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。人類自從進入青銅時代以來，同金屬材料及其制品的關(guān)系日益密切。在現(xiàn)代社會中，人們的衣食住行都離不開金屬材料，人們從事生產(chǎn)或其他活動所用的工具和設(shè)施也都要使用金屬材料?？梢哉f，沒有金屬材料便沒有人類的物質(zhì)文明。從歷史上看，16世紀以前的冶金業(yè)，基本上是經(jīng)驗式的操作實踐，技術(shù)水平較低，生產(chǎn)規(guī)模不大。17世紀以來冶金生產(chǎn)不斷取得進展。在此基礎(chǔ)上，由于近代自然科學(xué)理論和實驗方法的產(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、加工和改進金屬性能的各種技術(shù)為起點，發(fā)展到對金屬的成分、組織結(jié)構(gòu)、性能和有關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。19世紀到20世紀中葉，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世紀下半葉以來，電子技術(shù)特別是集成電路和電子計算機的發(fā)展，對冶金產(chǎn)生深刻的影響：一是電子計算機的應(yīng)用使自動化技術(shù)與冶金工藝的結(jié)合越來越緊密；二是電子器件對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)的一個主要組成部分。         冶金生產(chǎn)發(fā)展概況     &#

3、160;    冶金作為一門生產(chǎn)技術(shù)，起源十分古老。人類從使用石器、陶器進入到使用金屬，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米亞地區(qū)，時間大致在公元前3836世紀。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。在人類文明中，大量使用青銅的時代被稱為“青銅時代”。          使用鐵器是人類文明的又一重大進步。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。到公元前13世紀，鐵器的應(yīng)用在埃及已占一定的比重，一般認為這是人類文明進入鐵器時代的開端。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世紀中歐就開始用鐵，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。中世紀的一千多年內(nèi)，冶金技術(shù)進展十分緩慢。例如公元初期西歐已有熟鐵制品；直至1416世紀，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)階級在它不到一百年的階級統(tǒng)治中所創(chuàng)造的生產(chǎn)力，比過

5、去一切時代創(chuàng)造的全部生產(chǎn)力還要多，還要大。”          中國古代冶金比歐洲先進，尤其是掌握鑄鐵技術(shù)比歐洲要早約2000年。大量中國古代鐵器的鑒定結(jié)果表明，中國在漢代生產(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)量就超過了銅。正因為這樣，鐵的經(jīng)營管理在漢代已經(jīng)提到重要議事日程，鹽鐵論一書就是明證。從那時直到清末，經(jīng)常是官商和私商并存。中國冶金生產(chǎn)技術(shù)之所以長期停滯不前，與這種封建官商管理體制有關(guān)。  &#

6、160;       就金屬種類而言，中國在春秋戰(zhàn)國之際(公元前7世紀)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末期 (5世紀)才全部掌握上述金屬。中國在15世紀已有金屬鋅，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)，使價廉的黃銅逐步取代了一大部分價格較昂貴的青銅。          此外，中國古代有優(yōu)良的鑄鐵，因而忽視鋼鐵的金屬塑性加工，始終沒有發(fā)展軋制生產(chǎn)。中

7、國古代有色金屬制作業(yè)也偏重鑄造而忽略塑性加工。一個突出的例子是鑄錢，直到清朝，銅幣始終是鑄造的，而在公元前6世紀的希臘就開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，對人類社會的生產(chǎn)力的發(fā)展起著巨大作用。         冶金學(xué)的形成          源遠流長的冶金生產(chǎn)技術(shù)，直到18世紀末，才從近代自然科

8、學(xué)中汲取營養(yǎng)，逐漸發(fā)育成一門近代科學(xué)冶金學(xué)。          16世紀以前，效益顯著的冶金操作大都憑個人經(jīng)驗或者依靠師徒授受。由于缺乏書本記載，加上技術(shù)保密，有些技術(shù)甚至失傳，中外歷史都提到過這種事例。從開始冶銅到16世紀，人類從事冶金活動已經(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)的進展是何等緩慢！16世紀中葉，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阿格里科拉的論冶金先后問世。特別是后者較完整地記載了當(dāng)時歐洲的冶金技術(shù)操作，起到承先啟后的作用，這兩本書被公認是歐洲冶金文獻中的

9、先驅(qū)，影響深遠。在中國，冶金專書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)星所著天工開物，初刊于1637年，這本書較詳細地記載了中國當(dāng)時的冶金技術(shù)。可是，從那時到清末將近三百年間，中國封建科舉制度的桎梏使科學(xué)技術(shù)在知識界不受重視，天工開物這類書在當(dāng)時就很少有人問津了。          鑄鋼技術(shù)于1740年被突破后，對鋼進行深入研究的條件初步具備了。這反映在兩個方面：18世紀下半葉，伯格曼(T.Bergman)對鋼進行認真分析，作出結(jié)論:“鋼是鐵與碳交互作

10、用的產(chǎn)物?！比藗儗︿摰膶嵸|(zhì)才有較為正確的理解。碳的數(shù)量和形態(tài)是鋼進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)。如果對這兩者缺乏認識，建立冶金學(xué)科就無從談起。以前人們認為氧化和燃燒是“燃素”的轉(zhuǎn)移，直到1786年，“燃素”學(xué)說被拉瓦錫等人徹底推翻，人們對氧化和燃燒現(xiàn)象才有了正確的認識。由此可見，冶金學(xué)的序幕，在18世紀末才真正揭開。          冶金學(xué)的序幕揭開的前夕，人類能冶煉的金屬種類還很少，冶金的技術(shù)手段也很有限。18世紀中葉，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，遠不能滿足制取新金屬的需要。19世紀末，電能登上冶金歷史舞臺，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了。從此冶金技術(shù)大步前進，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，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)又以豐富的實踐經(jīng)驗，充實冶金學(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)過程稱為提取冶金學(xué)。由于這些生產(chǎn)過程伴有化學(xué)反應(yīng)，又稱為化學(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)沉積等各種過程及方法的原理、流程、工藝及設(shè)備，故又稱為過程冶金學(xué)(process metallurgy)。后一名詞根據(jù)國內(nèi)冶金工作者的習(xí)慣簡稱冶金學(xué)。也就是說，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，改進產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，擴大品種并增加產(chǎn)量。          鋼鐵冶煉 主要成就反映在下列諸方面。1828年英國人尼爾森依據(jù)熱工原理對高爐采用預(yù)熱空氣鼓風(fēng)，雖然當(dāng)時所用的預(yù)熱溫度不過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年英國生鐵產(chǎn)量250萬噸，鋼產(chǎn)量卻只有6萬噸。顯然，煉鋼能力大大落后于煉鐵。換句話說，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)和動力學(xué)應(yīng)用于冶金生產(chǎn)工藝的典范。從此開始了煉鋼的新紀元。西門子和馬丁發(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。平爐采用蓄熱室使爐溫顯著提高，在冶金爐熱工方面是繼高爐采用熱風(fēng)之后又一項重大突破。為了擴大煉鋼原料來源，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)具體情況進行多次扒渣以促進去磷，成功地解決了用高磷生鐵冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的問題。上述問題在19世紀下半葉次第解決后，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6.6萬噸，1900年僅低碳鋼就達2800萬噸，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400多倍，一百年增長4000倍，這樣大的增長速度是以往不敢想像的。          20世紀下半葉以來，鋼鐵冶金又有新的發(fā)展。煉鐵高爐采用溫度高達1200的熱風(fēng)和 2.5大氣壓的高壓爐頂操作，使煉鐵生產(chǎn)效率上升到一個新的水平，同時也促進了耐火材料和焦炭的生產(chǎn)。高爐體積也加大了，日產(chǎn)鐵達萬噸以上的高爐并不罕見。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)鋼超過千萬噸的鋼廠已有12個之多。         

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，推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自身也大步前進。有色金屬冶金業(yè)就是這樣在和整個現(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，并已形成一個新的冶金行業(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)境保護方面要解決大量復(fù)雜的問題。在冶金學(xué)和生產(chǎn)實踐密切結(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，但經(jīng)過技術(shù)上的不斷改善，能夠大量減少廢氣，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：利用工業(yè)氧氣以代替空氣，強化熔煉過程；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值，使間斷操作改為連續(xù)操作；在焙燒和還原冶煉過程中，可以綜合回收各種有價金屬，如在鎳冶煉過程中，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 這種冶金過程是用酸、堿、鹽類的水溶液，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 這種方法用來制備高純或超純金屬最為重要，因為金屬的氯化物(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世紀中葉以來，一些特種冶煉工藝相繼問世，對新材料的發(fā)展起到極大的促進作用，其中最突出的是真空冶金技術(shù)。高頻感應(yīng)爐是20世紀20年代以后出現(xiàn)的，大約過了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，而熔點很高的金屬如鈮、鉬之類則只能用粉末冶金方法生產(chǎn)，而且這些金屬的脆性問題也難以解決。電渣重熔技術(shù)是20世紀中葉出現(xiàn)的。這種工藝是蘇聯(lián)從電渣焊接發(fā)展起來的，對去除雜質(zhì)十分有效，已大量為制備特殊要求的合金材料所采用。          冶金過程物理化學(xué)的研究 是提取冶金學(xué)的基礎(chǔ)。冶金過程熱力學(xué)闡明各種冶金反應(yīng)的原理，明確反應(yīng)進行的方向，提供獲

24、得反應(yīng)產(chǎn)物最大收得率的途徑。冶金過程動力學(xué)探討伴有物質(zhì)傳遞、能量傳遞及動量傳遞等現(xiàn)象下反應(yīng)的速度及機理、明確控制反應(yīng)速度的環(huán)節(jié)，從而提出提高反應(yīng)強度、縮短反應(yīng)時間的措施。冶金過程物理化學(xué)在發(fā)展冶金新技術(shù)、探索新流程、改進舊有冶金工藝及促進冶金工業(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)用冶金過程物理化學(xué)的理論改進現(xiàn)有生產(chǎn)工藝及開創(chuàng)新技術(shù)的例證。冶金過程物理化學(xué)的研究從20世紀20年代中期以來十分活躍，以美國人奇普曼(J.Chipman)及德國人申克(H.Schenck)為代表，發(fā)展和運用了活度的概念，測定了相當(dāng)多的高溫?zé)崃W(xué)數(shù)據(jù)

25、，相應(yīng)地發(fā)展了一套實驗研究方法，解決冶煉過程中的一些問題。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，實驗成果和生產(chǎn)實踐還存在一定距離，而且因為設(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)濟效益。但是毫無疑義，冶金過程物理化學(xué)的研究對冶金新技術(shù)的發(fā)展，新流程的開發(fā)，將產(chǎn)生日益重要的影響。          物理冶金學(xué) 研究通過成型加工，制備有一定性能的金屬或合金材料的學(xué)科稱之為物理冶金學(xué)，或稱金屬學(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、塑性加工對金屬力學(xué)性能的影響以及金屬在使用過程中的力學(xué)行為，則稱之為力學(xué)冶金學(xué)(mechanical metallurgy)。顯然，力學(xué)冶金是物理冶金學(xué)的一個組成部分。          20世紀以來，金屬學(xué)取得的一系列重大成就，為推進冶金生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻。其中影響較大的是：  

27、0;       C曲線 美國人貝茵(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(見過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖)。          晶拉取向 研究金屬冷加工變形過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)過改進于1939年制成商品，后來繼續(xù)改進，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。近年來電子顯微鏡已能直接觀察金屬中的面缺陷、位錯和點缺陷等。應(yīng)用電子計算機處理圖象，進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原子的清晰圖象。這是20世紀科技中的杰出成就之一(見電子顯微學(xué))。        

29、0; 鋼中馬氏體相變 此研究加深了對馬氏體中碳原子固溶強化以及對馬氏體中位錯和孿晶等作用機制的了解，有效地指導(dǎo)了高強度、高韌性鋼的設(shè)計和發(fā)展。形變熱處理、應(yīng)變時效熱處理，以及低碳馬氏體鋼、馬氏體時效鋼、相變塑性鋼(TRIP)和雙相鋼等都是以此為指導(dǎo)原則提出來的。30年代在銅合金中觀察到馬氏體相變的可逆性，后來又發(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，噴氣發(fā)動機的發(fā)展對高溫合金提出日益嚴格的要求。1943年英國制造的第一臺噴

30、氣發(fā)動機使用鎳基高溫合金的工作溫度為650，以后逐年提高。70年代達到950，鎳基合金的使用溫度已相當(dāng)于合金熔點絕對溫度的75以上，這是20世紀冶金技術(shù)的出色成就之一，是綜合運用金屬學(xué)理論、材料使用所積累的經(jīng)驗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粉末。由這種超細粉末壓制成型并進行燒結(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，離子注入法已被用來改變金屬表面層的成分和結(jié)構(gòu)(見晶體表面，化學(xué)熱處理)。          超塑性 金屬和合金的超塑性的發(fā)現(xiàn)，對塑性加工帶來很大的好處，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。但是對材料的組織結(jié)構(gòu)要求嚴格，成型工藝比較復(fù)雜(見金屬力學(xué)性能的表征)。          斷裂力學(xué) 繼

33、位錯理論之后，美國人歐文(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)量和機械設(shè)計等方面起了十分重要的作用。         冶金學(xué)的展望          20世紀下半葉以來，冶金生產(chǎn)工藝與自動化技術(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)用計算機進行自動控制。倘若沒有自動控制，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，軋鋼就難以實現(xiàn)高速化和連續(xù)化，有理由認為，生產(chǎn)過程自動化刷新了冶金學(xué)的內(nèi)容，成為當(dāng)前和今后冶金發(fā)展的一個重要方向。          單純從提取金屬著眼，運用今天擁有的自然科學(xué)知識和技術(shù)手段，即使礦石品位再低，組成再復(fù)雜，都可以把金屬提取出來，問題在于消耗的能源是否過大，花費的成本是否合算。因此，在提取冶金方面仍然有很多研究課題。例如：擴大資源范圍限于今天技術(shù)水平、經(jīng)濟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)過程對環(huán)境的污染、發(fā)展資源的綜合利用，形

35、成無公害工藝或無廢料工藝；充分利用氧氣等進一步強化冶煉過程，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)制新合金的過程中，人們對成分、組織結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系進行了研究。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世紀以來，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，并總結(jié)出一整套規(guī)律?？梢詰?yīng)用這些知識和規(guī)律大大減少生產(chǎn)和使用金屬材料的盲目性。          從60年代開始，一個明顯的動向是冶金學(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)，這是因為隨著時代的前進，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