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冶金学的成就中的物理冶金学
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## 冶金学的成就中的物理冶金学

研究成形加工、制备有一定性能的金属或合金材料的学科，又称金属学。金属（包括合金）的性能（物理性能及力学性能）不仅与其化学成分有关，而且被成形加工或金属热处理过程产生的组织结构所决定。成形加工包括金属铸造、粉末冶金及金属塑性加工（轧、锻、挤、拔）。研究金属的塑性变形理论、塑性加工对金属力学性能的影响及金属在使用过程中的力学行为，则称为力学冶金。显然，力学冶金是物理冶金学的一个组成部分。　　19世纪中叶，在钢生产开始大发展的时候，为了获得钢的热处理和有关使用方面的知识，1863年H.C.索比用显微镜对钢的组织进行系统的观察研究，创造了金相学。金相学使冶金学向前迈开了极其重要的一步。只有金相学的出现，才有可能研究金属的显微组织及其各种条件下的变化，物理冶金的研究——研究金属及其合金的成分、组织结构和性能之间的内在联系也就更加明确起来。为了掌握各种合金相（或组织结构）的生成条件，对相图的需求日益迫切。1900年，德国H.W.巴基乌斯-洛兹本[注]在前人的工作基础上运用吉布斯相律建立了铁碳相图（即铁碳平衡图），这一重大研究成果是物理冶金发展史上的重要里程碑。此后，在各种相图工作的指引下，研究发展合金尤其是合金钢的工作开展起来。19世纪下半叶主要研究了含钨的高速工具钢和高锰耐磨钢。用途较广的镍铬钢系列则是第一次世界大战前夕英国的H.布里尔利[注]等人研究成的。在1860年各国实际应用的各种合金和合金钢的品种共约40种，1890年后逐渐增加，到20世纪60年代正式列入各国工业产品目录的合金及钢的品种已不下4000种。从冶金角度看，可以认为20世纪进入了合金时代，进入人类按使用要求创制性能适用的金属材料时代。20世纪以来，物理冶金学取得的一系列重大成就，为推进冶金生产和技术的发展作出了重要贡献。其中影响较大的是：①C曲线。美国E.C.贝茵[注]等研究奥氏体在不同温度下的恒温转变特征及其产物，创造了C曲线，从而阐明了钢的一般热处理原理。②晶粒取向。研究金属冷加工变形过程和退火后的组织结构变化，发现取向结构对硅钢片性能有显著影响，从而找到了生产高性能硅钢片的方法。③金属单晶制备。掌握单晶和双晶等制备方法，为晶体研究和半导体晶体管生产提供了技术手段。④脱溶。法国A.吉尼尔[注]和英国G.D.普雷斯顿[注]在20世纪30年代晚期各自应用X射线衍射研究高强度铝合金的时效硬化机理，指出铝铜合金中的铜原子处于脱溶状态时硬化效应最大。这项研究结果启发人们对合金中少量元素的作用获得新的理解。⑤用电子显微镜研究金属。1932年发明电子显微镜，经过改进，于1939年制成商品，后来继续改进，其分辨能力不断提高，已成为研究微观结构的有力工具，可直接观察金属中的面缺陷、位错和点缺陷等。应用电子计算机处理图像，进一步提高电子显微镜的分辨能力，已能直接看到金属晶体中单个原子的清晰图像。这是20世纪科技中的杰出成就之一。⑥位错理论。1934年由英国物理学家G.I.泰勒[注]、荷兰M.波拉尼[注]和匈牙利E.奥罗万[注]分别提出。1956年英国P.B.赫希[注]在电子显微镜下观察金属薄膜，证实了位错的存在。以后一些学者又陆续验证了对金属中位错生成、增殖和运动规律的理论推测。这对阐明金属形变、强度和断裂机制有重要意义。⑦钢中马氏体相变。此研究加深了对马氏体中碳原子固溶强化以及对马氏体中位错和孪晶等作用机制的了解，有效地指导了高强度、高韧性钢的设计和发展。形变热处理、应变时效热处理，以及低碳马氏体钢、马氏体时效钢、相变塑性钢（TRIP）和双相钢等都是以此为指导原则提出来的。20世纪30年代在铜合金中观察到马氏体相变的可逆性，后来又发现若干具有同样性能的合金，根据这一原理研制成的形状记忆合金，已经应用于很多技术中。⑧高温合金材料。20世纪40年代以来，喷气发动机的发展对高温合金提出日益严格的要求。1943年英国制造的第一台喷气发动机使用镍基高温合金的工作温度为650℃，以后逐年提高，70年代达到950℃。镍基合金的使用温度已相当于合金熔点的热力学温度的75%以上，这是20世纪冶金技术的出色成就之一，是综合运用金属学理论、材料使用所积累的经验和冶金新工艺等得到的成果。⑨微晶金属和非晶态金属。液态金属凝固时经快速冷却所生成的微晶合金或非晶态金属，各自具有独特的性能。微晶金属是液态金属在惰性气体中喷雾快速冷却形成的超细粉末。由这种超细粉末压制成形并进行烧结而成的部件，由于成分均匀，偏析极小，可以提高合金化程度，其微晶结构具有较一般合金优越得多的性能。非晶态金属则是某些合金体系在液体状态下以大于每秒105℃的冷却速度冷到室温的金属，其强度和抗腐蚀性能都优于一般金属。非晶态金属的电磁性能尤为优越。非晶态金属经热处理可析出微晶，成为残余非晶体和微晶粒组成的集合体。微晶金属和非晶金属的发现，为金属学开辟了广阔新园地。⑩纳米材料。20世纪90年代后期，许多国家都致力于研究发展超细晶粒、高洁净度、高均质性（无宏观偏析）的钢铁材料，期望材料强度和使用寿命提高一倍。利用形变诱导铁素体相变（DIFT）技术制成的超细晶普碳钢材的屈服强度σs达到400兆帕以上，而且低温韧性也显著改善。如果材料的微观组织进一步减小到纳米尺度，性能将发生巨变。纳米晶结构不锈钢（200纳米）的抗蚀性和耐辐照性可提高数倍，纳米级低合金钢的强度可达8～10吉帕。纳米陶瓷和碳纤维材料也都具有特殊优异的性能，并可与金属结合成为复合材料。纳米接近原子尺度，对其组织结构的观察需要有特别的实验技术。由于纳米材料奇异的性能和独特的价值，已成为开发研究的热点。⑪金属表面的研究和加工处理。金属表面科学研究日益深入。通过提高钢部件表面硬度以提高它的抗磨性能的技术，在20世纪30年代已普遍应用。随着渗碳、渗氮等技术的采用，新的表面处理方法不断出现，如采用喷丸处理使金属部件表面产生压应力以提高其疲劳性能，采用气相沉积以增强金属表面抗磨性能，采用激光处理使金属表面合金化或产生一层非晶态物质以改善其抗腐蚀性能。离子注入法被用来改变金属表面层的成分和结构。在轧钢过程中，利用热镀金属、表面涂层等方法以获得抗腐蚀、免润滑等附加性能的板材，成为改善金属表面功能的大规模生产方法。⑫超塑性。金属和合金的超塑性的发现，对塑性加工带来很大的好处，有些难以变形的金属可以利用它的超塑性成形。这种方法所需设备功率小，金属收得率高，成形后金属性能均匀。但是对材料的组织结构要求严格，成形工艺比较复杂。⑬金属热处理和加工制造过程协同进行。传统方法是把热处理作为加工过程的一个单独程序（如退火），或在金属材料制成后再另外进行。考虑到钢坯的再加热和轧制过程及轧后冷却的温度变化，可以使热处理功能在轧制过程中部分实现，例如控制轧制和控制冷却（控轧控冷），就是有目标的控制轧制过程中的γ→α相变和轧后的冷却速率，以提高钢材性能。由于高温连铸坯直接轧制工艺流程的成功，不仅显著节约能耗，而且钢坯温度在轧制前可以一直高于A3线（由奥氏体冷却时析出铁素体的开始线），即一直处于奥氏体区，γ→α相变在终轧制后才发生，这就能够使晶粒进一步细化，生成细晶粒钢。可以肯定的是多因子物质流的顺畅运行，不仅降低了能量的耗散，而且有助于提高某些物理冶金过程的效率。⑭断裂力学。继位错理论之后，美国G.R.欧文[注]等在20世纪60年代初根据线弹性理论提出断裂力学的概念，在控制材料质量和机械设计等方面起了十分重要的作用。
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