金属材料组织结构对性能的影响

金属材料的性能主要由其内部组织结构所决定,包括了内部原子排列、固体中的相组成、晶粒度、金属纤维组织等。由于金属材料的种类繁多,性能又是千变万化的,因此要想了解金属材料组织对性能的影响首先要了解机械加工领域对金属材料的使用需求。在机械工程中,金属材料作为被应用最为广泛的结构材料,主要归功于金属材料具有优良的使用性能和工艺性能。

在使用性能中,金属材料的力学性能是占据了比较突出的地位。金属材料的力学性能的测试指标有很多,例如强度、硬度、塑性和弹性等。这些性能指标是机械工程选择材料的主要依据。因此,要充分了解金属材料的组织结构,这样才能知道组织结构对金属材料的性能影响表现。
1金属材料组织对其力学性能的影响

1.1晶粒大小对金属力学性能的影响

在工艺性能中,晶粒大小对金属力学性能的影响主要体现在金属塑性成形性能。目前工业生产中一般采用晶粒的平均面积或者平均直径即晶粒度来衡量晶粒的大小。晶粒度级别越高,晶粒大小越细小,那么一定体积中晶界就越多,导致不同位相的晶粒也会越多,会使得金属材料的塑性变形抗压能力越大。对于一般的金属材料,晶粒越细小,其强度、硬度、塑性及韧性都有可能提高。因此控制铸件晶粒大小有很重要的意义。在实际生产中,我们可以看到很多用于细化晶粒的方法,比如降低熔液浇注温度、选择导热性较大的铸造模具材料、加入形核剂、采用机械振动等措施。
1.2 铁的同素异构转变特性对钢铁材料的组织及力学性能的影响

由普遍的机械工程和现代工业中可知,铁的同素异构转变特性对钢铁材料的组织及力学性能的影响是最为广泛合金。这些合金基本上都是以铁和碳为基本组元,但是由于其成分的含量不用,例如合金中的含碳量不同,所以就会导致其组织、性能和应用的场合不同。一般情况下,铁碳合金的基本组织有五种,其中,属于固溶体的是铁素体和奥氏体。在a-Fe中形成的间隙固溶体就是铁素体,但是由于晶格的间隙大小影响着塑性、韧性和强度和硬度等。所以,因为a-Fe是体心立方晶格,而且晶格间隙较小,所以碳在a-Fe当中的溶解度就比较小,因此这样的间隙固溶体的室温性就会比较接近纯铁,那么也就表明其具有较为良好的塑性、韧性和较低的强度和硬度。但是,奥氏体是碳溶于r-Fe中形成的间隙固溶体。由r-Fe本身的性质可知,r-Fe是在高温的状态下存在,并且是面心立方晶格结构,这样的晶格其间隙会比较大,因此,与铁素体相比,奥氏体的溶碳能力就会比较强,因此其强度和硬度就比铁素体要高,并且具有较为良好的塑性和韧性,尤其是具有较为良好的锻压性能。铁是具有同素异构转变的特性的,因此热处理能使得钢铁材料的性能发生变化。例如,对于球墨铸铁来说,可能通过热处理来改变其基体组织,以改变其力学性能。一般是通过退火,就能得到铁素体,从而一定程度上提高其塑性和韧性,消除应力;通过正火就能得到珠光体基体,以提高强度和耐磨性;通过调质处理就能得到回火索氏体的基体组织,这样就能提高其综合的力学性能等。

2 金属材料组织对其工艺性能的影响

2.1金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能就是指,金属材料对不同的加工工艺方法都有一定的适应能力。一般情况下包括:铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。

2.2金属材料的铸造性能

铸件的偏析程度是衡量金属材料冶金质量的重要指标。金属凝固之后,其内部的化学组成成分出现的不均匀现象称为偏析。据研究发现,当偏析较为严重时,可能会使铸件的各个部分的力学性能产生较大的差异,即对铸件性能的均匀性产生一定影响。偏析现象很难完全避免,必定会降低铸件的质量,尤其是对大型铸件的危害就会更为明显。由此可见,冷却凝固的金属材料组织是否均匀,对铸件的铸造性能有着很大的影响。

2.3 金属材料的锻压性能

以锻压性能为例,锻压性能就是指用锻压成形的方法来获得优良的锻件的难易程度。一般情况下都是以塑性和变形抗力两个指标来综合衡量的。通常,当塑性越好,其变形抗力就越小,那么其金属的锻压性能就会越好。一般纯金属的锻压性能都会比一般合金要好。在铁碳合金中,含碳量越低,锻压性能就越好;在合金钢中,合金元素的种类和含量越多,其锻压性能就越差。单相固溶体和多相混合物都是属于合金的组织,而其塑性和变形也是有着自身的特点的。可见金属材料的不同组织组成,对锻压性能造成不用的影响。

2.4焊接对金属组织的影响

焊接对于金属材料造成的表面缺陷可以概括为熔敷金属与母材间未完全融合形成了一定的缝隙,例如焊瘤、咬边、未焊透等。我们可以采取一定的宏观手段来改善一部分缝隙,例如通过机械加工的方法提高焊接部位的表面质量。但是有的缝隙对金属微观组织的影响却无法消除。例如,在电解质溶液中(以 NaCI水溶液为例),缝隙往往都会发生缝隙腐蚀,这就会使得金属材料的性能变差。虽然发生缝隙腐蚀是需要一定的条件的,例如缝隙的大小、介质的滞留状态还有腐蚀的特性等因素,但是焊接造成的表面缺陷无疑给缝隙腐蚀提供了良好的形成场所,因此,焊接表面缺陷会对金属组织造成无法避免的影响。这样的影响在不同的腐蚀环境下也会有不同的后果,例如,在奥氏体不锈钢焊接的接头中,其原熔融部位所含铁素体在盐酸溶液里面,会成为优先腐蚀的相,极易形成网状裂纹,从而在热影响区中沿晶间析出的碳化铬在NaCI水溶液等类型腐蚀环境中,使得钢材晶间型的应力和腐蚀抗力明显变差。

总而言之,焊接对于金属材料的影响是非常复杂,金属组织结构也会影响焊接质量。在实践过程中,要尽可能减少焊接对金属材料的影响,这样才能控制焊接缺陷,才能保障金属的原本性能而使得相应工程不受到损害。

3结语

综上所述,金属组织会对其力学性能和其工艺性能造成一定的影响。为了更好地运用金属材料,就要充分了解其组织结构特点,并且深入了解它对性能的影响。这样才能一定程度上减少各种缺陷对金属材料使用性能的不利影响,提高金属材料的工艺性能。深刻了解金属材料组织对其性能的影响,能在某种程度上推动新材料、新技术的发展,并且能促进现代材料科学研究。