金属材料组织和性能控制
金属材料组织和性能的关系
金属材料组织和性能的关系力学性能是金属材料在承受外来载荷时所表达出来的性能，下面是的一篇探究金属材料组织和性能关系的，欢迎阅读查看。
金属材料一般是指纯金属和具有金属特征的合金材料。
金属材料大致可以分为黑色金属和有色金属，黑色金属主要就是指钢铁产品，众所周知这也是目前我国工业化生产过程中最普遍和重要的金属材料。
相比黑色金属，有色金属在我国因其含量较少且加工难度相对而言比较大，使用范围就有所局限，所以它只会用于特殊零件的生产。
金属材料种类众多，性能各异，由此看来，在机械加工的过程中要根据实际需要选择适宜的金属材料和加工工艺，就需要我们尽可能多地掌握金属材料的组织和性能及两者之间的关系。
使用性能，顾名思义就是金属材料在应用过程中所展现出来的性能，主要包含力学性能、物理性能和化学性能，使用性能直接决定了金属材料的应用环境和使用寿命。
1.1金属材料组织与力学性能之间的关系力学性能是金属材料在承受外来载荷时所表达出来的性能。
就拿最常接触的铁碳合金来说它有5种根本组织，分别为铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
铁素体强度和硬度低，塑性和韧性好;奥氏体塑性好，适合压力加工，强度和硬度比较高;渗碳体是铁和碳所组成的金属化合物，硬度高、脆性大;珠光体是铁素体和渗碳体组成的其力学性能介于两者之间;莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的，其硬度高、塑性差。
可见不同的材料组织在性能上会有明显差异，碳含量低，它的强度和硬度就低，可是其塑性和韧性却相反。
随着碳含量的增加，材料组织中珠光体的量变多，也就使得钢的强度和硬度增加，当然塑性和韧性就会有所降低。
总的来说，不管是通过上述方法还是采用冷拉拔或热处理等方法改变金属材料的组织，都会使得原材料展现出与之前完全不同的性能。
1.2金属材料组织与物理性能之间的关系不同的金属材料是有其使用范围的，它会在不同的条件下表现出不同的物理性能，比方钢在1538。
C时会由固体状态向液体状态转变。
导热性是金属材料重要的物理性能，金属材料导热性比非金属好，金属中导热性最好的莫过于银，但在实际生产中我们会选择性价比更高的铜或铝来做原材料。
第2章 金属材料的组织与性能控制
1. 同素异构转变。 2. 匀晶相图的分析方法。 3. 合金相图与性能的关系。
思考题
1. 为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？ 2. 固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？ 3. 试比较共晶反应和共析反应的异同点。 4. 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用
ES线：C在A中的固溶线
PQ线：C在F中的固溶线
2．铁碳合金的平衡结晶过程
Fe-C 合金分类
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 %
钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 ＜ 0.77 % 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %
室温组织
F + Fe3CⅢ (微量)
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )
≈ 0.77 / 6.69 = 12 %
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
C匀u 晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的N熔i 点，
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料是工程中最常用的材料之一。
它们具有比塑料和木材等其他材料更高的强度
和刚度。
金属材料组织和性能之间的关系对于材料工程师准确设计和制造零件非常重要。
下面将讨论金属材料组织和性能之间的关系。
首先，金属材料的组织是指其由微观组织组成的整体结构。
它们可以分为晶粒和相
（或组织）两个层次。
晶粒是金属中最小的单元，其形状和大小会影响金属的强度和塑性。
如何控制晶粒的大小和形状可以控制材料的性能。
相是指材料中存在的不同化学成分的分布。
相的存在会影响材料的硬度，韧性，强度和电导率等性能。
其次，金属材料的性能主要由其晶粒结构（或晶体结构）和相结构来决定。
晶粒的形
态和大小会影响材料的强度、硬度和延展性。
较小的晶粒大小通常意味着更高的强度，较
大的晶粒尺寸则通常意味着更高的韧性。
此外，相的类型和存在量也是影响材料性能的重
要因素。
例如，奥氏体相通常是不锈钢和其他高强度合金中的优选相。
第三，金属材料的热处理可以通过改变它们的组织结构来改变其性能。
热处理包括淬火、回火、冷处理和退火等。
这些过程可以对晶体结构和相结构进行改变，提高材料的强
度和耐腐蚀性能，并改善其成形能力。
总之，金属材料组织和性能之间的关系非常密切。
了解其组织结构和热处理对其性能
的影响可以为材料工程师提供有用的指导，从而设计和制造出具有所需性能的零件。
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料组织和性能之间的关系金属材料中的组织与其性能密切相关。
不同的加工方式和处理方法可以影响到金属材料的晶粒结构、晶界特征、缺陷密度、相含量、物理状态等，从而对其性能产生影响。
下面将详细介绍金属材料组织和性能之间的关系。
1. 晶粒结构与强度金属材料的晶粒结构是由晶粒大小、晶粒形状、晶体方向等因素组成的。
通常来说，晶粒越小，材料的强度和硬度就越高。
这是因为晶界是材料中最薄弱的部分，当晶粒尺寸减小时，晶界的数量就会增加，从而限制了位错和裂纹在晶体中的传播，使得材料的力学性能得以提高。
2. 合金元素和相含量与硬度和强度在单质金属中，受限于其原子体积和层间结构，只能够存在有规则的晶格结构。
但在合金中，加入了其他元素可以形成非晶态、极细晶晶界、存在颗粒等结构，增加了材料的硬度和强度，同时还可以改善其抗腐蚀能力、高温性能等其他性能。
在某些情况下，不同相的相互作用也会影响到材料的性能。
例如，在钢中添加碳元素，形成含碳化物的相，可以提高钢的硬度和强度。
但当各相之间存在位错或微缺陷时，会导致载荷的集中和局部应力的增加，从而对材料的抗拉性能产生不利影响。
3. 晶界特征与导电性能和热导率晶粒的尺寸和形状不仅影响到强度和硬度，也影响到金属材料的导电性能和热导率。
晶界是电阻、热阻的主要来源之一，而其特征也会影响到材料导电性能和热导率的大小和稳定性。
例如，在生产电线时，为了保证电阻率稳定，需要控制钢芯中晶粒的尺寸和净化度。
4. 缺陷密度与可靠性缺陷是大多数材料中不可避免的存在，但多数情况下会影响到其可靠性及寿命。
缺陷的类型和密度与与材料的可靠性密切相关。
例如，在铝合金中存在少量的裂纹或者空洞可以增加其局部断裂的可能性，从而大大降低其抗拉强度和疲劳寿命。
金属材料中的微观组织与力学性能的关系
金属材料中的微观组织与力学性能的关系随着科技的不断发展，人类对金属材料的认识也越来越深入。
金属材料被广泛应用于各行各业，例如建筑、汽车、电子、医疗等领域。
金属材料的力学性能是决定其能否被应用的关键。
而微观组织是影响金属材料力学性能的重要因素之一。
一、微观组织对金属材料力学性能的影响微观组织是指金属材料中的晶粒结构、晶界、缺陷等微观结构。
这些微观结构对金属材料的力学性能有着重要的影响。
首先，晶粒尺寸对金属材料的力学性能有着显著的影响。
晶粒尺寸越小，金属材料的强度和硬度越高，而塑性和韧性则降低。
这是因为晶粒越小，晶界面积增大，融合力增加，从而导致材料的强度和硬度增加，但同时也会抑制材料的可塑性。
其次，晶界对金属材料的力学性能也有着较大的影响。
晶界是相邻晶粒之间的界面，其结构和性质与晶粒内部不同。
晶界的存在会导致灰分、孔隙及晶粒的变形行为发生变化，从而影响金属材料的力学性能。
通常情况下，晶界的能量大于晶内，晶界会限制材料的塑性变形，从而降低金属材料的韧性。
最后，缺陷对金属材料的力学性能也有着显著的影响。
缺陷是指材料内部存在的各种缺陷、气孔、裂缝等。
这些缺陷通常会使金属材料的强度下降，韧性降低。
二、微观组织的调控为了获得更优异的力学性能，需要对金属材料的微观组织进行调控。
常用的方法如下：首先，通过合理的热处理工艺，可以有效地控制晶粒尺寸和分布。
晶粒尺寸的调节可通过热处理前后金属的冷却速率和温度控制。
例如，快速淬火可以使晶粒尺寸变小，而慢速冷却则可使晶粒尺寸变大。
其次，可以通过合理的成分设计来改变金属材料的晶界特性。
增加合金元素的含量可以有效地控制晶界能量，从而改变晶界对材料的影响。
同时，添加一定量的微合金元素如铌、钛等可以细化晶粒，增强材料的强度和硬度。
最后，适当的交变变形可消除材料中的缺陷，改善金属材料的力学性能。
交变变形可以促进晶界滑移和形变，从而增加金属材料的强度和韧性。
三、结语微观组织是影响金属材料力学性能的重要因素之一。
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料组织和性能之间的关系金属材料的组织是指金属材料内部晶体结构的形态和分布状况，它对金属材料的性能有着重要的影响。
金属材料的组织与性能之间的关系是一个复杂而又密切的关系，下面将从金属的强度、塑性、硬度、耐磨性和耐蚀性等性能方面来说明组织和性能之间的关系。
金属材料的强度与其组织状态有直接的关系。
金属材料的晶粒尺寸越细小，其强度就越高。
这是因为细小的晶粒能够阻碍位错的移动和滑移，使材料变得更加坚硬和强大。
金属材料的晶体形态和晶体间的结构也会影响其强度。
在冷变形过程中，金属材料的晶体将发生取向性增长，使其内部形成纤维状的组织结构，从而提高了材料的强度。
金属材料的塑性与组织状态密切相关。
金属材料的塑性与晶体形状、晶界结构和晶粒尺寸等因素有关。
晶体的细小、均匀和重结晶等因素可以增强材料的塑性。
晶界也是影响金属塑性的重要因素之一。
晶界的强化和位错沿晶界的移动将限制位错的滑移，从而增加材料的塑性。
显微组织的形态和孪生也会影响金属材料的塑性。
金属材料的硬度与组织状态也有一定的关系。
材料的硬度主要受晶体结构的形态和晶粒尺寸的影响。
细小的晶粒能够增加晶界和位错的密度，从而增加材料的硬度。
合金元素的添加和固溶体的析出也会对材料的硬度产生影响。
固溶碳元素可以提高铁的硬度，使其变为钢。
金属材料的耐磨性与组织状态有直接关系。
细小的晶粒和紧密的晶界结构可以提高材料的耐磨性。
合金元素的添加和相变等也可以提高材料的耐磨性。
添加硬质相可以提高材料的抗磨损能力。
金属材料的耐蚀性与组织状态也密切相关。
金属材料的耐蚀性主要受晶界和位错的影响。
晶界的特殊性质可以影响金属材料与外界环境的反应，从而影响其耐蚀性能。
合金元素的添加和相变也会改变材料的耐蚀性能。
添加不锈钢等合金元素可以提高金属材料的耐蚀性能。
金属材料的组织对其性能有着重要的影响。
通过调控金属材料的组织结构，可以改善其强度、塑性、硬度、耐磨性和耐蚀性等性能，从而满足不同领域对金属材料性能的需求。
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料组织和性能之间的关系金属材料是工程材料中广泛应用的一种材料，其具有优异的力学性能、导电性能、导热性能等优点，因此在工程领域中得到了广泛的应用。
金属材料的性能与其组织密切相关，不同的组织对金属材料的性能具有不同的影响。
研究金属材料组织和性能之间的关系对于材料工程具有重要的意义。
金属材料的组织可以分为晶粒组织、析出相组织、位错组织等，这些组织对金属材料的性能有着重要的影响。
晶粒组织是由晶粒构成的，晶粒的尺寸和形状会直接影响金属材料的力学性能，如强度、韧性等。
在同一种金属材料中，晶粒尺寸越小、分布越均匀，通常意味着金属材料的强度和韧性越高，而晶粒尺寸较大、分布不均匀则会导致材料的强度和韧性降低。
析出相组织是由固溶体中析出的第二相构成的，析出相的类型、尺寸和分布会直接影响金属材料的硬度、强度和耐腐蚀性能。
位错组织是由位错构成的，位错是金属材料中的缺陷，会对金属材料的塑性变形性能、疲劳性能等产生影响。
晶粒组织、析出相组织、位错组织等各种组织对金属材料的表现出不同性能的影响是十分显著的。
除了组织之外，金属材料的性能还与其化学成分、热处理工艺等因素密切相关。
金属材料的化学成分决定了其固溶度范围、析出相的类型和数量等，因此直接影响了金属材料的硬度、强度、耐腐蚀性能等。
热处理工艺是通过对材料进行加热、保温和冷却等过程来改变材料的组织结构和性能，从而使材料具有所需的性能。
热处理工艺可以通过改变金属材料的组织结构来调节和提高其性能。
在工程中，需要根据实际需求选择合适的金属材料，并对其组织和性能进行调节和控制以满足工程设计的要求。
在机械零部件上常常需要具有较高的强度和韧性，因此需要选择晶粒细小、析出相均匀分布的金属材料，并采用适当的热处理工艺对其进行处理；在高温工作环境下，材料需要具有良好的高温强度和抗氧化性能，因此需要选择具有高抗氧化元素含量的金属材料，并采用适当的热处理工艺加以改进。
金属材料组织和性能之间的关系对于材料工程具有至关重要的意义。
金属材料组织和性能的控制
熔化前不分解; 也不发生其它化学反应
如:MgSi合金能形成稳定化合物Mg2Si MgSi合金相图属于含有稳定化合物的相图
把稳定化合物看成独
立的组元; 相图分成几
个简单相图
MgSi相图可分为
MgMg2Si和Mg2SiSi 两个相图分析
含有稳定化合物的相图
2 2 2 合金的性能与相图的关系
合金的性能取决于它的成分和组织 相图则可反映不同成分的合金在室温 时的平衡组织 因此; 具有平衡组织的合金的性能与相 图之间存在着一定的对应关系
图中的每一点表示 一定成分的合金在一 定温度时的稳定相状 态
铜镍二元合金相图
2 2 1 二元合金的结晶
一 发生匀晶反应的合金的结晶
1 结晶过程
匀晶反应： L→α固溶体
CuNi FeCr AuAg合金具有匀晶相图
●单相区
La相a1：c 液线相为;液C相u和线N; 该i形
成线的以液上溶合体金;处于液相;
几种碳钢的钢号和碳质量分数
类型 钢号 碳质量分数 /%
亚共析钢
20
45
60
0 20 0 45 0 60
共析钢 T8 0 80
过共析钢 T10 T12 1 00 1 20
2 FeFe3C相图中重要的线
●水平线HNB :包晶反应线 发生●水包平晶线反E应CF :共晶反应线 发 生●共水晶平反线应PSK :共析反应线 发生共析反应 亦称A1线
●GS线 A中开始析出F临界温度线; 称A3线 ●ES线 碳在A中的固溶线;叫Acm线 从A中析出 Fe●3PCQ;叫线二次是渗碳碳在体F中Fe固3C溶II线亦是是AF中中开开始始析析出出FFee33CCIIIII的
在两相区;温度一定时; 两相的质量符合杠杆
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冷作加工对于纯铜力学性Fra bibliotek的影响见图8-5。
随着冷作加工程度的增
加，材料的屈服和拉伸
强度增加，但塑性下降
直至接近零。如果冷作
加工程度太大，则金属会发生断裂。因此，每种金属都有一个最高冷作
加工总变形量，超过则会发生脆断。
• 冷作加工组织 在冷作加工或者热作
加工中，通常会得到沿 着外加应力方向被拉长 的晶粒。其常见显微组 织见图8-7。
3、退火 • 冷作加工是一种非常有用的强化手段，它通过拉拔、扎制和挤压等方 法为材料成型提供了良好的实现途径。但是，冷作加工也会带来不期望 的问题，如材料塑性变差、存在残余应力等。由于冷作加工硬化产生的 根源是材料中的位错密度增加而形成的，那么我们就可以认定，任何能 够使冷作材料中位错排列改变或者消除的方法度应该能够消除冷作加工 带来的影响。 • 退火处理就是用来消除或部分去除冷作加工带来的影响的一种热处理 工艺。低温退火可以去除冷作加工产生的残余应力，而且对材料的机械 性能不会产生影响。而高温退火则可以用来完全消除冷作加工材料中的 加工硬化现象，退火后的工件硬度低，塑性好，而且表面质量和尺寸精 度都很好。而工件在退火处理后，还可以进行再次冷作加工。材料经过 多次反复的冷作加工和退火处理后，就可以实现材料的大程度变形。
图8-1（d）和（e）展示了材料的回弹（弹性后效现象）。
因此，通过对金属材料施加超过屈服强 度的应力我们就能够使其发生应变硬化；或 者说，在对金属材料进行冷作加工时，在材 料变形的同时，也使材料发生了加工硬化。 这就是许多制造技术如线材拉拔技术的基础。
图8-2图示说明了几种冷作加工（也可进 行热作加工）的材料制造技术。后面我们会 谈及热作加工和冷作加工的区别。许多制造 技术实质上就是变形和加工硬化同时进行的 冷作加工过程，如图8-2。
• 在材料的退火过程中，可能存在三个组织转变阶段。图8-14就是黄铜 退火时的三个阶段对黄铜材料性能的影响情况。
• 回复阶段 材料的冷作加工原始组织是
由变形晶粒组成，晶粒中包括大 量纠缠的位错。当对金属开始加 热，附加的热能会让位错运动并 形成多边化亚晶粒结构的边界。 此时，材料中的位错密度实际上并没有改变，这种低温退火处理能够消除冷作 加工产生的残余应力，但没有使位错密度发生变化。因此，叫做回复阶段。
金属则更高。如表8-1所示。应
变硬化指数低的金属，则其冷
作加工性能就差
2、冷作变形程度和性能的关系 通过控制材料的塑性变形总量，我们就能控制应变硬化。通常，定
义冷作加工变形程度来衡量材料的变形总量，
冷作变形程度
A0
Af A0
100%
（2）
式中，A0是金属的原始截面积，Af是金属变形后的最终截面积。
一、加工（应变）硬化和退火处理 强化金属和合金的技术较多，如增加位错密度、减小晶粒尺寸、合
金化等等。本节将了解以下内容：如何使用冷作加工工艺来提高金属和 合金的性能，冷作加工实质上是把金属材料变形和强化同步进行的一种 工艺方法。而热作加工则没有强化作用。通过退火热处理工艺可以改善 冷作加工工艺引起的塑性降低和硬度增加问题。冷作加工导致的加工硬 化机理，是由于位错密度增加而引起的。
人们可以通过材料加工工艺和热处理工艺的结合使用，不仅能够把 材料加工成有用形状的构件，而且还能够控制和改善其力学性能。
本节讨论的问题尤其适于金属及其合金材料。
• 应变硬化（通过位错增殖实现）首先需要材料具有可延展性。如果把应变硬 化作为强化材料的手段，那么也必须同时克服加工过程中因应变硬化而带来的 一些问题。例如，我们在拉拔线材或者挤压管材时，就会发生应变硬化，此时
• 应变硬化指数n
金属材料对冷作加工的响应
度（灵敏度）可以用应变硬化指
数n来表征。如图8-3，在对数坐
标系中，n是真实应力-应变曲线中塑性变形部分的斜率，
t
K
n t
or ln t ln K n ln t (1)
式中，K叫做强度系数，它是常数，它是t=1时的应力。
对于HCP金属来说，n值较
低，而BCC金属则较高，FCC
我 们就必须保证材料具有可接受的塑性。而在轿车和卡车制造中，要使用钢板冲
压 出外形美观的汽车框架，此时使用的钢板就必须能够在冲压时容易延展并易于
弯 曲，而冲压后的汽车框架则必须具有足够的强度，能够承受轻微颠簸和大的冲
击 载荷。此时应变硬化就能够使产品强度提高。此外，为了保证了汽车框架的抗
撞 击性能，还必须使钢板在发生碰撞时具有迅速的应变硬化能力。 • 此外，大家关心聚合物、玻璃和陶瓷材料是否具备加工硬化的能力。研究表
• 可以看到，轧制是生产金属板材、箔材的冷作技术。锻造则是使金属 材料在模腔中变形，从而生产出形状比较复杂的承力构件如汽车曲轴、 连杆等。拉拔技术则是将金属棒坯从一个模腔中拉出使其形成线材和丝 材等。挤压技术则是使材料被推进模腔使其变形为截面均匀的产品如棒 材、管材和铝合金门窗用的型材等。此外，深冲压技术则可以用来生产 铝合金饮料罐等。总而言之，冷作加工技术是金属材料强化成型技术的 有效途径手段，但该技术也存在材料塑性变差的问题。 • 如果一根线材如电线铝芯，反复弯折，就会使其越来越硬，最终会硬 化断裂，这就是加工硬化现象。加工硬化原理被用于制造许多产品，尤 其是那些不在非常高的温度下使用的产品。如铝合金饮料罐，它在加工 过程中，可以使其强度增加70%。
下面我们从金属材料的应力-应变曲线开始来探讨加工硬化问题。 1、冷作加工和应力-应变曲线的关系
图8-1（a）为塑性金属材料的应力-应变曲线。 如果材料的外加应力1大于屈服强度y，则材料 会发生永久变形或者应变。当外加载荷卸除，就 会产生1的应变。如果对已经预加了1应力的金 属材料重新进行拉力试验，就会得到图8-1（b） 的应力-应变曲线。而此时，材料开始变形或者 屈服的应力则变为1。由此，把流动应力（屈服 应力）定义为预变形材料开始塑性变形时的应力。 因此，1此时就是材料的流动应力。如果继续对 材料施加2的应力，然后卸载，再重新对该材料 进行拉伸试验，则此时材料的流动应力就会变为 2。只要我们每次施加一个更高的应力，材料的 流动应力和拉伸强度就会增加，而塑性则下降。 最终材料会被强化到流动应力、拉伸强度和断裂 强度相等，而塑性为零，如图8-1（c）。此时，金属材料不会再发生塑性变形。