什么是金属学?

[拼音]：jinshuxue

[外文]：physical metallurgy

研究金属及其合金的组成、组织结构和性能之间的内在联系，以及在各种条件下的变化规律，为有效地使用金属材料和为发展具有特定性能的金属材料而服务的一门应用科学。它是从冶金学的一个分支──金相学直接演变而来的。金属学一词，在中国始见于50年代初，是从俄文“Металловедение”翻译过来的，字义与德文的”metallkunde”一词相当，科学内容和英文的”Physicalmetallurgy”（物理冶金）大致相当。

19世纪，冶金学在生产力蓬勃发展的推动下也得到了重视，到20世纪30年代发展衍生若干分支学科，金属学或物理冶金就是其中之一。19世纪末至20世纪前叶，钢的一般成分化学分析方法已经建立，观察大于微米级的显微组织的金相学技术已普遍应用，通过物理性能测定或热分析方法研究相变已积累了一定经验，用相律指导相图的工作正在大量开展，这些都为金属学的发展提供了条件。1863年英国人索比(H.C.Sorby)发明了金相技术，为研究合金中的相组成和显微组织提供了有力工具。1868年俄国人切尔诺夫(Д.к.Чернов) 观察到钢必须加热到超过某个临界温度才能淬火硬化，揭示了相变的存在和作用。1887年法国人奥斯蒙(F.Osmond)利用差热分析方法系统地研究了钢的相变。1899年英国人罗伯茨－奥斯汀(W.Roberts-Austen)指出钢在临界温度以上的相是固溶体，并绘制出第一张铁碳相图。1900年德国人巴基乌斯-洛兹本(H.W.Bakhius-Roozeboom)在此基础上应用吉布斯(J.W.Gibbs)相律修订了铁碳相图(见铁碳平衡图)。相图的出现，是金属学发展的一个里程碑。

20世纪以来，金属学继续汲取物理学、物理化学和力学等有关成就，内容日益丰富。美国人贝茵(E.C.Bain)和达文波特(E.S.Davenport) 从1929～1930年开始研究钢中奥氏体在不同恒温条件下的转变过程及其产物，创造了S曲线，后来改称C曲线(见过冷奥氏体转变图)，阐明了钢的热处理的一般原理，对钢的发展和有效利用有重要指导意义。X射线衍射分析在金属学发展中也起了重要作用。通过应用X射线，各种合金相结构包括马氏体的结构及其与碳含量的关系搞清楚了；金属冷加工形变及其在退火过程中的择优取向被提示了；铝铜合金的时效硬化机理也得到阐明。1934年位错理论的提出，不但成功地指出了材料实际强度和理论强度相差千百倍的原因，而且正确地说明了金属的形变和加工硬化现象。这些，都是第二次世界大战以前的重要成就。50年代金属物理、固体物理的发展，特别是电子显微镜的应用以及薄膜透射技术的成功及衍衬理论的建立，对金属的微观结构如位错的存在和运动等研究，提供了有力的工具，从而使金属学中很多关键问题得以澄清（见晶体缺陷，金属的强化）。

多年来，由于对钢和其他合金的成分、组织结构与性能的内在联系的研究工作不断深入，性能优越的新钢种和新合金不断涌现。高温合金的发展便是这方面最突出的成就之一。对有关合金相的形成规律，各种元素及超微量杂质在金属中的作用的研究也愈趋深入，现在对选择、处理和使用金属材料的肓目性已大为减少，但要实现完全按照预定要求而不进行实验就能设计出合格的合金，还有很大距离。

金属学以金属电子论、晶体学(见晶体结构)及合金热力学为理论基础，依靠物理、化学的微观和宏观检测技术，扩展了金相学的内容，保持应用科学的传统，其研究内容可分为两方面：

（1）联系成分、处理过程对金属组织结构和性能的影响，研究合金相结构和组织的形成规律，包括:研究合金相的形成、相图原理及其测定、合金元素及微量元素在合金相中的分布等合金组成的规律；研究晶体中原子的扩散过程；晶体重构的相变过程，包括金属的凝固与温度压力变化下的固态相变；研究晶体缺陷和金属形变过程中的位错运动；研究成分及杂质对金属性质的影响，包括超微量元素以及微观和宏观偏析。

（2）联系金属材料的使用，研究材料结构强度和断裂行为（见形变和断裂）；研究金属材料在各种不同使用条件下的特性变化等（见范性形变，疲劳，蠕变，应力腐蚀断裂和氢脆）；研究金属的强化原理。至于那些虽以金属为对象，或虽与金属有关，但主要研究晶体缺陷和金属电子结构以及它们之间，或它们与各种射线之间的交互作用等微观过程；研究金属和合金的物性本质，或纯属探索自然规律的领域，则另列入金属物理，属凝聚态或固体物理的分支。按学科划分惯例，有关磁性、电导、超导、半导等基础性工作，不属于金属学，应列入物理学范畴。

最近20年来金属学出现不少新的突破，主要是由于新实验技术和新工艺的出现而取得的。例如，应用电子计算机进行图象处理，可以明显地提高电子显微镜的分辨能力，能直接看到金属中单个原子分布的图象(见电子显微学)；分析电子显微术和各种表面分析设备不断出现，将金属学的发展引向更加深入。又如应用激冷技术制成的快冷微晶合金和某些合金体系形成的非晶态金属，都各自显示出特有的性能，有很大的理论意义和实用价值，为金属学开拓了新园地。

金属学在历史上曾有力地推动冶金学的发展，现在仍是广义的冶金学中最活跃的学科。