fā)展實(shí)際和金屬材料的進(jìn)步有著直接的關(guān)系。幾乎每一種不同的金屬材料的出現(xiàn)都有著非常顯著的標(biāo)志，不同種類的金屬材料正不斷地推動(dòng)人類社會(huì)向前進(jìn)步。

1.2 黑色金屬材料的具體組成和應(yīng)用

黑色金屬實(shí)際就是大家多熟悉的鋼鐵材料，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中的范圍也很廣。常見的黑色金屬材料重點(diǎn)包括如下幾個(gè)部分[1]。第一，純鐵的含鐵量超過百分之九十；第二，鑄鐵的含鐵量處于百分之四；第三，碳鋼的含碳量介于百分之二。這三種主要的黑色金屬是最為常見的黑色金屬。

1.3 特種金屬材料的組成和應(yīng)用

特種金屬材料在世界范圍內(nèi)都非常罕見，這種金屬材料實(shí)際也不會(huì)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品加工的過程中，現(xiàn)階段的特種技術(shù)材料主要是由兩種不同的類型組成。第一種是有著特殊結(jié)構(gòu)的金屬材料。第二種就是常見的功能性的金屬材料，第二種金屬材料不僅顯得非常特殊，而且也可以被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究的過程中。更多的特種金屬會(huì)被運(yùn)用于軍事導(dǎo)彈使用的過程中。

1.4 有色金屬的組成和應(yīng)用

雖然我國(guó)黑色金屬的儲(chǔ)量較多，但是有色金屬的數(shù)量也不少。一般只有在生產(chǎn)特殊零件時(shí)才會(huì)使用有色金屬。常見的輕金屬、重金屬、貴金屬和其他不同類型的金屬都可以被當(dāng)作是有色金屬。相比于其他種類的金屬，有色金屬使用的范圍并不是很廣。

2 金屬材料組織結(jié)構(gòu)和使用性能之間存在的關(guān)系

2.1 對(duì)物理性能產(chǎn)生的影響

在不同的條件下，不同類型的金屬材料會(huì)展現(xiàn)出不一樣的物理性能，所以其使用的范圍也會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)受到限制。例如，鋼材如果處在溫度超過1000度的環(huán)境中則會(huì)直接轉(zhuǎn)化成液體，相關(guān)的物理性能也會(huì)不斷地改變。但是，雖然金屬確實(shí)有著較好的導(dǎo)熱性能，但是多數(shù)的價(jià)格較高。因此可以采用鋁或者銅來直接代替。這些不同的材料雖然都可以被當(dāng)成散熱片，自身也有著很強(qiáng)的散熱性能[2]。此外，又因?yàn)槠渌煌愋偷慕饘儆兄鵁崦浝淇s的性能，如果在溫差過大的環(huán)境中則會(huì)表現(xiàn)出不同的使用效果。又因?yàn)殍F碳合金自身的耐熱性較差，所以在使用的過程中會(huì)遭受很大的阻礙。

2.2 對(duì)化學(xué)性能產(chǎn)生的影響

在一些特殊化學(xué)介質(zhì)的作用下，更多的金屬材料會(huì)表現(xiàn)出不同的化學(xué)性能，其抗氧化性和耐腐蝕性能更是為人所稱道。例如，鋼鐵材料如果長(zhǎng)期被暴露在空氣中自然會(huì)直接生銹，實(shí)際也會(huì)產(chǎn)生不一樣的化學(xué)反應(yīng)。因此，目前一般都會(huì)通過在材料的表面涂抹鉛和鉻等不同的元素來形成合適的氧化膜，為的就是能夠在較短的時(shí)間內(nèi)直接隔絕空氣。此外，更可以通過在鋼鐵內(nèi)部加入鉻、鎳和其他不同的元素來金屬表面形成較為緊密的保護(hù)膜，從而避免其被化學(xué)物質(zhì)腐蝕。

2.3 對(duì)力學(xué)性能的影響

眾多金屬材料自身的力學(xué)性能都會(huì)受到外界荷載的影響。例如最常見的鐵碳合金內(nèi)部主要是由五種最基本的結(jié)構(gòu)組成的，內(nèi)部所呈現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)各不相同。第一，常見的鐵塑體具有很強(qiáng)的韌性和可塑性，但是整體的硬度和強(qiáng)度卻顯得非常低；第二，奧氏體合金自身的強(qiáng)度和硬度都顯得非常高，其內(nèi)部的可塑性較高，經(jīng)常會(huì)采用壓力加工法來直接進(jìn)行加工。第三，萊氏體主要是由奧氏體和滲碳體組成的，雖然內(nèi)部的硬度較大，但是其可塑性實(shí)際卻很差。從上述的分析可以看出，即便是同一個(gè)組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部的元素相同，其內(nèi)部的力學(xué)性能也會(huì)有所不同，而如果能夠采用加熱法和冷卻法來直接進(jìn)行處理，其金屬內(nèi)部的力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生變化。

3 金屬材料組織和工藝性能之間存在的關(guān)系

實(shí)踐中，金屬材料的組織結(jié)構(gòu)和工藝性能之間確實(shí)存在著一定的關(guān)系，這種關(guān)系將會(huì)決定著其在切削、焊接和其他不同方面都會(huì)發(fā)揮不同的作用。

3.1 對(duì)切削性能的影響

從表面上看材料的切削性能和其硬度有著直接的關(guān)系，但是實(shí)際也和組織狀態(tài)有著直接的關(guān)系。通常材料自身的硬度越高，其切削的過程會(huì)變得更加困難，但是實(shí)際使用時(shí)卻顯得非常光潔。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)時(shí)一定要借助熱處理工藝才能夠改變切削的性質(zhì)。例如，在實(shí)際處理低碳鋼時(shí)，專業(yè)人員需要結(jié)合正火處理和其他不同的處理措施才能夠在較短的時(shí)間內(nèi)提升材料的硬度，中碳鋼在接受退火工藝之后其切削性能會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)有所提升，但是高碳鋼卻會(huì)在接受加工之后使得其硬度不斷地降低。

3.2 對(duì)鍛壓性能產(chǎn)生的影響

鍛壓處理就是通過對(duì)金屬施加外力來獲得合適的尺寸以及形狀，最終金屬的形態(tài)更會(huì)被改變，鍛壓處理實(shí)際也最能夠反映出金屬加工的特性，重點(diǎn)可以采用塑性和抗變形力等不同的兩大指標(biāo)來有效地進(jìn)行表示。金屬的可塑性越高，其抗壓性也就越低，其鍛壓性也就越強(qiáng)。一般而言純金屬材料的鍛壓性較強(qiáng)，而鐵碳合金的鍛壓性能則相對(duì)較差。

3.3 對(duì)焊接性能的影響

常規(guī)的焊接性能就是在特定條件下所能夠得到的質(zhì)量最佳的焊接頭。例如，如果碳鋼內(nèi)部的含碳量在短時(shí)間內(nèi)變少，其焊接的性能就會(huì)發(fā)生變化。因此實(shí)際是不會(huì)直接借助高碳鋼來直接焊接不同的構(gòu)件的[3]。此外，不同鐵碳合金中，其焊接的性能也會(huì)隨著含碳量的不同而表現(xiàn)出很大的不同。例如，多數(shù)鐵元素在高溫高熱的條件些會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)，從而使得其他金屬的焊接性能變得更差。

3.4 對(duì)鑄造性能的影響

如果能夠?qū)⑷诨说慕饘僖后w直接填充到鑄造的造型中，實(shí)際指的就是金屬鑄造過程，只有在加工的過程中直接進(jìn)行冷卻和凝固才能夠更好地滿足尺寸的需求。不同金屬鑄造的性能反應(yīng)的就是鑄件自身的額質(zhì)量。本次實(shí)踐至少證明了兩點(diǎn)內(nèi)容：第一，多數(shù)共晶合金和純度較高的金屬組織都有著很高的流動(dòng)性，所以容易形成縮孔；第二，有效地判斷冷卻過后金屬組織的指廊將會(huì)直接影響鑄造的性能。如果鑄件內(nèi)部的性能較差不僅會(huì)直接降低鑄件本身的質(zhì)量，更會(huì)為后續(xù)的使用埋下很深的隱患。

4 金屬材料的性能和組織之間存在的關(guān)系

通過上文的分析可以得知多數(shù)金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)顯得非常復(fù)雜。從研究的過程可以看出，純度越高的金屬會(huì)呈現(xiàn)出更高的晶體結(jié)構(gòu)。即便是不同種類的金屬材料，其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)也有一定的不同，最終會(huì)使得自身金屬材料的性能也會(huì)有所不同。但是，實(shí)踐中多數(shù)金屬材料屬于一種多晶體組織，其材料的形狀和組織結(jié)構(gòu)之間確實(shí)存在著一定的關(guān)系。

從實(shí)驗(yàn)室給出的數(shù)據(jù)可以得知，多數(shù)晶體類型的金屬材料會(huì)在強(qiáng)度上處于領(lǐng)先的地位。但是實(shí)際在進(jìn)行冷熱加工時(shí)，內(nèi)部多數(shù)金屬材料的性能會(huì)發(fā)生改變。在不同的條件下，金屬材料內(nèi)部的晶體會(huì)存在扭曲的現(xiàn)象，最終使得金屬材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)不同的變化。

目前我國(guó)使用的金屬材料多數(shù)是由合金鋼材料組成的，此種材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)顯得非常復(fù)雜。不同類型的合金材料不僅會(huì)影響合金材料自身的性能，更可以影響合金材料的壽命。常規(guī)合金材料主要是由單相的組織結(jié)構(gòu)和多相的組織結(jié)構(gòu)組成的。如果單相合金外部的條件發(fā)生了變化，其組織內(nèi)部的原子順序也會(huì)發(fā)生變化，從而使得合金材料自身的性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生不同。如果多相合金內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，則合金材料自身的性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生不同，第二相體呢不的結(jié)構(gòu)實(shí)際也會(huì)對(duì)合金材料的性質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。但是專業(yè)人員只有采用顯微鏡才能夠清晰地看到里面的結(jié)構(gòu)。實(shí)踐中只有認(rèn)真地分析不同合金內(nèi)部的性能才能夠更好地判斷合金材料自身的質(zhì)量。

5 金屬材料組織和性能的實(shí)際應(yīng)用

從上文的分析可以看出，不同金屬的材料組織對(duì)于其機(jī)械性能、工藝性能和其他不同的性能都有著較強(qiáng)的影響，只有有效地改變材料內(nèi)部的組織才能夠在第一實(shí)踐改變材料自身的性能。因此，專業(yè)人員只有采用合適的加工工藝才能夠在第一時(shí)間改善金屬自身的性能，并通過發(fā)揮金屬的潛力來提升產(chǎn)品的質(zhì)量。本文接下來重點(diǎn)介紹冷處理、熱處理和其他不同的金屬加工工藝。

冷處理的本質(zhì)就是冷塑的變形，最終可以使得金屬組織內(nèi)部的纖維、材料強(qiáng)度和材料硬度得以提升。在實(shí)際生產(chǎn)的領(lǐng)域，可以采用冷塑變形的方式來直接加工銅材料。此外，熱處理加工工藝也可以發(fā)揮非常重要的作用。常見的正火、退火、回火和其他不同類型的工藝都是熱處理工藝，實(shí)際更被廣泛應(yīng)用于不同類型合金材料的處理中[4]。整個(gè)加工的過程如下：第一，在采用正火進(jìn)行處理之后不僅能夠在第一時(shí)間細(xì)化金屬組織，更可以有效地提升其硬度以及強(qiáng)度；第二，在采用合適的退火處理工藝之后，多數(shù)金屬組織也會(huì)朝著更加細(xì)化的方向發(fā)展，如果直接采用退火措施進(jìn)行處理則會(huì)使得鋼材的結(jié)構(gòu)變得更加均勻。第三，如果采用特殊的球化處理措施其滲碳體會(huì)成為新的顆粒，不僅整個(gè)構(gòu)件的切削性能會(huì)有所變化，內(nèi)部也不會(huì)出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。如果能夠在實(shí)踐中采用合適的處理措施自然可以使得金屬恢復(fù)良好的塑性。第四，如果采用合適的淬火處理不僅能夠改變金屬材料分布的情況，更可以將第二相能直接留在晶體內(nèi)部，最終才能夠更好地實(shí)現(xiàn)硬化目標(biāo)；第五，如果采用化學(xué)熱處理的方式自然可以直接在金屬表面滲透入新的化學(xué)物質(zhì)，并在改變材料表層化學(xué)成分的基礎(chǔ)上更好地提升金屬的性能。此外，在實(shí)際加工時(shí)通常會(huì)將不同種類的工藝相互結(jié)合在一起來讓其發(fā)揮更大的作用。

只有在生產(chǎn)的過程中持續(xù)供應(yīng)金屬材料才能夠?yàn)槲覈?guó)后續(xù)的生產(chǎn)貢獻(xiàn)更多的力量。目前國(guó)外先進(jìn)的金屬材料已經(jīng)沖擊了我國(guó)的金屬材料市場(chǎng)，但是只有在生產(chǎn)過程中采用針對(duì)性的金屬材料施工要求自然可以更好地為不同的用戶服務(wù)[5]。未來實(shí)踐時(shí)可以從切削、鍛造和切削三個(gè)方面來更高效地維持金屬組織材料的性能。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬材料不僅會(huì)在實(shí)踐中廣泛地被運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，更和人們的生活有著直接的關(guān)系。但是正因?yàn)椴煌愋徒饘俨牧系姆N類很多，各自又有著不同的性能，所以其處理的工藝也會(huì)有不一樣的差異。從上述的分析可以看出，金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能有不一樣的影響。因此，只有根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的加工工藝才能夠更好地改變內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，并在改善材料性能的基礎(chǔ)上更好地發(fā)揮金屬材料的作用。