浅谈金属材料的组织与性能的关系

张义武 尚彦光

摘 要：金属材料在人类生活与生产中具有极广泛的应用，金属可大致分为黑色、有色和特种金属材料三种，这三种金属材料因其相关性能的差异性用途也各有不同。在不同的领域，对金属的应用需求也不同，这就要金属冶炼行业在进行金属制造时根据客户的需求进行金属组织结构的控制与转变。本文对金属材料的组织结构及相关性能之间的关系进行了论述和一定的分析。

关键词：金属材料；组织与性能；关系

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

金属材料是人类的财富，在当今社会中具有极其重要的地位。诸如钢材之类性价比较高的材料普遍应用于建筑工程等行业。随着现代化的不断推进，新型的金属材料更是层出不穷，不同性能的金属材料的应用极大地便利了人们的生产与生活，为我国经济发展奠定了物质基础。不同的金属材料应用领域都不同，这主要取决于金属的相关性能，而影响金属材料性能的关键因素之一就是其组织结构。在进行金属材料的生产和技术开发的过程中，应重视金属组织结构与相关性能之间的联系，并从人类需求出发，确定出想得到的金属性能，以此来控制金属的组织结构。

1 金属材料的分类与简介

金属材料是以金属单质为基础成分具有金属的相关性能的一类材料。现代制造业离不开金属材料的应用，金属材料的相关性能直接影响到相关行业的发展进程。以金属材料的组成结构及其特定的性能为分类依据，可大致将金属材料分为以下三种：有色金属材料、黑色金属材料以及特种金属材料。

1.1 黑色金属材料

黑色金属材料通常是指包含锰、铬、铁三种金属元素金属材料，诸如碳钢、精密合金之类。黑色金属材料是应用领域最广的金属材料，主要作为建筑工程行业的支撑及奠基材料，黑色金属材料的不断创新和开发可有效推动建筑行业的发展进程，其的整体产量几乎占到金属材料生产的95%左右。我们以以铁元素为基础元素的材料为例，根据其含碳的多少可将含铁的金属材料分为三种，第一种是纯铁，这种金属材料并不是含100%铁元素的材料，其含铁量可达99%以上，含碳量不超过0.02%，在工业上，人们又把纯铁称为熟铁，这类金属材料普遍呈现银白色光泽，且因其属于软质金属，故纯铁不能用于制造一些硬度较大金属类工具诸如刀具之类。第二种是钢材，是一种含碳0.03%～2%的合金材料。与纯铁相比，钢材因其含碳量的增加，强度也在一定程度上有所增强，这种钢铁材料冶炼操作容易进行，是多数金属制品的首选材料。第三种是铸铁，这种金属材料的含碳量为2%～4.3%，因含碳量较高，其质地又硬又脆，但其抗压能力和耐磨性都相对以上两种金属材料较高。综上可知，含碳量是影响金属材料组织结构的重要因素之一。

1.2 有色金属材料

有色金属可简单概括为不含锰、铬、铁三种金属元素的含其他金属元素的金属材料，又指所有有色金属的合金。随着现代化的不断推进，相关行业对金属性能的要求逐渐提高，这就促进了有色金属的发展。有色金属的产量和应用量远远小于黑色金属材料，但其却在新型设备等方面具有极其重要的应用。有色金属有可大致分为几类：轻金属和重金属、半金属、半金属、贵金属、稀土金属和稀有金属。有色金属不仅产量不及黑色金属，其操作复杂程度也大大超过黑色金属，其在日常生活的应用还比较少，通常应用于诸如导弹等军工行业及科技工程中。

1.3 特种金属材料

与以上提到两大类金属材料相比，特种金属材料的应用更少，一般指具有特殊结构和性能的金属材料，其中包括准晶态、非晶态及纳米级晶态等金属材料，这类金属主要应用于一些前沿科技产品中。特种金属材料投入使用的时间不长，还处在科研开发的阶段。

2 金属材料内部组织结构对相关性能的影响

金属材料通常硬度较强，还具有优良的导电和导热性能，正是因为金属具有这些独特的性质，才决定了金属在各个领域的广泛应用。进一步分析我们可以发现，金属的特有性能多是由于其独特的内部结构决定的。因此，在金属材料的制造过程中，通过转变金属原有的组织结构可有效改变金属的相关特性，从而是金属材料表现出人们所需要的性能。

2.1 晶粒对金属材料力学性能的影响

使用在建筑工程中的金属材料往往有极高的力学性能的要求，诸如钢筋等用作支撑的建材之类，可以说，力学性能是选择金属材料时需要着重考虑的因素之一，在判断金属力学性能是否符合使用标准时可从强度、弹性、韧度等多个方面进行，以确定应用金属的合适程度。纯金属属于晶体，金属内结构的晶粒大小及形状等直接影响了金属材料的力学性能，晶粒越小的金属材料韧性和塑性都要相对较高。

2.2 同素异构对金属性能的影响

随着冶金技术的不断创新和开发，合金的性能逐渐得到优化，其在各领域中的应用也越来越广泛。以铁碳合金为例，可根据不同客户的要求选择铁碳合金与之相对应的组织结构并进行生产。在常温条件下，铁素体与熟铁的相关性能比较相近，但其整体的硬度和强度要比纯铁的差一些；与铁素体相比，奥氏体的整体性能尤其是可塑性都相对较高。因此，经过不同的工艺流程与反应条件，含同种金属元素金属材料及同素异构体可冶炼出不同性能的材料。

3 结语

金属材料是人类生活和生产中不可或缺的一部分，尤其是在建筑工程中具有极其广泛的应用。随着金属冶炼行业的不断发展，冶炼的金属材料可通过内部結构的转变来获得特定的性能，以满足客户的相关要求。金属材料可大致分为黑色金属材料、有色金属材料和特种金属材料等三大类。另外，不同金属的组织结构在一定程度上确定了金属的性能，本文以晶粒对力学性能及同素异构体对金属性能的影响为例进行相关论述，两种金属结构特点都会对金属性能产生极大的影响。

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