谈谈金属材料的组织与性能的关系

来源:用户上传      作者: 李德恒

　　《金属材料与热处理》是机械专业一门重要的专业基础课。金属学基础和热处理部分是《金属材料与热处理》中重要的组成部分，它是研究金属材料的成分、组织（结构）和性能之间的变化规律，以及如何利用热处理等方法改变金属材料的内部组织，从而改变性能的基础理论。由于理论性很强、抽象、内容又杂，相当一部分同学难以理解。我认为在这部分教学中，应牢牢抓住组织与性能（主要指机械性能）这根主线，分析比较组织与机械性能的关系， 就可收到较好的教学效果。
　　一、机械性能是使用的需要
　　金属及其合金之所以能够获得如此广泛的应用，归功于它们具有良好的使用性能和工艺性能。在使用性能中， 金属材料的机械性能（即力学性能）占有突出的地位。我们知道：汽车是用钢铁而不是用木头制造，是因为钢铁具有较高的强度；我们用硬质合金来做车刀，是因为具有较高的硬度．．．．．．。显而易见，是“使用”对金属材料的机械性能提出了要求，是“使用”决定了对金属材料的选择。
　　机械性能指标很多，有强度、硬度、塑性、弹性、抗疲劳性、抗蠕变等。这些性能指标是机械设计、材料选择的主要依据。其中强度、硬度、韧性具有代表性， 在材料的规格中均会标明。因此，必须充分理解各机械性能指标的含义，在工作中正确、合理地选择使用金属材料。
　　机械性能与金属材料的组织结构有着密切的关系。
　　二、组织结构对金属材料的机械性能影响很大
　　金属的组织结构很复杂。
　　我们知道，纯金属是晶体。不同的金属，其晶格类型和晶格常数均不相同，其性能就不同。而实际的金属又是一个多晶体组织、形状以及晶体的缺陷有关。细晶粒金属的强度比粗晶粒高，韧性也好。冷热加工后，金属材料组织结构发生很大变化，晶格歪扭，产生纤维组织， 从而对机械性能产生较大的影响。
　　工业上使用的结构材料绝大部分是合金。合金的组织比纯金属更加复杂。合金的性能除与合金的成分有关外，还与组成合金的“相”有密切相关。所谓“相”是指体系中化学成分一致，物理状态相同，与其它部分 有明显界面的部分。合金可以是单相组织，也可以是多相组织。单相合金，如固溶体，溶剂的晶格保持不变，而溶质的原子均匀地分布在溶剂的晶格里，溶质的原子，只不过影响了原子的排列，产生了歪扭，所以它的性能与纯金属相似。多相合金――机械混合物，是由二种以上的相混合而成的，如铁碳合金中的珠光体，是由铁素体和渗碳体二个相组成的。多相组织的姓名，取决于组成各相的性能，以及各自的数量、晶粒的粗细，也取决于第二相的分布（是在晶内还是在晶外）、形状（片状、粒状、网状等）、分散度（大小、是否均匀），这些只能用显微镜才能起很重要的作用。教学中应特别重视这些相结构和性质，以及它们形成各种组织的规律的分析。
　　钢铁材料是应用最广泛的材料，是教学的重要。铁碳合金是由铁素体和渗碳体组成的。铁碳合金的性能不仅与又硬又脆的渗碳体（第二相）的数量有关，而且与第二相渗碳体的形状、大小及分布有密切的关系。随着铁碳合金含渗碳体的增加、钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当含碳量超过0.77%后，出现网状的渗碳体，围绕在珠光体晶粒周围，减少了晶粒间的结合力，降低了刚的强度。又如，含碳0.77%的珠光体，渗碳体以片状存在，但细片状的（索氏体）就比粒状的性能好得多。
　　三、通过改变组织，可以改变材料的性能
　　组织结构决定性能。我们可采用适当的工艺，改变组织结构，从而改善零件的使用性能，挖掘金属材料的潜力，提高产品的内在质量。
　　我们可以通过冷塑变形的方法，使组织纤维化，使晶格发生歪扭，产生加工硬化，提高材料的强度和硬度。这是提高纯金属和单相组织强度、硬度的重要途径。例如钢器皿的加工，就经常采用这种工艺方法。
　　热处理是通过加热、保温、冷却的方法，改变金属材料的内部组织结构，从而改善材料的性能的一种工艺方法，热处理工艺使用非常广泛。尤其是钢（铁碳合金），由于铁具有同素异构现象，就使钢有了多种多样的热处理方法，通过热处理可以获得我们需要的机械性能。热处理种类繁多，有退火、正火、淬火、回火、化学热处理等。根据目的的不同，选择的热处理方法就不同，组织和性能的变化亦不相同。
　　1、可以均匀组织、细化晶粒、提高材料的机械性能。完全退火可以细化组织，均匀组织。扩散退火能使钢的成分均匀化，消除偏析。正火同样可以细化晶粒，提高强度和硬度。
　　2、可以改变第二相的形状。球化退火能把过共析钢中的网状渗碳体变为颗粒状，改善工件的切削加工性，减少钢在淬火中的变形开裂倾向。再结晶退火能消除冷加工后晶格的畸变，消除加工硬化，使材料恢复到原来的好的塑性，以便继续压力加工。
　　3、可以改变第二相的分布。通过淬火，将第二相留在晶体内，成为过饱和的固溶体――得到高硬度的马氏体。硬铝合金则通过“时效”析出第二项（强化项），以达硬化的目的。
　　4、通过淬火――回火工艺改变钢中第二相的形状、大小及分布，调整获得所需的机械性能。通过淬火――低温回火，得到“回火马氏体”组织，获得更高硬度、高耐磨性的性能；通过淬火――中温回火，得到铁索体与极细状的粒状渗碳体组成的回火托氏体，得到高强度、高弹性极限的性能；通过淬火――高温回火――“调质“，获得细小而均匀的粒状渗碳体组织――回火索氏体，与热处理前的钢相比，其硬度、塑性相关不多，但强度、韧性则大大提高。
　　5、化学热处理是将钢件表层渗入某种化学物质，改变表层化学成分（有的还应经热处理）以达到改变表面性能的一种工艺方法。
　　学好金属学基础理论,为掌握钢铁等金属等金属材料的牌号、成分、性能和使用大好基础,金属学基础和热处理是《金属材料与热处理》课的教学难点,理论性强、概念多。掌握组织结构,成分与性能之间关系的一般规律,可以帮助理解。此外，在教学中还应注意理论联系实际，多举例、多比较、注意培养学生的分析问题和解决问题能力，引导学生理解消化，进一步提高教学效果。

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