金属材料学的“思想”

一、 金属材料性能演化过程的矛盾规律

绝大多数金属材料， 如工程结构钢、工模具钢、不锈钢、耐热钢、弹簧钢、轴承钢等， 其诸多力学性能中总会有两个性能呈现矛盾的关系， 其中强X韧矛盾是最常见、最主要的矛盾。另一方面， 在事物发展的不同阶段， 性能矛盾存在演化过程， 矛盾的主次方面也是可以变化的， 例如在金属材料的强化机制当中， 固溶强化和弥散强化等各种强化机制在热处理的不同工艺阶段具有不同的重要性， 这是把握金属材料强X韧矛盾的基础。金属材料的这些性能矛盾会涉及合金化设计、热处理工艺开发和组织结构优化等因素。

金属材料的发展突显了矛盾的演变， 就像是一个螺旋形的变化过程， 相互转化、轮回而上升。强-韧矛盾在超高强度钢中则更为突出， 以至于在合金成分与热处理工艺设计时将钢中常用作固溶强化的主要强化元素碳作为“杂质”元素来处理。马氏体时效钢的开发是当时利用材料微观理论来解决强-韧矛盾进行合金优化设计的成功案例， 极大提高了材料的强韧性， 具有里程碑的意义。

二、金属材料中合金元素作用的复杂性
       合金元素在金属材料中有共性的问题， 但不同的合金元素具有不同的个性。合金元素之间的交互作用是复杂的， 不同合金元素的复合添加， 其作用并不是简单的代数加和。

金化的基本原则是多元适量、复合加入。多元复合的作用大、效果好且成本低， 其作用或情况主要有以下几种：

1）提高金属材料的某些性能。如提高钢的淬透性， 合金元素复合的作用不是线性相加。

2）合金元素配合可扬长避短。许多合金元素既有积极的作用， 但也有所不希望的副作用。某些合金元素的复合加入， 可达到扬长避短的效果。

3）改善碳化物的类型与分布。某些元素的加入会改变钢中已有碳化物的类型与分布， 或改变其它元素的存在形式和在基体中的位置， 从而可提高性能。热强钢中Cr-Mo-V的配合优化了部分Cr、Mo元素的存在状态， 从而提高了基体热强性。

金元素的加入须适量， 否则在其含量达到一定量时往往会导致不良的影响。合金元素适量添加的原因可以具体分为以下几种情况:

1) 有的合金元素含量增多后， 会降低材料的塑性、韧度等性能。如在低碳构件钢中， 一般情况下：Si＜1.1wt%、Mn＜1.8wt% 。

2) 有些合金元素增多， 会恶化碳化物的分布。如高速钢中的Cr。

3) 有的合金元素含量过多， 会改变碳化物类型，增加热处理工艺难度。例如， 在合金结构钢中， 一般Mo的含量建议不大于0.5wt%， V的含量在0.2wt%下。

4) 合金元素的作用与其含量往往不是线性关系，所以， 从成本的角度考虑， 选择合适的加入量， 既能达到目的， 又能降低成本。

合金元素的这些复杂作用在基体相变、第二相溶解和析出、元素扩散与分布等组织演化过程中有所体现， 对金属材料的回火脆性、回火稳定性、过热敏感性等热处理工艺性同样都有很大的影响。就其本质来说， 最佳的热处理工艺是在已定材料成分的基础上合理地安排组织形态和合金元素的存在形式与分布， 从而能充分发掘材料的潜力。

三、 金属材料组织演化的量变与质变规律

金属材料组织结构的演化受多因素影响， 组织参数的变化在一定条件下也是相互制约、相互转化的， 遵循量变与质变的自然规律。自然界运动形式的转化，是一个由量变引起质变的过程， 这个过程是通过渐变和突变实现的， 是连续与间断的统一。渐变往往是突变的前提， 在一定条件下， 两者可以转化。渐变和突变是自然界物质系统演化的两种基本形式 。
      理论上金属材料相变临界点就是量变到质变的拐点。钢的过冷奥氏体在相变过程中一般都有一个孕育期。孕育期的物理本质是在为能量起伏、结构起伏和成分起伏而做准备， 从而推动新相形核， 可以看作是一个渐变， 一旦时机成熟、条件具备就发生相变， 产生突变; 形核准备所需的时间愈长， 则孕育期愈长。不仅液X固相变是如此， 固X固相变也遵循相变孕育期的本质规律。

四、 零件热处理工艺的多向可变性

热处理是金属材料非常重要的加工工艺。当金属材料成分和前期加工历史一定时， 如何激发合金元素的相互作用、优化组织、充分发挥材料的极限性能， 关键就在于热处理。优化热处理工艺就是要把握好组织转变这恰到好处的“度”， 控制微观结构的方法就是技术秘诀。这是技术思维的纲要， 纲举目张， 金属材料的很多问题才能找到解决的思路和方法。

处理工艺不但非常重要， 而且很多情况下非常复杂， 例如高碳高合金的工具钢， 合金元素多， 在获得最佳组织基础上尽可能地降低淬火应力、减小变形开裂倾向和稳定组织。在热处理工艺措施上， 经常采用预热、预冷、等温淬火、分级淬火等方法， 并及时回火和多次回火， 甚至还要增加深冷处理的工艺环节等。高合金钢的导热性较差， 当零件尺寸较大时， 则整个热处理过程需要围绕尽量降低变形开裂而采取一系列措施。

处理工艺还具有多向可变性， “多向”指的是同一个性能要求可以有多个热处理工艺方向， “可变”指的是在同一个热处理工艺中， 有很多可以变化的细节。处理工艺主要受到外因和内因的影响， 如图 3 所示。些内因和外因都是制定热处理工艺的依据。热处理工艺决定了材料的微观组织结构， 进而决定了零件的性能， 从而为满足零件的服役条件奠定基础。

五、 结语
      材料人的学问不是知识的简单堆积， 而应是一种思维能力的开发和提升过程。重要的是， 要理解金属材料性能演化过程的矛盾规律、合金元素作用的复杂性、组织演化的量变与质变规律、热处理工艺的多向可变性等。在理解内涵的基础上， 纲举目张， 举一反三，才能不断创新、突破。在金属材料学不断发展的基础上， 微合金非调制钢、高温合金钢 、高熵合金等新型金属材料以及低压渗碳、高压气淬等热处理新工艺得以问世， 成为材料科学与工程发展史上的重大突破。