冶金學

格奧爾格·阿格里科拉，《論礦冶》（De re metallica）一書的作者，此著作被譽為西方冶金學的開山之作
冶金學（metallurgy）屬於材料科學，是研究從礦石中提取金屬，並用各種加工方法制成具有一定性能的金屬材料的學科。冶金學也研究金屬、金屬互化物或其混合物（稱為合金）的物理及化學特性。冶金學也是一門金屬的技術，有關金屬製造的科學，也和金屬零件的工程特性有關。金屬的製造包括從礦石中提煉金屬，以及金屬混合物（或金屬和其他元素的混合物）以製造合金。冶金學和金屬加工的工藝不同，不過金屬加工和冶金學有關，正如隨著技術的發展，醫學和醫學科學有關一樣。
冶金學可以分為鋼鐵冶金學（有時也稱為黑色冶金學）及非鐵金屬冶金學（有時也稱為有色金屬冶金學）。鋼鐵冶金學是有關鐵的合金及其製造，而非鐵金屬冶金學是以不含鐵的合金及其製造為主，世界上的金屬生產中，鐵、鈷、鎳及其有關合金的黑色金屬佔了95%

**英文字根及發音**
冶金學的英文Metallurgy原來是自煉金術中的詞語，是指由礦石中提取金屬，字尾的-urgy表示是過程或製程。此詞語曾在1797年的《大英百科全書》提到過，在19世紀末變為有關金屬、合金及相關製程的科學研究。英文的字根來自古希臘的μεταλλουργός, metallourgós, "金屬工人"，變成μέταλλον, métallon, "金屬" + ἔργον, érgon, "加工"。在英文中，/meˈtælədʒi/的發音在英國及大英國協較普遍，/ˈmetələrdʒi/在美國比較普遍。

**發展史**
底比斯的金頭飾，約在西元前750至700年
史前時代已能冶煉並使用青銅、銅、金、銀、鐵、鉛、錫等金屬。最早冶煉的金屬應該是在自然界以元素態存在的金，一個舊石器時代末期的西班牙洞穴時有發現少量的元素態金，時間約在西元前40,000年。而銀、銅、錫及隕鐵也會以native metel存在，配合早期文化中的金屬加工即可使用。西元前三千年埃及的武器即以隕鐵製成，當時譽為「天上來的匕首」 。
像錫、鉛及銅等金屬，只要將礦石加熱即可得到其金屬（銅需要的溫度可能要再高一些），這種冶煉方式稱為smelting。最早用熔煉方式冶煉金屬的證據是西元前五千年至六千年之間，在塞爾維亞馬伊丹佩克、Pločnik及Yarmovac的考古遺址中找到。到目前為止，最早的銅熔煉是在巴爾幹半島的Belovode，發現一個西元前5500年溫查文明的銅斧。其他早期熔煉金屬的文明約在西元前三千年，在葡萄牙的Palmela、西班牙的Los Millares、英國的巨石陣。不過如同其他史前的研究一様，因為仍可能有新的發現，可能還會有更早期的證據出現。
古中東的採礦區域，顏色：砷用棕色表示，錫用灰色表示，銅用紅色表示，鐵用紅棕色表示，金用黃色表示，銀用白色表示，鉛用黑色表示，黃色區域表示arsenic bronze，灰色區域表示正常含錫的青銅。
上述發現的金屬都不是合金，約在西元前3500年發現銅和錫混合後會產生性能更好的青銅合金，這也是重大的技術提昇，開始了青銅時代。
鐵的冶煉要比銅或錫要困難很多，冶煉方式可能是赫梯人在西元前1200年發明的，開始了鐵器時代，鐵的冶煉及加工的秘密是非利士人成功的秘訣之一。
許多不同的文化及文明也有煉鐵的技術，像是古代及中古時中東及近東的王國、古伊朗、古埃及、古努比亞、安那託利亞（今土耳其）、古諾克、迦太基、古歐洲的希臘及羅馬、中古時期的歐洲、中國、印度、日本等地。許多冶金學的應用、實務及工具都是古中國發明的，例如高爐、鑄鐵、水力trip hammer以及雙作用活塞風箱。
歐洲約西元前一千年開始製鐵。最早使用的煉鐵爐為空氣式爐或用土石堆砌的熔鐵爐（Low Shaft Furnace）、Bloomery。將洗淨的礦石與木炭一起放入爐中點火熔煉，利用自然氣流或人力風箱供應氧氣，爐裡產生一氧化碳將鐵礦還原成鐵，所得之產品再以人力捶打除去殘渣。後來利用水車帶動風箱，氧氣供給量增加，所以爐身與爐的截面積也可以加高，可裝入更多礦石及木炭，得到更大的鐵碇，由於超過人力捶打加工的限度，也以水力取代人力。由此鍛鐵爐慢慢發展成高爐（Blast Furnace）。
隨著高爐的增加，木炭便發生短缺的現象，即開始嘗試以煤取代木炭，至十八世紀中，英國人成功將煤炭煉成焦炭，此後爐溫增加而使產量增加。蒸氣機出現後，被用來驅動鼓風機，使鼓風量增大而使爐溫上升，產量也大幅增加。
十六世紀時格奧爾格·阿格里科拉的《論礦冶》（De re metallica）描述了當時高度發展的採礦、金屬提取及冶金學等知識，被譽為「冶金學之父」。

**金屬提取**
中國元朝用水車帶動的鼓風爐
斯洛伐克中部，赫龍河畔日亞爾的鋁工廠
是由礦石中提出有價值的金屬，且處理成純度較高的金屬。為了要從金屬的氧化物或硫化物中提取金屬，可能會用還原、電解或其他化學方式處理礦石。
提取冶金學主要關注的是冶金給料、濃縮物（有價值的金屬氧化物或硫化物）及尾礦。在開採後，大顆的礦石會粉碎為小的顆粒，每個顆粒可能是濃縮物或是廢棄的尾礦。後續再利用其他方式將顆粒中的濃縮物及尾礦分開。
若礦石及自然環境許可，可以用In-situ leaching取代礦石開採。瀝濾法會將礦石中的礦物質溶解在溶液中，再收集溶液，萃取要有價值的金屬。
有時礦石中會包含一種以上的有價值金屬。因此尾礦可以再用來提出其他金屬。有時取得的濃縮物中含有多種金屬，因此需再將不同金屬成份再作分離。

**合金**
青銅的鑄造
工程常用的金屬包括鋁、鉻、銅、鐵、鎂、鎳、鈦及鋅等，這些金屬也常常用來製作合金。合金的相關研究主要是在鐵碳的合金系統，其中包括鋼及鑄鐵。一般的碳鋼適用於低成本、高強度，且不需考慮重量及腐蝕問題的應用。ductile iron也是鐵碳合金系統的一部份。
若是需要抗腐蝕的應用，一般會使用不鏽鋼或是熱浸鍍鋅處理的鋼。若要求高比強度時，會使用鋁合金或鎂合金。
若是高腐蝕性環境，且不需要有磁性的場合，會使用銅鎳合金，例如Monel。鎳基的高溫合金（如鎳鉻鐵合金）會用在像渦輪增壓器、壓力容器及換熱器等需耐高溫應用中。非常高溫的應用為了使潛變減到最低，會使用單晶材料合金。

**製造**
在工業工程的領域中，冶金學和金屬零件的製造有關，其中包括金屬或合金選用、加工成形方式、製品表面的熱處理及表面處理等。冶金學的目的就是達成材料的許多性質之間的平衡，例如成本、重量、拉伸強度、硬度、韌性、抗蝕性、抗疲勞的特性、及在高低溫下的特性等。
為了上述目的，也需考慮零件的工作環境，例如在鹽水的環境中，很容易腐蝕黑色金屬及一些鋁合金，暴露在極低溫環境下金屬會從有延伸性變成容易脆裂，其韌性下降，因此更容易出現裂痕。在週期負載下的金屬會有金屬疲勞，若是環境的應力固定，但是溫度很高，會造成金屬的潛變。

**金屬加工**
以下是一些金屬加工的程序：
*金屬鑄造：將熔融的金屬倒入特定形狀的模具中再冷卻。
*鍛造：利用壓力使鋼坯成形。
*Flow Forming
*軋製：將鋼坯送進一連串間距逐漸變小的軋輪，加工為金屬片的程序。
*Cladding (metalworking：用可移動的雷射束（如裝在工具機的軸上）加熱金屬粉末，熔化的金屬粉末碰到基座，形成金屬池，當雷射頭移除後，可以堆疊工件，組成三維的工件。
*擠製：熱的可塑性金屬藉由壓力擠入模具中，在其冷卻前成形。
*燒結：金屬粉末先注入模具中，再在非氧化的環境下加熱，使其成形的過程。
*機械加工：利用車床、銑床及電鑽對固體金屬件的加工。
冷加工是指在常溫下對固體金屬件的加工，可以藉由一種稱為work hardening的方式提昇零件的強度加工硬化會在金屬中導入位錯，避免進一步的形變。
鑄造的方式有許多種，常用的包括翻砂鑄造、investment casting（也稱為失蠟法）、壓鑄及continuous casting。

**熱處理**
金屬可以用熱處理的方式調整其強度、延展性、韌度、硬度或是其抗腐蝕的能力。常見的熱處理包括退火、析出硬化、淬火及回火。
退火是將金屬加熱，然後再緩慢的冷卻，可以釋放金屬組織中的應力，使晶粒變大，當受到撞擊時比較不容易破裂。退火後的金屬也比較容易切削。淬火是將高碳鋼加熱後快速的冷卻，鋼的組織會形成高硬度的馬氏體，提高金屬的硬度。不過需要在鋼的硬度和韌度之間作一取捨：硬度越高時，其韌度或是抗衝擊能力就越低；韌度越高時，其硬度就越低。回火可以釋放金屬在硬化過程中產生的應力，回火會使金屬略為軟化，可以承受衝擊而不會破裂。
有時會將機械處理和熱處理合併，稱為Thermomechanical processing，可以得到較好的材料特性，處理上也比較有效率的。熱機械處理常用在高合金的特殊鋼、高溫合金及鈦合金中。

**表面處理**
電鍍是一種常見的表面處理技術，是在製品的表面包覆一薄層的其他金屬，例如金、銀、鉻或鋅等， 一方面可以增加製品的抗蝕性，也可以使外形更加美觀。
表面處理除了使用電鍍外，也可以使用熱噴塗，其製品在高溫下的性能會比電鍍要好。

**微觀結構**
金相學可觀察金屬的微觀結構
金相學是研究金屬的微觀結構及巨觀結構的學科，是由英國冶金學家Henry Clifton Sorby開創。在金相學中，待測的試樣平放並且拋光至鏡面的程度，再加入蝕刻液蝕刻，以顯露其結構。試様一般會用光學顯微鏡或電子顯微鏡觀察，圖像的對比度可以提供其成份、機械性質及所作過的處理。
現在的冶金學也常利用晶體學的X射線衍射或電子衍射來識別未知的材料，並瞭解試様的晶體結構。量化晶體學可計算試様中存在不同相的個數，也可以計算其應變的程度。

**分支學科**
 提取冶金學- 物理冶金學- 冶金工程- Archaeometallurgy- Carbonyl metallurgy- Experimental archaeometallurgy

**相關條目**
 冶煉- 灰吹法- 格奧爾格·阿格里科拉- CALPHAD- Goldbeating- 金磷錯合物- Metallurgical failure analysis- 採礦業- Pyrometallurgy

**參考文獻**

**引用**

**書籍**
 《冶金學》，蘇英源、郭金國 編著，全華科技圖書公司 印行，ISBN 978-957-21-2928-9。