冶金學(xué)——發(fā)展成就與展望

1、冶金學(xué)發(fā)展、成就與展望2006-2-5        冶金學(xué)是研究從礦石中提取金屬或金屬化合物，用各種加工方法制成具有一定性能的金屬材料的學(xué)科。人類(lèi)自從進(jìn)入青銅時(shí)代以來(lái)，同金屬材料及其制品的關(guān)系日益密切。在現(xiàn)代社會(huì)中，人們的衣食住行都離不開(kāi)金屬材料，人們從事生產(chǎn)或其他活動(dòng)所用的工具和設(shè)施也都要使用金屬材料?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有金屬材料便沒(méi)有人類(lèi)的物質(zhì)文明。從歷史上看，16世紀(jì)以前的冶金業(yè)，基本上是經(jīng)驗(yàn)式的操作實(shí)踐，技術(shù)水平較低，生產(chǎn)規(guī)模不大。17世紀(jì)以來(lái)冶金生產(chǎn)不斷取得進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，由于近代自然科學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)方法的產(chǎn)生

2、和發(fā)展，逐漸形成冶金學(xué)。冶金學(xué)以研究金屬的制取、加工和改進(jìn)金屬性能的各種技術(shù)為起點(diǎn)，發(fā)展到對(duì)金屬的成分、組織結(jié)構(gòu)、性能和有關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。19世紀(jì)到20世紀(jì)中葉，冶金學(xué)、冶金生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展極其迅速，成就很大。20世紀(jì)下半葉以來(lái)，電子技術(shù)特別是集成電路和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，對(duì)冶金產(chǎn)生深刻的影響：一是電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使自動(dòng)化技術(shù)與冶金工藝的結(jié)合越來(lái)越緊密；二是電子器件對(duì)材料性能提出了新的要求，從而促使冶金學(xué)發(fā)展成為材料科學(xué)的一個(gè)主要組成部分。         冶金生產(chǎn)發(fā)展概況     &#

3、160;    冶金作為一門(mén)生產(chǎn)技術(shù)，起源十分古老。人類(lèi)從使用石器、陶器進(jìn)入到使用金屬，是文明的一次飛躍。據(jù)冶金史初步研究，人類(lèi)使用天然金屬(主要是天然銅)距今大約不下8000年。但天然銅資源稀少，要使用更多的銅必須從礦石中提取。據(jù)目前所知，世界上最早煉銅的是美索不達(dá)米亞地區(qū)，時(shí)間大致在公元前3836世紀(jì)。最早的青銅是在蘇米爾(Sumer)地區(qū)出現(xiàn)的，大約在公元前30世紀(jì)。在人類(lèi)文明中，大量使用青銅的時(shí)代被稱(chēng)為“青銅時(shí)代”。          使用鐵器是人類(lèi)文明的又一重大進(jìn)步。最早煉鐵

4、的是在黑海南岸的山區(qū)，大約在公元前14世紀(jì)。到公元前13世紀(jì)，鐵器的應(yīng)用在埃及已占一定的比重，一般認(rèn)為這是人類(lèi)文明進(jìn)入鐵器時(shí)代的開(kāi)端。顯然，在不同地區(qū)，鐵的使用和生產(chǎn)發(fā)展水平有很大差異。在歐洲，公元前11世紀(jì)中歐就開(kāi)始用鐵，但向西歐傳播則極其緩慢。直到公元前55年，隨著羅馬人的入侵，鐵才傳入不列顛。中世紀(jì)的一千多年內(nèi)，冶金技術(shù)進(jìn)展十分緩慢。例如公元初期西歐已有熟鐵制品；直至1416世紀(jì)，歐洲才發(fā)展為采用水力鼓風(fēng)，加大、加高煉鐵爐，生產(chǎn)出鑄鐵。15世紀(jì)的歐洲，盡管熟鐵器已經(jīng)廣泛使用，但銅和青銅仍是生產(chǎn)得最多的金屬。 共產(chǎn)主義宣言中所指出的:“資產(chǎn)階級(jí)在它不到一百年的階級(jí)統(tǒng)治中所創(chuàng)造的生產(chǎn)力，比過(guò)

5、去一切時(shí)代創(chuàng)造的全部生產(chǎn)力還要多，還要大?！?         中國(guó)古代冶金比歐洲先進(jìn)，尤其是掌握鑄鐵技術(shù)比歐洲要早約2000年。大量中國(guó)古代鐵器的鑒定結(jié)果表明，中國(guó)在漢代生產(chǎn)的有些鑄鐵件中的石墨呈球絮狀，具有一定的柔韌性，與近代可鍛鑄鐵頗為相似。中國(guó)古代生產(chǎn)的鑄鐵和熱處理技術(shù)已能適應(yīng)制造農(nóng)具的要求，從漢代起鐵產(chǎn)量就超過(guò)了銅。正因?yàn)檫@樣，鐵的經(jīng)營(yíng)管理在漢代已經(jīng)提到重要議事日程，鹽鐵論一書(shū)就是明證。從那時(shí)直到清末，經(jīng)常是官商和私商并存。中國(guó)冶金生產(chǎn)技術(shù)之所以長(zhǎng)期停滯不前，與這種封建官商管理體制有關(guān)。  &#

6、160;       就金屬種類(lèi)而言，中國(guó)在春秋戰(zhàn)國(guó)之際(公元前7世紀(jì))即已掌握金、銀、銅、鐵、錫、鉛、汞等七種常用金屬。歐洲則直到羅馬帝國(guó)末期 (5世紀(jì))才全部掌握上述金屬。中國(guó)在15世紀(jì)已有金屬鋅，三百多年后，歐洲才有人取得用蒸餾法制鋅的專(zhuān)利。煉鋅技術(shù)傳播到資本主義正在發(fā)展的歐洲后，便立即應(yīng)用于黃銅制造業(yè)，使價(jià)廉的黃銅逐步取代了一大部分價(jià)格較昂貴的青銅。          此外，中國(guó)古代有優(yōu)良的鑄鐵，因而忽視鋼鐵的金屬塑性加工，始終沒(méi)有發(fā)展軋制生產(chǎn)。中

7、國(guó)古代有色金屬制作業(yè)也偏重鑄造而忽略塑性加工。一個(gè)突出的例子是鑄錢(qián)，直到清朝，銅幣始終是鑄造的，而在公元前6世紀(jì)的希臘就開(kāi)始用模鍛方法造幣了。          綜觀古代世界冶金業(yè)的發(fā)展，可以看出：金屬制品，特別是青銅器和鐵器，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)力的發(fā)展起著巨大作用。         冶金學(xué)的形成          源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的冶金生產(chǎn)技術(shù)，直到18世紀(jì)末，才從近代自然科

8、學(xué)中汲取營(yíng)養(yǎng)，逐漸發(fā)育成一門(mén)近代科學(xué)冶金學(xué)。          16世紀(jì)以前，效益顯著的冶金操作大都憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或者依靠師徒授受。由于缺乏書(shū)本記載，加上技術(shù)保密，有些技術(shù)甚至失傳，中外歷史都提到過(guò)這種事例。從開(kāi)始冶銅到16世紀(jì)，人類(lèi)從事冶金活動(dòng)已經(jīng)有5000多年，可是能夠煉制的金屬總共只有七、八種。冶金技術(shù)的進(jìn)展是何等緩慢！16世紀(jì)中葉，歐洲最早的兩本冶金著作：意大利比林古喬的火法技藝和德國(guó)阿格里科拉的論冶金先后問(wèn)世。特別是后者較完整地記載了當(dāng)時(shí)歐洲的冶金技術(shù)操作，起到承先啟后的作用，這兩本書(shū)被公認(rèn)是歐洲冶金文獻(xiàn)中的

9、先驅(qū)，影響深遠(yuǎn)。在中國(guó)，冶金專(zhuān)書(shū)的出版雖然比歐洲早得多，但很可惜，宋代張潛著的浸銅要略早已散佚，明代傅浚著的鐵冶志也未能傳世。明末宋應(yīng)星所著天工開(kāi)物，初刊于1637年，這本書(shū)較詳細(xì)地記載了中國(guó)當(dāng)時(shí)的冶金技術(shù)。可是，從那時(shí)到清末將近三百年間，中國(guó)封建科舉制度的桎梏使科學(xué)技術(shù)在知識(shí)界不受重視，天工開(kāi)物這類(lèi)書(shū)在當(dāng)時(shí)就很少有人問(wèn)津了。          鑄鋼技術(shù)于1740年被突破后，對(duì)鋼進(jìn)行深入研究的條件初步具備了。這反映在兩個(gè)方面：18世紀(jì)下半葉，伯格曼(T.Bergman)對(duì)鋼進(jìn)行認(rèn)真分析，作出結(jié)論:“鋼是鐵與碳交互作

10、用的產(chǎn)物?！比藗儗?duì)鋼的實(shí)質(zhì)才有較為正確的理解。碳的數(shù)量和形態(tài)是鋼進(jìn)行金屬熱處理的依據(jù)，要制出好鋼，就必須在“碳”上作文章。從此，為鋼冶金指明了方向。氧化及其反面還原，是冶金的化學(xué)基礎(chǔ)。如果對(duì)這兩者缺乏認(rèn)識(shí)，建立冶金學(xué)科就無(wú)從談起。以前人們認(rèn)為氧化和燃燒是“燃素”的轉(zhuǎn)移，直到1786年，“燃素”學(xué)說(shuō)被拉瓦錫等人徹底推翻，人們對(duì)氧化和燃燒現(xiàn)象才有了正確的認(rèn)識(shí)。由此可見(jiàn)，冶金學(xué)的序幕，在18世紀(jì)末才真正揭開(kāi)。          冶金學(xué)的序幕揭開(kāi)的前夕，人類(lèi)能冶煉的金屬種類(lèi)還很少，冶金的技術(shù)手段也很有限。18世紀(jì)中葉，冶金

11、產(chǎn)品仍只有鋼鐵和銅、鉛、錫、金、銀、鉑、鋅、汞等；銻、鉍、鈷、鎳等雖已被識(shí)別，但生產(chǎn)甚少，應(yīng)用不多。冶金手段基本上還只是氧化法(如灰吹法)和碳還原法，遠(yuǎn)不能滿足制取新金屬的需要。19世紀(jì)末，電能登上冶金歷史舞臺(tái)，熔鹽電解法和水溶液電解法出現(xiàn)了，能產(chǎn)生高溫和控制冶煉氣氛的電爐制造出來(lái)了。從此冶金技術(shù)大步前進(jìn)，發(fā)現(xiàn)并且生產(chǎn)出了一系列新的金屬和新的合金。          冶金學(xué)受到其他學(xué)科的哺育而成長(zhǎng)，冶金學(xué)也為其他學(xué)科提供了新的金屬材料和新的研究課題。金屬元素和金屬化合物的研究促進(jìn)了化學(xué)的發(fā)展，金屬物理性質(zhì)(如導(dǎo)電性

12、、磁性)的研究成了凝聚態(tài)物理的重要內(nèi)容。         冶金學(xué)的成就          冶金學(xué)不斷地吸收自然科學(xué)，特別是物理學(xué)、化學(xué)、力學(xué)等方面的新成就，指導(dǎo)著冶金生產(chǎn)技術(shù)向廣度和深度發(fā)展。另一方面，冶金生產(chǎn)又以豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充實(shí)冶金學(xué)的內(nèi)容，發(fā)展成為兩大領(lǐng)域：即 (1)提取冶金學(xué)(extractive metallurgy)和物理冶金學(xué)(physicalmetallurgy)。      &

13、#160;   提取冶金學(xué) 從礦石提取金屬(包括金屬化合物)的生產(chǎn)過(guò)程稱(chēng)為提取冶金學(xué)。由于這些生產(chǎn)過(guò)程伴有化學(xué)反應(yīng)，又稱(chēng)為化學(xué)冶金學(xué)(chemical metallurgy)。它研究分析火法冶煉、濕法提取或電化學(xué)沉積等各種過(guò)程及方法的原理、流程、工藝及設(shè)備，故又稱(chēng)為過(guò)程冶金學(xué)(process metallurgy)。后一名詞根據(jù)國(guó)內(nèi)冶金工作者的習(xí)慣簡(jiǎn)稱(chēng)冶金學(xué)。也就是說(shuō)，狹義的冶金學(xué)指的是提取冶金學(xué)，而廣義的冶金學(xué)則包括提取冶金學(xué)及物理冶金學(xué)。          提取冶金學(xué)的任務(wù)是研究各種冶煉及提

14、取方法，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，擴(kuò)大品種并增加產(chǎn)量。          鋼鐵冶煉 主要成就反映在下列諸方面。1828年英國(guó)人尼爾森依據(jù)熱工原理對(duì)高爐采用預(yù)熱空氣鼓風(fēng)，雖然當(dāng)時(shí)所用的預(yù)熱溫度不過(guò)350，可是獲得顯著降低焦比并成倍提高煉鐵效率的良好效果，煉鐵效率提高后，坩堝煉鋼和炒鋼法這些舊的煉鋼方法就很不適應(yīng)了。1850年英國(guó)生鐵產(chǎn)量250萬(wàn)噸，鋼產(chǎn)量卻只有6萬(wàn)噸。顯然，煉鋼能力大大落后于煉鐵。換句話說(shuō)，只有很小一部分生鐵能被煉制成鋼。1856年貝塞麥發(fā)明轉(zhuǎn)爐煉鋼法，向轉(zhuǎn)爐中的鐵水吹空氣，使鐵

15、水中硅、錳、碳等元素含量迅速降低，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱能，使液態(tài)生鐵煉成液態(tài)的鋼。轉(zhuǎn)爐煉鋼是冶金史上最杰出的成就之一，是創(chuàng)造性地將物理化學(xué)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于冶金生產(chǎn)工藝的典范。從此開(kāi)始了煉鋼的新紀(jì)元。西門(mén)子和馬丁發(fā)明的平爐煉鋼法在1864年投產(chǎn)。這種方法能用廢鋼作原料。平爐采用蓄熱室使?fàn)t溫顯著提高，在冶金爐熱工方面是繼高爐采用熱風(fēng)之后又一項(xiàng)重大突破。為了擴(kuò)大煉鋼原料來(lái)源，托馬斯和吉爾克里斯特依據(jù)磷在渣和鋼中平衡分配這一物理化學(xué)原理，采用堿性爐襯、堿性造渣，并根據(jù)具體情況進(jìn)行多次扒渣以促進(jìn)去磷，成功地解決了用高磷生鐵冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的問(wèn)題。上述問(wèn)題在19世紀(jì)下半葉次第解決后，煉鋼生產(chǎn)如同脫韁之馬，馳騁

16、向前。1850年歐洲鋼的總產(chǎn)量約6.6萬(wàn)噸，1900年僅低碳鋼就達(dá)2800萬(wàn)噸，1955年全世界鋼產(chǎn)量為2.6億噸。以1850年的鋼產(chǎn)量為基數(shù)，五十年增長(zhǎng)400多倍，一百年增長(zhǎng)4000倍，這樣大的增長(zhǎng)速度是以往不敢想像的。          20世紀(jì)下半葉以來(lái)，鋼鐵冶金又有新的發(fā)展。煉鐵高爐采用溫度高達(dá)1200的熱風(fēng)和 2.5大氣壓的高壓爐頂操作，使煉鐵生產(chǎn)效率上升到一個(gè)新的水平，同時(shí)也促進(jìn)了耐火材料和焦炭的生產(chǎn)。高爐體積也加大了，日產(chǎn)鐵達(dá)萬(wàn)噸以上的高爐并不罕見(jiàn)。煉鋼方面，最主要的是發(fā)展出氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼(后又發(fā)展

17、出底吹和復(fù)合吹煉)和連續(xù)鑄鋼技術(shù)。目前，氧氣轉(zhuǎn)爐已取代平爐成為最主要的煉鋼設(shè)備。1979年世界鋼產(chǎn)量達(dá)7億多噸，其中有一半以上是用氧氣轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的。其他如真空冶金、爐外精煉、噴射冶金等新技術(shù)對(duì)提高鋼的質(zhì)量都起了重要作用。          此外，軋制則向高速化和連續(xù)化發(fā)展，帶鋼冷軋速度可高達(dá)每分鐘2500米。連鑄和連軋工藝的采用提高了鋼的收得率，節(jié)約了能源。就生產(chǎn)規(guī)模而言，1981年年產(chǎn)鋼超過(guò)千萬(wàn)噸的鋼廠已有12個(gè)之多。         

18、 有色金屬冶煉 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展向冶金業(yè)不斷提出生產(chǎn)新型材料的要求，冶金業(yè)在滿足這些要求中，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自身也大步前進(jìn)。有色金屬冶金業(yè)就是這樣在和整個(gè)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)息息相關(guān)的情況下建立了一系列新的金屬工業(yè)。例如：20世紀(jì)50年代以前，硅、鍺的冶金不被重視，只有半導(dǎo)體研究興起后，才迅速發(fā)展起來(lái)，并已形成一個(gè)新的冶金行業(yè)半導(dǎo)體冶金。鋁和航空技術(shù)的關(guān)系，鈾和原子能技術(shù)的關(guān)系等等，也莫不如此。          有色金屬種類(lèi)繁多，物理和化學(xué)性質(zhì)各不相同，它們的生產(chǎn)工藝在富集、分離、制取和提純等過(guò)程中技術(shù)比較復(fù)雜。而且

19、有色金屬礦大都品位不高，往往是多種礦物共生，在采礦、選礦、資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)方面要解決大量復(fù)雜的問(wèn)題。在冶金學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐密切結(jié)合的條件下，有色金屬冶金業(yè)取得十分豐富的技術(shù)成果。其中較重要的有：           重有色金屬火法冶金的發(fā)展 有色金屬硫化礦容易選成精礦，傳統(tǒng)的冶煉方法是火法冶金，雖然這種方法有產(chǎn)生大量廢氣并放出有毒氣體的缺點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)技術(shù)上的不斷改善，能夠大量減少?gòu)U氣，減少有害氣體的逸出，并利用硫燃燒所發(fā)生的熱量，使火法冶金成為有效地利用能量的冶煉方法，并使設(shè)備的生產(chǎn)能力不斷提高?，F(xiàn)代火法

20、冶金具有以下的特點(diǎn)：利用工業(yè)氧氣以代替空氣，強(qiáng)化熔煉過(guò)程；使用能力大的冶煉設(shè)備；盡最大可能利用硫化精礦的燃料價(jià)值，使間斷操作改為連續(xù)操作；在焙燒和還原冶煉過(guò)程中，可以綜合回收各種有價(jià)金屬，如在鎳冶煉過(guò)程中，可回收鎳、鈷、銅、金、銀、鉑、鈀、銠、釕、銥、硒、碲、鐵、硫等金屬。雖然近代電冶金、濕法冶金有了很大的發(fā)展，但火法冶金仍然是處理重有色金屬硫化礦的主要方法。           濕法冶金 這種冶金過(guò)程是用酸、堿、鹽類(lèi)的水溶液，以化學(xué)方法從礦石中提取所需金屬組分，然后用水溶液電解等各種方法制取金屬?，F(xiàn)在世

21、界上有75的鋅和鎘是采用焙燒-浸取-水溶液電解法制成的。這種方法已大部分代替了過(guò)去的火法煉鋅。其他難于分離的金屬如鎳-鈷，鋯-鉿，鉭-鈮及稀土金屬都采用濕法冶金的技術(shù)如溶劑萃取或離子交換等新方法進(jìn)行分離，取得顯著的效果。           金屬熱還原法 此法是用硅、鈣、鎂、鋁、鈉等化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬還原其他金屬的化合物。如用鎂、鈣還原四氯化鈦、四氯化鋯及四氟化鈾，分別可得到鈦、鋯、鈾等。金屬熱還原法在難熔金屬冶金中占有重要的地位。在鐵合金生產(chǎn)中也用得較多，如用鋁硅熱法制造鉬鐵合金等。  

22、60;        氫還原法制取高純金屬 這種方法用來(lái)制備高純或超純金屬最為重要，因?yàn)榻饘俚穆然?如四氯化硅、四氯化鍺等)可用精餾法提純，然后用氫還原法還原金屬氯化物，可制備高純金屬。這種超純材料對(duì)電子工業(yè)的高速發(fā)展，起了重要的作用。鎢、錸冶金也采用這種方法。          20世紀(jì)中葉以來(lái)，一些特種冶煉工藝相繼問(wèn)世，對(duì)新材料的發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用，其中最突出的是真空冶金技術(shù)。高頻感應(yīng)爐是20世紀(jì)20年代以后出現(xiàn)的，大約過(guò)了20年，出現(xiàn)

23、了真空感應(yīng)爐，隨著又出現(xiàn)真空自耗爐和真空電子束熔煉爐。這些裝置對(duì)冶金產(chǎn)品質(zhì)量的提高起了重要作用。更重要的是，如果沒(méi)有這些技術(shù)裝備，化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬如鈦、鋯、鈾等是難以制備的，而熔點(diǎn)很高的金屬如鈮、鉬之類(lèi)則只能用粉末冶金方法生產(chǎn)，而且這些金屬的脆性問(wèn)題也難以解決。電渣重熔技術(shù)是20世紀(jì)中葉出現(xiàn)的。這種工藝是蘇聯(lián)從電渣焊接發(fā)展起來(lái)的，對(duì)去除雜質(zhì)十分有效，已大量為制備特殊要求的合金材料所采用。          冶金過(guò)程物理化學(xué)的研究 是提取冶金學(xué)的基礎(chǔ)。冶金過(guò)程熱力學(xué)闡明各種冶金反應(yīng)的原理，明確反應(yīng)進(jìn)行的方向，提供獲

24、得反應(yīng)產(chǎn)物最大收得率的途徑。冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)探討伴有物質(zhì)傳遞、能量傳遞及動(dòng)量傳遞等現(xiàn)象下反應(yīng)的速度及機(jī)理、明確控制反應(yīng)速度的環(huán)節(jié)，從而提出提高反應(yīng)強(qiáng)度、縮短反應(yīng)時(shí)間的措施。冶金過(guò)程物理化學(xué)在發(fā)展冶金新技術(shù)、探索新流程、改進(jìn)舊有冶金工藝及促進(jìn)冶金工業(yè)的發(fā)展起到了重要作用。氬氧混合吹煉法精煉低碳高鉻不銹耐酸鋼、鐵水爐外脫硫、閃速熔煉、噴射冶金等技術(shù)，都是應(yīng)用冶金過(guò)程物理化學(xué)的理論改進(jìn)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝及開(kāi)創(chuàng)新技術(shù)的例證。冶金過(guò)程物理化學(xué)的研究從20世紀(jì)20年代中期以來(lái)十分活躍，以美國(guó)人奇普曼(J.Chipman)及德國(guó)人申克(H.Schenck)為代表，發(fā)展和運(yùn)用了活度的概念，測(cè)定了相當(dāng)多的高溫?zé)崃W(xué)數(shù)據(jù)

25、，相應(yīng)地發(fā)展了一套實(shí)驗(yàn)研究方法，解決冶煉過(guò)程中的一些問(wèn)題。但由于冶煉工藝比較復(fù)雜，一般都是多相反應(yīng)，在很多情況下，實(shí)驗(yàn)成果和生產(chǎn)實(shí)踐還存在一定距離，而且因?yàn)樵O(shè)備復(fù)雜和投資巨大等因素的影響，冶金生產(chǎn)工藝的變革并非易事，所以冶金過(guò)程物理化學(xué)研究的成果不象物理冶金那樣容易轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力和產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。但是毫無(wú)疑義，冶金過(guò)程物理化學(xué)的研究對(duì)冶金新技術(shù)的發(fā)展，新流程的開(kāi)發(fā)，將產(chǎn)生日益重要的影響。          物理冶金學(xué) 研究通過(guò)成型加工，制備有一定性能的金屬或合金材料的學(xué)科稱(chēng)之為物理冶金學(xué)，或稱(chēng)金屬學(xué)。金屬(包括合金)的

26、性能(物理性能及力學(xué)性能)不僅與其化學(xué)成分有關(guān)，而且被成型加工或金屬熱處理過(guò)程產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)所決定。成型加工包括金屬鑄造、粉末冶金(制粉、壓制成型及燒結(jié))及金屬塑性加工(壓、拔、軋、鍛)。研究金屬的塑性變形理論、塑性加工對(duì)金屬力學(xué)性能的影響以及金屬在使用過(guò)程中的力學(xué)行為，則稱(chēng)之為力學(xué)冶金學(xué)(mechanical metallurgy)。顯然，力學(xué)冶金是物理冶金學(xué)的一個(gè)組成部分。          20世紀(jì)以來(lái)，金屬學(xué)取得的一系列重大成就，為推進(jìn)冶金生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。其中影響較大的是：  

27、0;       C曲線 美國(guó)人貝茵(E. C.Bain)等研究奧氏體在不同溫度下的恒溫轉(zhuǎn)變特征及其產(chǎn)物，創(chuàng)造了C曲線，從而闡明了鋼的一般熱處理原理(見(jiàn)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖)。          晶拉取向 研究金屬冷加工變形過(guò)程和退火后的組織結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)取向結(jié)構(gòu)對(duì)硅鋼片性能有顯著影響，從而找到了生產(chǎn)高性能硅鋼片的方法。          金屬單晶制備 掌握單晶和雙晶等制備方法，為

28、晶體研究和半導(dǎo)體晶體管生產(chǎn)提供了技術(shù)手段(見(jiàn)晶體培育)。          用電子顯微鏡研究金屬 1932年發(fā)明電子顯微鏡，經(jīng)過(guò)改進(jìn)于1939年制成商品，后來(lái)繼續(xù)改進(jìn)，其分辨能力不斷提高，已成為研究微觀結(jié)構(gòu)的有力工具。近年來(lái)電子顯微鏡已能直接觀察金屬中的面缺陷、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等。應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)處理圖象，進(jìn)一步提高電子顯微鏡的分辨能力，已能直接看到金屬晶體中單個(gè)原子的清晰圖象。這是20世紀(jì)科技中的杰出成就之一(見(jiàn)電子顯微學(xué))。        

29、0; 鋼中馬氏體相變 此研究加深了對(duì)馬氏體中碳原子固溶強(qiáng)化以及對(duì)馬氏體中位錯(cuò)和孿晶等作用機(jī)制的了解，有效地指導(dǎo)了高強(qiáng)度、高韌性鋼的設(shè)計(jì)和發(fā)展。形變熱處理、應(yīng)變時(shí)效熱處理，以及低碳馬氏體鋼、馬氏體時(shí)效鋼、相變塑性鋼(TRIP)和雙相鋼等都是以此為指導(dǎo)原則提出來(lái)的。30年代在銅合金中觀察到馬氏體相變的可逆性，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)若干具有同樣性能的合金，根據(jù)這一原理研制成的形狀記憶合金，已經(jīng)應(yīng)用于某些新技術(shù)中。          高溫合金材料 40年代以來(lái)，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)高溫合金提出日益嚴(yán)格的要求。1943年英國(guó)制造的第一臺(tái)噴

30、氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用鎳基高溫合金的工作溫度為650，以后逐年提高。70年代達(dá)到950，鎳基合金的使用溫度已相當(dāng)于合金熔點(diǎn)絕對(duì)溫度的75以上，這是20世紀(jì)冶金技術(shù)的出色成就之一，是綜合運(yùn)用金屬學(xué)理論、材料使用所積累的經(jīng)驗(yàn)和冶金新工藝等得到的成果。          微晶金屬和非晶態(tài)金屬 液態(tài)金屬經(jīng)快速冷卻所生成的快冷微晶合金或非晶態(tài)金屬，各自具有獨(dú)特的性能。微晶金屬是液態(tài)金屬在惰性氣體中噴霧快速冷卻形成的超細(xì)粉末。由這種超細(xì)粉末壓制成型并進(jìn)行燒結(jié)而成的部件，由于成分均勻，偏析小，可以提高合金化程度，其微晶結(jié)構(gòu)具有較一般合金優(yōu)

31、越得多的性能。非晶態(tài)金屬則是某些合金體系從液態(tài)以大于每秒 10的冷卻速度冷到室溫的金屬，其強(qiáng)度和抗腐蝕性能都優(yōu)于一般金屬。非晶態(tài)金屬的電磁性能尤為優(yōu)越，作為軟磁材料有可能取代目前的取向硅鋼片。微晶金屬和非晶金屬的發(fā)現(xiàn)，為金屬學(xué)開(kāi)辟了廣闊新園地。          金屬表面 金屬表面科學(xué)研究日益深入。通過(guò)提高鋼部件表面硬度以提高它的抗磨性能的技術(shù)，在本世紀(jì)30年代已普遍應(yīng)用；隨著滲碳、滲氮等技術(shù)的采用，新的表面處理方法不斷出現(xiàn)。例如采用噴丸處理使金屬部件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力以提高其疲勞性能，采用氣相沉積以增強(qiáng)金屬表面抗磨性

32、能，采用激光處理使金屬表面合金化或產(chǎn)生一層非晶態(tài)物質(zhì)以改善其抗腐蝕性能等等。近年來(lái)，離子注入法已被用來(lái)改變金屬表面層的成分和結(jié)構(gòu)(見(jiàn)晶體表面，化學(xué)熱處理)。          超塑性 金屬和合金的超塑性的發(fā)現(xiàn)，對(duì)塑性加工帶來(lái)很大的好處，有些難以變形的金屬可以利用它的超塑性成型。這種方法所需設(shè)備功率小，金屬收得率高，成型后金屬性能均勻。但是對(duì)材料的組織結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，成型工藝比較復(fù)雜(見(jiàn)金屬力學(xué)性能的表征)。          斷裂力學(xué) 繼

33、位錯(cuò)理論之后，美國(guó)人歐文(GRIrwin)等在 60年代初根據(jù)線彈性理論提出斷裂力學(xué)的概念，在控制材料質(zhì)量和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面起了十分重要的作用。         冶金學(xué)的展望          20世紀(jì)下半葉以來(lái)，冶金生產(chǎn)工藝與自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合日益緊密。氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼、連續(xù)鑄錠、軋鋼高速化和連續(xù)化等新工藝把鋼冶金的生產(chǎn)效率不斷推向新的高度，這在很大程度上應(yīng)歸功于應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。倘若沒(méi)有自動(dòng)控制，氧氣轉(zhuǎn)爐就難以充分發(fā)揮它的快速煉鋼能力，連續(xù)鑄鋼

34、就難于保證質(zhì)量并獲得高收得率，軋鋼就難以實(shí)現(xiàn)高速化和連續(xù)化，有理由認(rèn)為，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化刷新了冶金學(xué)的內(nèi)容，成為當(dāng)前和今后冶金發(fā)展的一個(gè)重要方向。          單純從提取金屬著眼，運(yùn)用今天擁有的自然科學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段，即使礦石品位再低，組成再?gòu)?fù)雜，都可以把金屬提取出來(lái)，問(wèn)題在于消耗的能源是否過(guò)大，花費(fèi)的成本是否合算。因此，在提取冶金方面仍然有很多研究課題。例如：擴(kuò)大資源范圍限于今天技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)條件還不能利用的資源，由于新工藝、新裝備的出現(xiàn)變?yōu)榭衫玫馁Y源；減少或消除生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染、發(fā)展資源的綜合利用，形

35、成無(wú)公害工藝或無(wú)廢料工藝；充分利用氧氣等進(jìn)一步強(qiáng)化冶煉過(guò)程，以大大節(jié)約能源等。          金屬學(xué)或物理冶金學(xué)為生產(chǎn)服務(wù)是要為提供合乎使用要求的冶金產(chǎn)品探索途徑，也要開(kāi)發(fā)金屬的新用途。因此，金屬學(xué)的主要內(nèi)容是研究和發(fā)展新合金、研究改善冶金產(chǎn)品性能的各種處理方法和技術(shù)等等。在創(chuàng)制新合金的過(guò)程中，人們對(duì)成分、組織結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了研究。如果僅僅從使用著眼，合金的性能當(dāng)然是首要的；但從生產(chǎn)的角度出發(fā)，優(yōu)先考慮的則是成分是否便于冶煉，加工是否經(jīng)濟(jì)合理等等；而且合金的性能并不完全取決于成分，而在很大程度上決

36、定于組織結(jié)構(gòu)。因此，研究金屬及其合金的組織結(jié)構(gòu)是金屬學(xué)最重要的一環(huán)。20世紀(jì)以來(lái)，金屬學(xué)取得了一系列的重大成就，從宏觀到微觀包括合金成分偏析、夾雜物、顯微組織、晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷等各個(gè)層次有關(guān)組織結(jié)構(gòu)的作用及其變化因素，都已積累大量知識(shí)，并總結(jié)出一整套規(guī)律。可以應(yīng)用這些知識(shí)和規(guī)律大大減少生產(chǎn)和使用金屬材料的盲目性。          從60年代開(kāi)始，一個(gè)明顯的動(dòng)向是冶金學(xué)同陶瓷工程學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科的有關(guān)內(nèi)容匯合成為材料科學(xué)，這是因?yàn)殡S著時(shí)代的前進(jìn)，局限在金屬框框里的冶金學(xué)已不能適應(yīng)近代工業(yè)發(fā)展的要求，在某些國(guó)