冶金学

　　冶金学（metallurgy），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。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。冶金学是古老和高度发展的学科之一。人类自进入青铜时代以来，同金属及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。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，逐步形成冶金学。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世纪下半叶以后，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重要组成部分。

冶金概况

　　冶金作为一门生产技术，起源十分古老。人类从使用石器、陶器进入到使用金属，是文明的一次飞跃。人类使用天然金属（主要是天然铜）距今已8000多年。但天然铜资源稀少，要使用更多的铜必须从矿石中提取。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～前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。在人类文明史中，大量使用青铜的时代称为青铜时代。铁器的使用是人类文明的又一大进步。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。在欧洲，公元前11世纪中欧开始用铁，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1000多年内，冶金技术进展十分缓慢。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，尽管熟铁器已广泛应用，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，冶金企业转移到资本家手中，资本家互相竞争，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。在1640年以后的250年中，主要发生在英国以高炉炼铁、炼钢为主的冶金生产和技术变革，尤其是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。这些发明在炼铁方面有：1790年A.达比用焦炭代替木炭炼铁成功，使冶铁业摆脱了木炭资源(森林)的限制；1828年J.B.尼尔森采用热风使炼铁炼焦比降低，生产效率成倍提高。在炼钢方面有：1740年B.亨茨曼首次采用坩埚炼钢法生产铸钢件；1856年H.贝塞麦发明转炉炼钢法，开创了炼钢新纪元；1855年K.W.西门子发明了蓄热室，1864年P.E.马丁利用该原理创造平炉炼钢法，从而扩大了炼钢的原料来源；1879年S.G.托马斯和P.C.吉尔克里斯特发展出碱性转炉炼钢法，成功地解决了高磷生铁炼优质钢的问题。在轧钢方面有：1697年J.汉伯里用平辊轧制出熟铁板，供生产镀锡铁板之用；1783年H.科特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世纪走在世纪最前面。炼钢情况也是一样，铜资源并不充裕的英国，在19世纪60年代竟成了世界上产铜最多的国家。

　　中国古代冶金比欧洲先进，尤其是铸铁技术比欧洲要早2000年。从鉴定中国古代的铁器表明，中国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，从汉代起铁产量就已超过了铜。金属种类，中国在春秋战国之际即已掌握金、银、铜、铁、锡、铅、汞等七种常用金属。欧洲直到罗马帝国末期才全部掌握上述金属。中国在15世纪已有金属锌，较欧洲早300多年。综观古代世界冶金业的发展，金属制品，特别是青铜器和铁器，对人类社会生产力的发展起着巨大作用。

冶金学的形成

　　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。从开始冶铜到16世纪，人类从事冶金活动已有5000多年，可是能够炼制的金属总共只有七、八种，冶金技术进展十分缓慢。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。这两本书被公认为欧洲冶金文献中的先驱，影响深远。在中国，冶金专著的出现虽然比欧洲早得多，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。1740年英国B.亨茨曼开设坩埚炼钢厂，是首次以冶炼法炼得的钢，自此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，T.伯格曼对钢进行分析，作出“钢是铁与碳交互作用的产物”的结论。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，建立冶金科学就无从谈起。以前人们认为氧化和燃烧是燃素的转移，直到1786年，燃素学说被拉瓦锡等人彻底推翻，人们对氧化和燃烧现象才有了正确的认识。18世纪中叶，冶金产品只有钢铁和铜、铅、锡、金、银、铂、锌、汞等，锑、铋、钴、镍等虽已被识别，但生产甚少，应用不多。冶金手段基本上还只有氧化法(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、磁性）的研究成了凝聚态物理的重要内容。

分支学科

　　冶金学不断吸收自然科学，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，使冶金学逐步发展成为两大领域。即提取冶金学和物理冶金学。

　　提取冶金学　从矿石中提取金属（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，故又称为化学冶金学。它研究火法冶炼、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，中国习惯简称冶金学。即狭义的冶金学指的是提取冶金学。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。包括钢铁冶炼、有色金属冶炼和冶金过程的物理化学研究。

　　物理冶金学　物理冶金学是通过成型加工的研究，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，也属于物理冶金学的一个组成部分。