淺談金屬材料的組織與性能的關(guān)系

張義武 尚彥光

摘 要：金屬材料在人類生活與生產(chǎn)中具有極廣泛的應(yīng)用，金屬可大致分為黑色、有色和特種金屬材料三種，這三種金屬材料因其相關(guān)性能的差異性用途也各有不同。在不同的領(lǐng)域，對金屬的應(yīng)用需求也不同，這就要金屬冶煉行業(yè)在進(jìn)行金屬制造時根據(jù)客戶的需求進(jìn)行金屬組織結(jié)構(gòu)的控制與轉(zhuǎn)變。本文對金屬材料的組織結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了論述和一定的分析。

關(guān)鍵詞：金屬材料；組織與性能；關(guān)系

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.070

金屬材料是人類的財富，在當(dāng)今社會中具有極其重要的地位。諸如鋼材之類性價比較高的材料普遍應(yīng)用于建筑工程等行業(yè)。隨著現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，新型的金屬材料更是層出不窮，不同性能的金屬材料的應(yīng)用極大地便利了人們的生產(chǎn)與生活，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。不同的金屬材料應(yīng)用領(lǐng)域都不同，這主要取決于金屬的相關(guān)性能，而影響金屬材料性能的關(guān)鍵因素之一就是其組織結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行金屬材料的生產(chǎn)和技術(shù)開發(fā)的過程中，應(yīng)重視金屬組織結(jié)構(gòu)與相關(guān)性能之間的聯(lián)系，并從人類需求出發(fā)，確定出想得到的金屬性能，以此來控制金屬的組織結(jié)構(gòu)。

1 金屬材料的分類與簡介

金屬材料是以金屬單質(zhì)為基礎(chǔ)成分具有金屬的相關(guān)性能的一類材料。現(xiàn)代制造業(yè)離不開金屬材料的應(yīng)用，金屬材料的相關(guān)性能直接影響到相關(guān)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。以金屬材料的組成結(jié)構(gòu)及其特定的性能為分類依據(jù)，可大致將金屬材料分為以下三種：有色金屬材料、黑色金屬材料以及特種金屬材料。

1.1 黑色金屬材料

黑色金屬材料通常是指包含錳、鉻、鐵三種金屬元素金屬材料，諸如碳鋼、精密合金之類。黑色金屬材料是應(yīng)用領(lǐng)域最廣的金屬材料，主要作為建筑工程行業(yè)的支撐及奠基材料，黑色金屬材料的不斷創(chuàng)新和開發(fā)可有效推動建筑行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，其的整體產(chǎn)量幾乎占到金屬材料生產(chǎn)的95%左右。我們以以鐵元素為基礎(chǔ)元素的材料為例，根據(jù)其含碳的多少可將含鐵的金屬材料分為三種，第一種是純鐵，這種金屬材料并不是含100%鐵元素的材料，其含鐵量可達(dá)99%以上，含碳量不超過0.02%，在工業(yè)上，人們又把純鐵稱為熟鐵，這類金屬材料普遍呈現(xiàn)銀白色光澤，且因其屬于軟質(zhì)金屬，故純鐵不能用于制造一些硬度較大金屬類工具諸如刀具之類。第二種是鋼材，是一種含碳0.03%～2%的合金材料。與純鐵相比，鋼材因其含碳量的增加，強(qiáng)度也在一定程度上有所增強(qiáng)，這種鋼鐵材料冶煉操作容易進(jìn)行，是多數(shù)金屬制品的首選材料。第三種是鑄鐵，這種金屬材料的含碳量為2%～4.3%，因含碳量較高，其質(zhì)地又硬又脆，但其抗壓能力和耐磨性都相對以上兩種金屬材料較高。綜上可知，含碳量是影響金屬材料組織結(jié)構(gòu)的重要因素之一。

1.2 有色金屬材料

有色金屬可簡單概括為不含錳、鉻、鐵三種金屬元素的含其他金屬元素的金屬材料，又指所有有色金屬的合金。隨著現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，相關(guān)行業(yè)對金屬性能的要求逐漸提高，這就促進(jìn)了有色金屬的發(fā)展。有色金屬的產(chǎn)量和應(yīng)用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黑色金屬材料，但其卻在新型設(shè)備等方面具有極其重要的應(yīng)用。有色金屬有可大致分為幾類：輕金屬和重金屬、半金屬、半金屬、貴金屬、稀土金屬和稀有金屬。有色金屬不僅產(chǎn)量不及黑色金屬，其操作復(fù)雜程度也大大超過黑色金屬，其在日常生活的應(yīng)用還比較少，通常應(yīng)用于諸如導(dǎo)彈等軍工行業(yè)及科技工程中。

1.3 特種金屬材料

與以上提到兩大類金屬材料相比，特種金屬材料的應(yīng)用更少，一般指具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的金屬材料，其中包括準(zhǔn)晶態(tài)、非晶態(tài)及納米級晶態(tài)等金屬材料，這類金屬主要應(yīng)用于一些前沿科技產(chǎn)品中。特種金屬材料投入使用的時間不長，還處在科研開發(fā)的階段。

2 金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對相關(guān)性能的影響

金屬材料通常硬度較強(qiáng)，還具有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，正是因?yàn)榻饘倬哂羞@些獨(dú)特的性質(zhì)，才決定了金屬在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。進(jìn)一步分析我們可以發(fā)現(xiàn)，金屬的特有性能多是由于其獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。因此，在金屬材料的制造過程中，通過轉(zhuǎn)變金屬原有的組織結(jié)構(gòu)可有效改變金屬的相關(guān)特性，從而是金屬材料表現(xiàn)出人們所需要的性能。

2.1 晶粒對金屬材料力學(xué)性能的影響

使用在建筑工程中的金屬材料往往有極高的力學(xué)性能的要求，諸如鋼筋等用作支撐的建材之類，可以說，力學(xué)性能是選擇金屬材料時需要著重考慮的因素之一，在判斷金屬力學(xué)性能是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)時可從強(qiáng)度、彈性、韌度等多個方面進(jìn)行，以確定應(yīng)用金屬的合適程度。純金屬屬于晶體，金屬內(nèi)結(jié)構(gòu)的晶粒大小及形狀等直接影響了金屬材料的力學(xué)性能，晶粒越小的金屬材料韌性和塑性都要相對較高。

2.2 同素異構(gòu)對金屬性能的影響

隨著冶金技術(shù)的不斷創(chuàng)新和開發(fā)，合金的性能逐漸得到優(yōu)化，其在各領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛。以鐵碳合金為例，可根據(jù)不同客戶的要求選擇鐵碳合金與之相對應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)并進(jìn)行生產(chǎn)。在常溫條件下，鐵素體與熟鐵的相關(guān)性能比較相近，但其整體的硬度和強(qiáng)度要比純鐵的差一些；與鐵素體相比，奧氏體的整體性能尤其是可塑性都相對較高。因此，經(jīng)過不同的工藝流程與反應(yīng)條件，含同種金屬元素金屬材料及同素異構(gòu)體可冶煉出不同性能的材料。

3 結(jié)語

金屬材料是人類生活和生產(chǎn)中不可或缺的一部分，尤其是在建筑工程中具有極其廣泛的應(yīng)用。隨著金屬冶煉行業(yè)的不斷發(fā)展，冶煉的金屬材料可通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變來獲得特定的性能，以滿足客戶的相關(guān)要求。金屬材料可大致分為黑色金屬材料、有色金屬材料和特種金屬材料等三大類。另外，不同金屬的組織結(jié)構(gòu)在一定程度上確定了金屬的性能，本文以晶粒對力學(xué)性能及同素異構(gòu)體對金屬性能的影響為例進(jìn)行相關(guān)論述，兩種金屬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都會對金屬性能產(chǎn)生極大的影響。

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