实习机械师通常依靠经验来设置特定的金属进行切割，或者依靠他们的商店和行业的部落知识。虽然通常由设计工程师或客户指定零件所需的材料，但有时即使是符合规格的材料似乎也更难加工。这通常取决于材料的热处理方式、冷加工方式以及使用的合金百分比，这些可能在一定程度上有所不同。使金属的性能恰到好处的科学是广泛的，超出了工作机械师的需求。
但是车间专家了解一些基本原理是有好处的。
幸运的是，工具U-SME 可以帮助您更好地理解材料数据表。工具 U-SME 的主题专家、Pat Ferro、博士、PE、CMfgE 最近录制了一个网络研讨会，标题为“钢和铝合金强化和热处理的五个重要概念””以下是一些要点。
显示冷加工后晶粒生长与温度之间名义关系的图形。 （所有图片转载自“材料科学与工程：简介”第 9 版，ISBN：978-1-119-40549-8，William D. Callister 和 David G. Rethwisch，Wiley 2016）Metals are Crystals
要充分了解金属以及如何强化金属，关键是要知道它们是结晶的。晶体的原子排列在晶格中，但与“完美”晶格的偏差解释了强度等机械性能。完美的晶格没有位错或缺陷——并且在理论上会很脆弱且具有延展性，因为几乎没有理由阻止该晶体中相邻原子平面的滑动。但是大多数金属都不是完美的，而是在晶体中存在缺陷ls（晶粒），正是这些缺陷周围的能量形成了强度更高但延展性更差的金属。
金属是晶粒的聚集体，每个晶粒内都有这种晶体结构。您可以在特制金属样品的微观结构图像中看到晶体的证据。缺陷可以是晶格内的奇异（点）缺陷，也可以是蜿蜒穿过晶粒的线（位错）。晶界本身也是缺陷——被归类为“平面缺陷”。但正是位错的运动允许金属运动，有些人会说允许“较弱”的行为。因此，强化是基于停止位错运动，因为如果位错不能移动，金属就不能“移动”。施加应力时无法移动是“使金属坚固”。
使金属更坚固的四种方法
抑制位错移动的一种方法是制造金属ls 具有更小的晶粒，这使金属更坚固。控制熔体的冷却是获得更小晶粒尺寸的一种方法。还有其他方法。
第二种常见的强化方法是冷加工，也称为加工硬化或应变硬化（它们的意思相同）。当金属件在相对较低的温度下锻造、轧制、挤压或拉伸时，晶粒会成形并被压扁。位错被放入金属中。事实上，添加了如此多的位错，以至于它们都不能轻易移动——它们几乎相互碰撞并被固定。通过在再结晶温度以上退火，可以使过度加工硬化的零件变软，形成新的无位错晶粒。
合金显着影响淬透性，如图所示。对于所有这些合金，铁与 0.4% 的碳结合在一起。变色us 前两个数字的变体标识各种合金（可在数据表中找到）。第三种方法是材料科学家所说的“固溶强化”。当将铜等纯元素金属加热成液体并少量添加另一种元素（例如锌）时，会形成一种新的晶格结构，该结构散布在添加的元素中。少量被取代的第二元素可以抑制晶格结构本身的位错运动，因为在单个错误大小的原子周围存在“晶格应变能”。移动的位错本身是晶格应变能，被阻止移动到被取代的元素附近。如果位错不能移动，金属就不能移动。在施加压力时无法移动的金属被称为“坚固”。看到规律了吗？
还有另一种特殊情况，即在主体金属中添加另一种元素并获得强度更高的合金，但这并不依赖于固溶强化，甚至不能抑制位错的运动。这种特殊情况是锻造工、焊工、机械师和热处理师所熟知的——向铁中添加碳来制造钢。就钢而言，当碳含量恰到好处的钢被加热到橙热并快速淬火时，会出现一种称为马氏体的异常坚硬的相。通过在水或油中淬火的快速冷却对于形成马氏体至关重要。
第四种强化机制称为“沉淀强化”或“沉淀硬化”。元素只能接受这么多的另一个元素。当超过一定的溶解度极限时，第二相（另一种晶体）会在冷却过程中从溶液中沉淀出来。铁在其晶格中只能吸收这么多的碳。在铁中，一种称为珠光体的微观结构，由铁素体（纯铁的一种形式）和渗碳体（富碳相）组成，依赖于沉淀以获得所需的强度和延展性。此外，许多工具钢都有碳化物作为第二相。将此视为在晶格结构中添加不同合金的新晶粒，通过进一步抑制晶格中位错的移动来增加强度。
还有其他沉淀强化的例子，尤其是铝合金，其中有一个回火标志，表明该合金依靠沉淀强化。例如，6061-T6 有一个回火标志 (T6)，因此可以得出结论，它依赖于沉淀强化。
含碳合金
钢是一种合金铁，具有添加少量的碳，通常为 0.5%，几乎总是低于 1%。最硬的钢，马氏体，是通过快速淬火橙色热钢产生的。马氏体或马氏体钢虽然坚固，但由于延展性低，通常更难加工和加工。其实马氏体就是这么强g 实际上，它通常会再次加热以形成回火马氏体。这在铁素体基体中包含细小的、不可分解的渗碳体颗粒。虽然硬度较低，但它提供了更好的延展性和可加工性。
但仅添加碳的钢仅仅是个开始。所有那些使用铬、钼、钒或镍的钢合金怎么样？添加少量这些元素（从 0.5% 到 2.5%）可以显着改善铁的性能。它们使钢更容易硬化到金属深处（淬透性）。这些元素通过在较慢的冷却速率下更容易形成马氏体来提供淬透性。
作为参考，马氏体不锈钢合金含有 11-17% 的铬和 0.15-0.63 碳，是医疗器械、刀片、和手工工具。沉淀硬化不锈钢的名称中通常带有 PH，例如 Sandvik 的 PH 13-8 Mo，其中包含 0.5% 的碳，a以及其他合金元素。常见的等级是 PH 17-4。
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