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冶金学

2008-08-02 00:00 百科1756

冶金生产发展概况冶金学的形成冶金学的成就提取冶金学钢铁冶炼有色金属冶炼冶金过程物理化学的研究物理冶金学冶金学的展望研究从矿石中提取金属或金属化合物,用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的学科。人类

冶金生产发展概况

冶金学的形成

学的成就

提取冶金学

钢铁冶炼

有色金属冶炼

冶金过程物理化学的研究

物理冶金学

冶金学的展望

研究从矿石中提取金属或金属化合物,用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的学科。人类自从进入青铜时代以来,同金属材料及其制品的关系日益密切。在现代社会中,人们的衣食住行都离不开金属材料,人们从事生产或其他活动所用的工具和设施也都要使用金属材料。可以说,没有金属材料便没有人类的物质文明。从历史上看,16世纪以前的冶金业,基本上是经验式的操作实践,技术水平较低,生产规模不大。17世纪以来冶金生产不断取得进展。在此基础上,由于近代自然科学理论和实验方法的产生和发展,逐渐形成冶金学。冶金学以研究金属的制取、加工和改进金属性能的各种技术为起点,发展到对金属的成分、组织结构、性能和有关基础理论的研究。19世纪到20世纪中叶,冶金学、冶金生产和技术发展极其迅速,成就很大。20世纪下半叶以来,电子技术特别是集成电路和电子计算机的发展,对冶金产生深刻的影响:一是电子计算机的应用使自动化技术与冶金工艺的结合越来越紧密;二是电子器件对材料性能提出了新的要求,从而促使冶金学发展成为材料科学的一个主要组成部分。

冶金生产发展概况

冶金作为一门生产技术,起源十分古老。人类从使用器、陶器进入到使用金属,是文明的一次飞跃。据冶金史初步研究,人类使用天然金属(主要是天然)距今大约不下8000年。但天然铜资源稀少,要使用更多的铜必须从矿石中提取。据目前所知,世界上最早炼铜的是美索不达米亚地区,时间大致在公元前38~36世纪。最早的青铜是在苏米尔(Sumer)地区出现的,大约在公元前30世纪。在人类文明中,大量使用青铜的时代被称为“青铜时代”。

使用器是人类文明的又一重大进步。最早炼铁的是在黑海南岸的山区,大约在公元前14世纪。到公元前13世纪,铁器的应用在埃及已占一定的比重,一般认为这是人类文明进入铁器时代的开端。显然,在不同地区,铁的使用和生产发展水平有很大差异。在欧洲,公元前11世纪中欧就开始用铁,但向西欧传播则极其缓慢。直到公元前55年,随着罗马人的入侵,铁才传入不列颠。中世纪的一千多年内,冶金技术进展十分缓慢。例如公元初期西欧已有熟铁制品;直至14~16世纪,欧洲才发展为采用水力鼓风,加大、加高炼铁炉,生产出铸铁。15世纪的欧洲,尽管熟铁器已经广泛使用,但铜和青铜仍是生产得最多的金属。

16世纪欧洲出现资本主义的萌芽。首先是英王亨利八世(1509~1547在位)把属于寺院的采矿和冶金企业拍卖给当时新生的资本家。冶金企业转移到苦心经营、孜孜追求高额利润的资本家手中;资本家之间展开竞争,推动了生产技术的发展。另一方面,机器、造船等工业的发展又为冶金业开辟了市场和提供了技术装备。15世纪以前,英国的冶金以及其他生产技术都落后于欧洲大陆。在1640年以后的250年中,以高炉炼铁、炼为主的冶金生产和技术的发展及变革主要发生在英国。尤其是从1700~1890年,一系列重要的技术发明创造使英国的炼铁、炼钢工业得到蓬勃发展。这些发明创造在炼铁方面有:①公元1709年达比(A.Darby)用焦炭代替木炭炼铁成功,使冶金业摆脱了木炭资源(森林)的限制;②1828年尼尔森(J.B.Neilson)采用风使炼铁焦比降低,生产效率成倍提高。在炼钢方面有:①1740年亨茨曼(B.Huntsman)首次采用坩埚炼钢法生产铸钢件;②1856年贝塞麦(H.Bessemer)发明转炉炼钢法,开创了炼钢的新纪元;③1855年西门子(K.W.Siemens)发明了蓄热室,1864年马丁(P..Martin)利用该原理创造平炉炼钢法,从而扩大了炼钢的原料来源;④1879年托马斯(S.G.Thomas)和吉尔克里斯特(P.C.Gilchrist)发展出碱性转炉炼钢法,成功地解决了高磷生铁优质钢的问题。在轧钢方面有:①1697年汉伯里(J.Hanbury)用平辊轧制出熟铁板,供生产镀铁板之用;②1783年科特(H.Cort)用孔型轧制生产熟铁棒,这种方法后来用于生产型材。这些发明创造使英国炼铁、炼钢工业在18~19世纪走在世界最前面。19世纪末英国在钢铁产量方面虽已被资源丰富的美国超过,但在质量方面仍居于领先地位。炼铜情况也是一样。铜资源并不充裕的英国,在19世纪60年代竟然成了世界上产铜最多的国家。英国冶金业之所以能从落后变为先进,主要应归功于最早出现了适合当时生产力发展的资本主义体制。正如马克思、恩格斯在《共产党宣言》中所指出的:“资产阶级在它不到一百年的阶级统治中所创造的生产力,比过去一切时代创造的全部生产力还要多,还要大。”

中国古代冶金比欧洲先进,尤其是掌握铸铁技术比欧洲要早约2000年。大量中国古代铁器的鉴定结果表明,中国在汉代生产的有些铸铁件中的石墨呈球絮状,具有一定的柔韧性,与近代可锻铸铁颇为相似。中国古代生产的铸铁和热处理技术已能适应制造农具的要求,从汉代起铁产量就超过了铜。正因为这样,铁的经营管理在汉代已经提到重要议事日程,《盐铁论》一书就是明证。从那时直到清末,经常是官商和私商并存。中国冶金生产技术之所以长期停滞不前,与这种封建官商管理体制有关。

就金属种类而言,中国在春秋战国之际(公元前7世纪)即已掌握金、、铜、铁、锡、等七种常用金属。欧洲则直到罗马帝国末期(5世纪)才全部掌握上述金属。中国在15世纪已有金属锌,三百多年后,欧洲才有人取得用蒸馏法制的专利。炼锌技术传播到资本主义正在发展的欧洲后,便立即应用于黄铜制造业,使价廉的黄铜逐步取代了一大部分价格较昂贵的青铜。

此外,中国古代有优良的铸铁,因而忽视钢铁的金属塑性加工,始终没有发展轧制生产。中国古代有色金属制作业也偏重铸造而忽略塑性加工。一个突出的例子是铸钱,直到清朝,铜币始终是铸造的,而在公元前6世纪的希腊就开始用模锻方法造币了。

综观古代世界冶金业的发展,可以看出:金属制品,特别是青铜器和铁器,对人类社会的生产力的发展起着巨大作用。

冶金学的形成

源远流长的冶金生产技术,直到18世纪末,才从近代自然科学中汲取营养,逐渐发育成一门近代科学──冶金学。

16世纪以前,效益显著的冶金操作大都凭个人经验或者依靠师徒授受。由于缺乏书本记载,加上技术保密,有些技术甚至失传,中外历史都提到过这种事例。从开始冶铜到16世纪,人类从事冶金活动已经有5000多年,可是能够炼制的金属总共只有七、八种。冶金技术的进展是何等缓慢!16世纪中叶,欧洲最早的两本冶金著作:意大利比林古乔的《火法技艺》和德国阿格里科拉的《论冶金》先后问世。特别是后者较完整地记载了当时欧洲的冶金技术操作,起到承先启后的作用这两本书被公认是欧洲冶金文献中的先驱,影响深远。在中国,冶金专书的出版虽然比欧洲早得多,但很可惜,宋代张潜著的《浸铜要略》早已散佚,明代傅浚著的《铁冶志》也未能传世。明末宋应星所著《天工开物》,初刊于1637年,这本书较详细地记载了中国当时的冶金技术。可是,从那时到清末将近三百年间,中国封建科举制度的桎梏使科学技术在知识界不受重视,《天工开物》这类书在当时就很少有人问津了。

在欧洲,16~18世纪是自然科学播种萌芽的时代,欧洲知识界寻求真理的思想日益活跃。17世纪初,培根(F.Bacon)(1561~1617)明确指出,认识事物要有正确的方法。数学进一步受到重视,并日益成为增进知识的重要工具,这对开拓自然科学许多领域起了重要作用。另一增进知识的重要工具是科学实验设备的发明和应用,复合显微镜就是詹森(Z.Jansen)在这个时期发明的。胡克(R.Hooke)于1665年用显微镜观察剃刀表面的锈点和划痕,列奥米尔(R.A.F.deRaumur)于1713~1716年用它观察金属断口。化学实验手段的改进,也有利于发现和制取一系列新的金属元素。

铸钢技术于1740年被突破后,对钢进行深入研究的条件初步具备了。这反映在两个方面:①18世纪下半叶,伯格曼(T.Bergman)对钢进行认真分析,作出结论:“钢是铁与交互作用的产物。”人们对钢的实质才有较为正确的理解。碳的数量和形态是钢进行金属热处理的依据,要制出好钢,就必须在“碳”上作文章。从此,为钢冶金指明了方向。②氧化及其反面──还原,是冶金的化学基础。如果对这两者缺乏认识,建立冶金学科就无从谈起。以前人们认为氧化和燃烧是“燃素”的转移,直到1786年,“燃素”学说被拉锡等人彻底推翻,人们对氧化和燃烧现象才有了正确的认识。由此可见,冶金学的序幕,在18世纪末才真正揭开。

冶金学的序幕揭开的前夕,人类能冶炼的金属种类还很少,冶金的技术手段也很有限。18世纪中叶,冶金产品仍只有钢铁和铜、铅、锡、金、银、、锌、汞等;等虽已被识别,但生产甚少,应用不多。冶金手段基本上还只是氧化法(如灰吹法)和碳还原法,远不能满足制取新金属的需要。19世纪末,电能登上冶金历史舞台,熔盐电解法和水溶液电解法出现了,能产生高温和控制冶炼气氛的电炉制造出来了。从此冶金技术大步前进,发现并且生产出了一系列新的金属和新的合金

冶金学受到其他学科的哺育而成长,冶金学也为其他学科提供了新的金属材料和新的研究课题。金属元素和金属化合物的研究促进了化学的发展,金属物理性质(如导电性性)的研究成了凝聚态物理的重要内容。

冶金学的成就

冶金学不断地吸收自然科学,特别是物理学、化学、力学等方面的新成就,指导着冶金生产技术向广度和深度发展。另一方面,冶金生产又以丰富的实践经验,充实冶金学的内容,发展成为两大领域:即(1)提取冶金学(extractivemetallurgy)和物理冶金学(physicalmetallurgy)。

提取冶金学从矿石提取金属(包括金属化合物)的生产过程称为提取冶金学。由于这些生产过程伴有化学反应,又称为化学冶金学(chemicalmetallurgy)。它研究分析火法冶炼、湿法提取或电化学沉积等各种过程及方法的原理、流程、工艺及设备,故又称为过程冶金学(processmetallurgy)。后一名词根据国内冶金工作者的习惯简称冶金学。也就是说,狭义的冶金学指的是提取冶金学,而广义的冶金学则包括提取冶金学及物理冶金学。

提取冶金学的任务是研究各种冶炼及提取方法,提高生产效率,节约能源,改进产品质量,降低成本,扩大品种并增加产量。

钢铁冶炼主要成就反映在下列诸方面。1828年英国人尼尔森依据热工原理对高炉采用预热空气鼓风,虽然当时所用的预热温度不过350,可是获得显著降低焦比并成倍提高炼铁效率的良好效果炼铁效率提高后,坩埚炼钢和炒钢法这些旧的炼钢方法就很不适应了。1850年英国生铁产量250万吨,钢产量却只有6万吨。显然,炼钢能力大大落后于炼铁。换句话说,只有很小一部分生铁能被炼制成钢。1856年贝塞麦发明转炉炼钢法,向转炉中的铁水吹空气,使铁水中、碳等元素含量迅速降低,同时产生大量的热能,使液态生铁炼成液态的钢。转炉炼钢是冶金史上最杰出的成就之一,是创造性地将物理化学的热力学动力学应用于冶金生产工艺的典。从此开始了炼钢的新纪元。西门子和马丁发明的平炉炼钢法在1864年投产。这种方法能用废钢作原料。平炉采用蓄热室使炉温显著提高,在冶金炉热工方面是继高炉采用热风之后又一项重大突破。为了扩大炼钢原料来源,托马斯和吉尔克里斯特依据磷在渣和钢中平衡分配这一物理化学原理,采用碱性炉衬、碱性造渣,并根据具体情况进行多次扒渣以促进去磷,成功地解决了用高磷生铁冶炼优质钢的问题。上述问题在19世纪下半叶次第解决后,炼钢生产如同脱缰之马,驰骋向前。1850年欧洲钢的总产量约6.6万吨,1900年仅低碳钢就达2800万吨,1955年全世界钢产量为2.6亿吨。以1850年的钢产量为基数,五十年增长400多倍,一百年增长4000倍,这样大的增长速度是以往不敢想象的。

20世纪下半叶以来,钢铁冶金又有新的发展。炼铁高炉采用温度高达1200的热风和2.5大气压的高压炉顶操作,使炼铁生产效率上升到一个新的水平,同时也促进了耐火材料和焦炭的生产。高炉体积也加大了,日产铁达万吨以上的高炉并不罕见。炼钢方面,最主要的是发展出氧气顶吹转炉炼钢(后又发展出底吹和复合吹炼)和连续铸钢技术。目前,氧气转炉已取代平炉成为最主要的炼钢设备。1979年世界钢产量达7亿多吨,其中有一半以上是用氧气转炉生产的。其他如真空冶金、炉外精炼、喷射冶金等新技术对提高钢的质量都起了重要作用。

此外,轧制则向高速化和连续化发展,带钢冷轧速度可高达每分钟2500米。连铸和连轧工艺的采用提高了钢的收得率,节约了能源。就生产规模而言,1981年年产钢超过千万吨的钢厂已有12个之多。

有色金属冶炼科学技术的发展向冶金业不断提出生产新型材料的要求,冶金业在满足这些要求中,推动了科学技术的发展,自身也大步前进。有色金属冶金业就是这样在和整个现代科学技术息息相关的情况下建立了一系列新的金属工业。例如:20世纪50年代以前,硅、的冶金不被重视,只有半导体研究兴起后,才迅速发展起来,并已形成一个新的冶金行业──半导体冶金。和航空技术的关系,原子能技术的关系等等,也莫不如此。

有色金属种类繁多,物理和化学性质各不相同,它们的生产工艺在富集、分离、制取和提纯等过程中技术比较复杂。而且有色金属矿大都品位不高,往往是多种矿物共生,在采矿、选矿、资源综合利用和环境保护方面要解决大量复杂的问题。在冶金学和生产实践密切结合的条件下,有色金属冶金业取得十分丰富的技术成果。其中较重要的有:

①重有色金属火法冶金的发展有色金属硫化矿容易选成精矿,传统的冶炼方法是火法冶金,虽然这种方法有产生大量废气并放出有毒气体的缺点,但经过技术上的不断改善,能够大量减少废气,减少有害气体的逸出,并利用硫燃烧所发生的热量,使火法冶金成为有效地利用能量的冶炼方法,并使设备的生产能力不断提高。现代火法冶金具有以下的特点:利用工业氧气以代替空气,强化熔炼过程;使用能力大的冶炼设备;尽最大可能利用硫化精矿的燃料价值,使间断操作改为连续操作;在焙烧和还原冶炼过程中,可以综合回收各种有价金属,如在镍冶炼过程中,可回收镍、钴、铜、金、银、铂、、铁、硫等金属。虽然近代电冶金、湿法冶金有了很大的发展,但火法冶金仍然是处理重有色金属硫化矿的主要方法。

②熔盐电解法炼制轻金属熔盐电解法是用电解还原的方法。早在19世纪初,英国人戴维(H.Davy)已用此法制得等金属。1854年法国人德维尔(S.C.Deville)用钠还原法制铝,生产成本很高,铝与银同价,因而不能推广应用。1886年美国人霍尔(C.M.Hall)和法国人埃鲁(P.L.T.Hroult)各自采用熔盐电解法炼铝成功。这一成就与拜耳法处理铝矾土氧化铝的方法相结合,使铝冶金真正走上工业化生产的道路,使铝发展成为仅次于钢铁的“第二金属”,并且开辟了航空技术的新纪元。熔盐电解法在有色金属冶金中占有重要地位。除铝外,还用于、锂、钠和铀的生产。

③湿法冶金这种冶金过程是用酸、碱、盐类的水溶液,以化学方法从矿石中提取所需金属组分,然后用水溶液电解等各种方法制取金属。现在世界上有75%的锌和是采用焙烧-浸取-水溶液电解法制成的。这种方法已大部分代替了过去的火法炼锌。其他难于分离的金属如镍-钴,--稀土金属都采用湿法冶金的技术如溶剂萃取或离子交换等新方法进行分离,取得显著的效果。

④金属热还原法此法是用硅、、镁、铝、钠等化学性质活泼的金属还原其他金属的化合物。如用镁、钙还原四氯化、四氯化锆及四氟化铀,分别可得到钛、锆、铀等。金属热还原法在难熔金属冶金中占有重要的地位。在铁合金生产中也用得较多,如用铝硅热法制造钼铁合金等。

⑤氢还原法制取高纯金属这种方法用来制备高纯或超纯金属最为重要,因为金属的氯化物(如四氯化硅、四氯化锗等)可用精馏法提纯,然后用氢还原法还原金属氯化物,可制备高纯金属。这种超纯材料对电子工业的高速发展,起了重要的作用。冶金也采用这种方法。

20世纪中叶以来,一些特种冶炼工艺相继问世,对新材料的发展起到极大的促进作用,其中最突出的是真空冶金技术。高频感应炉是20世纪20年代以后出现的,大约过了20年,出现了真空感应炉,随着又出现真空自耗炉和真空电子束熔炼炉。这些装置对冶金产品质量的提高起了重要作用。更重要的是,如果没有这些技术装备,化学性质活泼的金属如钛、锆、铀等是难以制备的,而熔点很高的金属如铌、之类则只能用粉末冶金方法生产,而且这些金属的脆性问题也难以解决。电渣重熔技术是20世纪中叶出现的。这种工艺是苏联从电渣焊接发展起来的,对去除杂质十分有效,已大量为制备特殊要求的合金材料所采用。

冶金过程物理化学的研究是提取冶金学的基础。冶金过程热力学阐明各种冶金反应的原理,明确反应进行的方向,提供获得反应产物最大收得率的途径。冶金过程动力学探讨伴有物质传递、能量传递及动量传递等现象下反应的速度及机理、明确控制反应速度的环节,从而提出提高反应强度、缩短反应时间的措施。冶金过程物理化学在发展冶金新技术、探索新流程、改进旧有冶金工艺及促进冶金工业的发展起到了重要作用。氩氧混合吹炼法精炼低碳不锈耐酸钢、铁水炉外脱硫、闪速熔炼、喷射冶金等技术,都是应用冶金过程物理化学的理论改进现有生产工艺及开创新技术的例证。冶金过程物理化学的研究从20世纪20年代中期以来十分活跃,以美国人奇普曼(J.Chipman)及德国人申克(H.Schenck)为代表,发展和运用了活度的概念,测定了相当多的高温热力学数据,相应地发展了一套实验研究方法,解决冶炼过程中的一些问题。但由于冶炼工艺比较复杂,一般都是多相反应,在很多情况下,实验成果和生产实践还存在一定距离,而且因为设备复杂和投资巨大等因素的影响,冶金生产工艺的变革并非易事,所以冶金过程物理化学研究的成果不象物理冶金那样容易转化为生产力和产生经济效益。但是毫无疑义,冶金过程物理化学的研究对冶金新技术的发展,新流程的开发,将产生日益重要的影响。

物理冶金学研究通过成型加工,制备有一定性能的金属或合金材料的学科称之为物理冶金学,或称金属学。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,而且被成型加工或金属热处理过程产生的组织结构所决定。成型加工包括金属铸造、粉末冶金(制粉、压制成型及烧结)及金属塑性加工(压、拔、轧、锻)。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以及金属在使用过程中的力学行为,则称之为力学冶金学(mechanicalmetallurgy)。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年索比(H.C.Sorby)用显微镜对钢的组织进行系统的观察和研究,创建了金相学。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在各种条件下的变化,物理冶金的研究方向──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──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,对相图需求日益迫切。1900年德国人巴基乌斯-洛兹本(H.W.Bakhius-Roozeboom)在前人工作基础上运用吉布斯(J.W.Gibbs)相律建立铁-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了。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布雷斯利(Breasley)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种左右。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合格的金属材料的时代。

20世纪以来,金属学取得的一系列重大成就,为推进冶金生产和技术的发展做出了贡献。其中影响较大的是:

C曲线美国人贝茵(E.C.Bain)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(见过冷奥氏体转变图)。

晶拉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。

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(见晶体培育)。

脱溶法国人纪尼埃(A.Guinier)和英国人普雷斯顿(G.D.Preston)在30年代晚期各自应用X射线衍射法研究高强度铝合金时效硬化机理,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。

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。近年来电子显微镜已能直接观察金属中的面缺陷位错点缺陷等。应用电子计算机处理图象,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象。这是20世纪科技中的杰出成就之一(见电子显微学)。

位错理论是1934年由英国人泰勒(G.I.Taylor)、荷兰人波拉尼(M.Polanyi)和匈牙利人奥罗万(E.Oro-wan)分别提出的。1956年英国人赫希(Hirsch)用金属薄膜在电子显微镜下进行观察,证实了位错的存在。以后一些学者又陆续验证了理论上对金属中位错生成、增殖和运动规律的推测。这对阐明金属形变、强度和断裂机制有重要意义(见晶体缺陷)。

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。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,已经应用于某些新技术中。

高温合金材料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绝对温度的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。

微晶金属和非晶态金属液态金属经快速冷却所生成的快冷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型并进行烧结而成的部件,由于成分均匀,偏析小,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从液态以大于每秒10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,作为软磁材料有可能取代目前的取向硅钢片。微晶金属和非晶金属的发现,为金属学开辟了广阔新园地。

金属表面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,在本世纪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。例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等等。近年来,离子注入法已被用来改变金属表面层的成分和结构(见晶体表面,化学热处理)。

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型。这种方法所需设备功率小,金属收得率高,成型后金属性能均匀。但是对材料的组织结构要求严格,成型工艺比较复杂(见金属力学性能的表征)。

断裂力学继位错理论之后,美国人欧文(G.R.Irwin)等在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。

冶金学的展望

20世纪下半叶以来,冶金生产工艺与自动化技术的结合日益紧密。氧气转炉炼钢、连续铸锭、轧钢高速化和连续化等新工艺把钢冶金的生产效率不断推向新的高度,这在很大程度上应归功于应用计算机进行自动控制。倘若没有自动控制,氧气转炉就难以充分发挥它的快速炼钢能力,连续铸钢就难于保证质量并获得高收得率,轧钢就难以实现高速化和连续化,有理由认为,生产过程自动化刷新了冶金学的内容,成为当前和今后冶金发展的一个重要方向。

单纯从提取金属着眼,运用今天拥有的自然科学知识和技术手段,即使矿石品位再低,组成再复杂,都可以把金属提取出来,问题在于消耗的能源是否过大,花费的成本是否合算。因此,在提取冶金方面仍然有很多研究课题。例如:扩大资源范围──限于今天技术水平、经济条件还不能利用的资源,由于新工艺、新装备的出现变为可利用的资源;减少或消除生产过程对环境的污染、发展资源的综合利用,形成无公害工艺或无废料工艺;充分利用氧气等进一步强化冶炼过程,以大大节约能源等。

金属学或物理冶金学为生产服务是要为提供合乎使用要求的冶金产品探索途径,也要开发金属的新用途。因此,金属学的主要内容是研究和发展新合金、研究改善冶金产品性能的各种处理方法和技术等等。在创制新合金的过程中,人们对成分、组织结构和性能之间的内在联系进行了研究。如果仅仅从使用着眼,合金的性能当然是首要的;但从生产的角度出发,优先考虑的则是成分是否便于冶炼,加工是否经济合理等等;而且合金的性能并不完全取决于成分,而在很大程度上决定于组织结构。因此,研究金属及其合金的组织结构是金属学最重要的一环。20世纪以来,金属学取得了一系列的重大成就,从宏观到微观包括合金成分偏析、夹杂物、显微组织、晶体结构和晶体缺陷等各个层次有关组织结构的作用及其变化因素,都已积累大量知识,并总结出一整套规律。可以应用这些知识和规律大大减少生产和使用金属材料的盲目性。

从60年代开始,一个明显的动向是冶金学同陶瓷工程学、凝聚态物理学、化学等学科的有关内容汇合成为材料科学,这是因为随着时代的前进,局限在金属框框里的冶金学已不能适应近代工业发展的要求,在某些国家高等学校中的冶金系不少已改名为冶金和材料科学系,有的学院则干脆采用“材料科学和工程”这个名称。有理由认为,材料科学的出现是为了适应新技术发展的需要,特别是电子计算机制造业发展的需要材料科学中与此有关的首先是半导体冶金,其对象是锗硅以及Ⅲ—Ⅴ族化合物。制取半导体材料需要应用先进的冶金技术和凝聚态物理实验方法,首先是要求超纯,有的需要制备无位错单晶,有的还要掺入某种特定的添加物。在这方面,离子注入这项新技术得到了应用,为冶金开拓了新的发展前景。向超纯单晶某一取向注入离子是制备薄膜半导体的一种方法,也可能成为深入研究晶格中电子行为的一种实验途径。近年来,为了获得超高磁场,发展了超导材料,继生产Nb-Ti合金超导电缆之后,又出现了NbSn,VGA等临界温度更高、性能更好的超导合金。显然,探索临界温度更高的超导材料将是材料科学工作者的长期奋斗目标。

材料科学的一项重要内容是研制结合多种材料特点的复合材料。其中包括不同金属之间的复合,金属与非金属的复合,有机塑料和金属或非金属的复合等等。关于复合材料的某些组织结构,冶金工作者并不生疏(见碳—石墨材料)。事实上一些共析型的合金如Co-TaC等,其碳化物呈胡须状沿凝固结晶方向穿插在金属基体中,它就是一种复合材料。目前,用各种胡须或纤维增强金属或塑料的复合材料已在许多方面开始应用。可以预期,随着材料科学的进展,复合材料将像一百年前的钢一样,越来越显示出强大的生命力。

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