冶金学

格奥尔格·阿格里科拉，《论矿冶》（De re metallica）一书的作者，此著作被誉为西方冶金学的开山之作
冶金学（metallurgy）属于材料科学，是研究从矿石中提取金属，并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的学科。冶金学也研究金属、金属互化物或其混合物（称为合金）的物理及化学特性。冶金学也是一门金属的技术，有关金属制造的科学，也和金属零件的工程特性有关。金属的制造包括从矿石中提炼金属，以及金属混合物（或金属和其他元素的混合物）以制造合金。冶金学和金属加工的工艺不同，不过金属加工和冶金学有关，正如随着技术的发展，医学和医学科学有关一样。
冶金学可以分为钢铁冶金学（有时也称为黑色冶金学）及非铁金属冶金学（有时也称为有色金属冶金学）。钢铁冶金学是有关铁的合金及其制造，而非铁金属冶金学是以不含铁的合金及其制造为主，世界上的金属生产中，铁、钴、镍及其有关合金的黑色金属占了95%

**英文字根及发音**
冶金学的英文Metallurgy原来是自炼金术中的词语，是指由矿石中提取金属，字尾的-urgy表示是过程或制程。此词语曾在1797年的《大英百科全书》提到过，在19世纪末变为有关金属、合金及相关制程的科学研究。英文的字根来自古希腊的μεταλλουργός, metallourgós, "金属工人"，变成μέταλλον, métallon, "金属" + ἔργον, érgon, "加工"。在英文中，/meˈtælədʒi/的发音在英国及大英国协较普遍，/ˈmetələrdʒi/在美国比较普遍。

**发展史**
底比斯的金头饰，约在西元前750至700年
史前时代已能冶炼并使用青铜、铜、金、银、铁、铅、锡等金属。最早冶炼的金属应该是在自然界以元素态存在的金，一个旧石器时代末期的西班牙洞穴时有发现少量的元素态金，时间约在西元前40,000年。而银、铜、锡及陨铁也会以native metel存在，配合早期文化中的金属加工即可使用。西元前三千年埃及的武器即以陨铁制成，当时誉为「天上来的匕首」 。
像锡、铅及铜等金属，只要将矿石加热即可得到其金属（铜需要的温度可能要再高一些），这种冶炼方式称为smelting。最早用熔炼方式冶炼金属的证据是西元前五千年至六千年之间，在塞尔维亚马伊丹佩克、Pločnik及Yarmovac的考古遗址中找到。到目前为止，最早的铜熔炼是在巴尔干半岛的Belovode，发现一个西元前5500年温查文明的铜斧。其他早期熔炼金属的文明约在西元前三千年，在葡萄牙的Palmela、西班牙的Los Millares、英国的巨石阵。不过如同其他史前的研究一様，因为仍可能有新的发现，可能还会有更早期的证据出现。
古中东的采矿区域，颜色：砷用棕色表示，锡用灰色表示，铜用红色表示，铁用红棕色表示，金用黄色表示，银用白色表示，铅用黑色表示，黄色区域表示arsenic bronze，灰色区域表示正常含锡的青铜。
上述发现的金属都不是合金，约在西元前3500年发现铜和锡混合后会产生性能更好的青铜合金，这也是重大的技术提升，开始了青铜时代。
铁的冶炼要比铜或锡要困难很多，冶炼方式可能是赫梯人在西元前1200年发明的，开始了铁器时代，铁的冶炼及加工的秘密是非利士人成功的秘诀之一。
许多不同的文化及文明也有炼铁的技术，像是古代及中古时中东及近东的王国、古伊朗、古埃及、古努比亚、安那托利亚（今土耳其）、古诺克、迦太基、古欧洲的希腊及罗马、中古时期的欧洲、中国、印度、日本等地。许多冶金学的应用、实务及工具都是古中国发明的，例如高炉、铸铁、水力trip hammer以及双作用活塞风箱。
欧洲约西元前一千年开始制铁。最早使用的炼铁炉为空气式炉或用土石堆砌的熔铁炉（Low Shaft Furnace）、Bloomery。将洗净的矿石与木炭一起放入炉中点火熔炼，利用自然气流或人力风箱供应氧气，炉里产生一氧化碳将铁矿还原成铁，所得之产品再以人力捶打除去残渣。后来利用水车带动风箱，氧气供给量增加，所以炉身与炉的截面积也可以加高，可装入更多矿石及木炭，得到更大的铁碇，由于超过人力捶打加工的限度，也以水力取代人力。由此锻铁炉慢慢发展成高炉（Blast Furnace）。
随着高炉的增加，木炭便发生短缺的现象，即开始尝试以煤取代木炭，至十八世纪中，英国人成功将煤炭炼成焦炭，此后炉温增加而使产量增加。蒸气机出现后，被用来驱动鼓风机，使鼓风量增大而使炉温上升，产量也大幅增加。
十六世纪时格奥尔格·阿格里科拉的《论矿冶》（De re metallica）描述了当时高度发展的采矿、金属提取及冶金学等知识，被誉为「冶金学之父」。

**金属提取**
中国元朝用水车带动的鼓风炉
斯洛伐克中部，赫龙河畔日亚尔的铝工厂
是由矿石中提出有价值的金属，且处理成纯度较高的金属。为了要从金属的氧化物或硫化物中提取金属，可能会用还原、电解或其他化学方式处理矿石。
提取冶金学主要关注的是冶金给料、浓缩物（有价值的金属氧化物或硫化物）及尾矿。在开采后，大颗的矿石会粉碎为小的颗粒，每个颗粒可能是浓缩物或是废弃的尾矿。后续再利用其他方式将颗粒中的浓缩物及尾矿分开。
若矿石及自然环境许可，可以用In-situ leaching取代矿石开采。沥滤法会将矿石中的矿物质溶解在溶液中，再收集溶液，萃取要有价值的金属。
有时矿石中会包含一种以上的有价值金属。因此尾矿可以再用来提出其他金属。有时取得的浓缩物中含有多种金属，因此需再将不同金属成份再作分离。

**合金**
青铜的铸造
工程常用的金属包括铝、铬、铜、铁、镁、镍、钛及锌等，这些金属也常常用来制作合金。合金的相关研究主要是在铁碳的合金系统，其中包括钢及铸铁。一般的碳钢适用于低成本、高强度，且不需考虑重量及腐蚀问题的应用。ductile iron也是铁碳合金系统的一部份。
若是需要抗腐蚀的应用，一般会使用不锈钢或是热浸镀锌处理的钢。若要求高比强度时，会使用铝合金或镁合金。
若是高腐蚀性环境，且不需要有磁性的场合，会使用铜镍合金，例如Monel。镍基的高温合金（如镍铬铁合金）会用在像涡轮增压器、压力容器及换热器等需耐高温应用中。非常高温的应用为了使潜变减到最低，会使用单晶材料合金。

**制造**
在工业工程的领域中，冶金学和金属零件的制造有关，其中包括金属或合金选用、加工成形方式、制品表面的热处理及表面处理等。冶金学的目的就是达成材料的许多性质之间的平衡，例如成本、重量、拉伸强度、硬度、韧性、抗蚀性、抗疲劳的特性、及在高低温下的特性等。
为了上述目的，也需考虑零件的工作环境，例如在盐水的环境中，很容易腐蚀黑色金属及一些铝合金，暴露在极低温环境下金属会从有延伸性变成容易脆裂，其韧性下降，因此更容易出现裂痕。在周期负载下的金属会有金属疲劳，若是环境的应力固定，但是温度很高，会造成金属的潜变。

**金属加工**
以下是一些金属加工的程序：
*金属铸造：将熔融的金属倒入特定形状的模具中再冷却。
*锻造：利用压力使钢坯成形。
*Flow Forming
*轧制：将钢坯送进一连串间距逐渐变小的轧轮，加工为金属片的程序。
*Cladding (metalworking：用可移动的雷射束（如装在工具机的轴上）加热金属粉末，熔化的金属粉末碰到基座，形成金属池，当雷射头移除后，可以堆叠工件，组成三维的工件。
*挤制：热的可塑性金属借由压力挤入模具中，在其冷却前成形。
*烧结：金属粉末先注入模具中，再在非氧化的环境下加热，使其成形的过程。
*机械加工：利用车床、铣床及电钻对固体金属件的加工。
冷加工是指在常温下对固体金属件的加工，可以借由一种称为work hardening的方式提升零件的强度加工硬化会在金属中导入位错，避免进一步的形变。
铸造的方式有许多种，常用的包括翻砂铸造、investment casting（也称为失蜡法）、压铸及continuous casting。

**热处理**
金属可以用热处理的方式调整其强度、延展性、韧度、硬度或是其抗腐蚀的能力。常见的热处理包括退火、析出硬化、淬火及回火。
退火是将金属加热，然后再缓慢的冷却，可以释放金属组织中的应力，使晶粒变大，当受到撞击时比较不容易破裂。退火后的金属也比较容易切削。淬火是将高碳钢加热后快速的冷却，钢的组织会形成高硬度的马氏体，提高金属的硬度。不过需要在钢的硬度和韧度之间作一取舍：硬度越高时，其韧度或是抗冲击能力就越低；韧度越高时，其硬度就越低。回火可以释放金属在硬化过程中产生的应力，回火会使金属略为软化，可以承受冲击而不会破裂。
有时会将机械处理和热处理合并，称为Thermomechanical processing，可以得到较好的材料特性，处理上也比较有效率的。热机械处理常用在高合金的特殊钢、高温合金及钛合金中。

**表面处理**
电镀是一种常见的表面处理技术，是在制品的表面包覆一薄层的其他金属，例如金、银、铬或锌等， 一方面可以增加制品的抗蚀性，也可以使外形更加美观。
表面处理除了使用电镀外，也可以使用热喷涂，其制品在高温下的性能会比电镀要好。

**微观结构**
金相学可观察金属的微观结构
金相学是研究金属的微观结构及巨观结构的学科，是由英国冶金学家Henry Clifton Sorby开创。在金相学中，待测的试样平放并且抛光至镜面的程度，再加入蚀刻液蚀刻，以显露其结构。试様一般会用光学显微镜或电子显微镜观察，图像的对比度可以提供其成份、机械性质及所作过的处理。
现在的冶金学也常利用晶体学的X射线衍射或电子衍射来识别未知的材料，并了解试様的晶体结构。量化晶体学可计算试様中存在不同相的个数，也可以计算其应变的程度。

**分支学科**
 提取冶金学- 物理冶金学- 冶金工程- Archaeometallurgy- Carbonyl metallurgy- Experimental archaeometallurgy

**相关条目**
 冶炼- 灰吹法- 格奥尔格·阿格里科拉- CALPHAD- Goldbeating- 金磷错合物- Metallurgical failure analysis- 采矿业- Pyrometallurgy

**参考文献**

**引用**

**书籍**
 《冶金学》，苏英源、郭金国 编着，全华科技图书公司 印行，ISBN 978-957-21-2928-9。