# 冶金學

元朝嘅冶金架生
**冶金學**（粵拼：je5 gam1 hok6）係研究響礦石度抽出金屬或者金屬化合物，用方法提煉出有用嘅金屬材料嘅學問。冶金學包括咗科學同埋科技金屬，包括金屬嘅生產，同埋金屬組件嘅工程設計，啲組件用喺消費者同埋生產商嘅產品度。冶金學同金工工藝唔同。金工喺技術進步方面，就好似醫學依靠醫學科學咁，都係依靠冶金學。一位專門嘅從業者冶金學專家，就叫做冶金學家。

冶金學嘅科學再細分做兩大類：化學冶金學同物理冶金學。化學冶金學主要關注金屬嘅還原同氧化，同埋金屬嘅化學性能。化學冶金學研究嘅科目包括礦物處理、金屬提煉、熱力學、電化學，同埋化學降解（腐蝕）。 相反，物理冶金學就著重喺金屬嘅機械性能、金屬嘅物理性能，同埋金屬嘅物理表現。物理冶金學研究嘅主題包括晶體學、材料特性分析、機械冶金學、相變，同埋失效機制。

歷史上，冶金學主要集中喺金屬嘅生產。金屬生產由處理礦石嚟提煉金屬開始，仲包括將金屬混合嚟整合金。金屬合金通常係最少兩種唔同金屬元素嘅混合物。不過，通常都會喺合金度加入非金屬元素，為咗達到適用於應用嘅特性。金屬生產嘅研究再細分做黑色冶金學（又叫做「鋼鐵冶金學」）同埋有色冶金學（又叫做彩色冶金學）。

黑色冶金學涉及基於鐵嘅工序同合金，而有色冶金學就涉及基於其他金屬嘅工序同合金。黑色金屬嘅生產佔咗世界金屬產量嘅 95%。

現代冶金學家喺新興同傳統領域工作，作為跨學科團隊嘅一部分，同材料科學家同埋其他工程師一齊合作。一啲傳統領域包括礦物處理、金屬生產、熱處理、失效分析，同埋金屬嘅連接（包括焊接、硬焊，同埋軟焊）。冶金學家嘅新興領域包括納米技術、超導體、複合材料、生物醫用材料、電子材料（半導體）同埋表面工程。

## 提煉

中國元朝用水車操作鼓風爐嘅圖
萃取冶金學係一種做法，從礦石度移除有價值嘅金屬，並將提煉出嚟嘅原材料金屬提純。為咗將金屬氧化物或者硫化物轉化成更純嘅金屬，礦石必須要喺物理上、化學上或者電解上還原。萃取冶金學家對三個主要流程感興趣：原料、精礦（金屬氧化物/硫化物）同埋尾礦（廢料）。

採礦之後，大塊嘅礦石原料會經過破碎或者研磨嚟得到夠細嘅粒子，其中每個粒子要係主要有價值或者主要係廢物。將有價值嘅粒子濃縮成支持分離嘅形式，令到可以從廢物產品度移除想要嘅金屬。

如果礦體同物理環境有利於原地浸取，咁採礦可能唔係必要嘅。浸取會溶解礦體入面嘅礦物，並產生濃縮嘅溶液。溶液會收集同處理嚟提煉有價值嘅金屬。礦體通常包含多過一種有價值嘅金屬。

上一個工序嘅尾礦可以用喺另一個工序度做原料，從原始礦石度提煉次要產品。此外，精礦可能包含多過一種有價值嘅金屬。然後就會處理嗰啲精礦，嚟將有價值嘅金屬分離成個別成分。==金屬同埋佢嘅合金==

鐵，冶金學中最常用嘅金屬，以唔同嘅形式展示，包括立方體、碎片同埋塊狀
好多功夫擺咗喺理解鐵碳合金系統上面，其中包括鋼同鑄鐵。碳鋼（嗰啲主要只係包含碳作為合金元素嘅鋼）用喺低成本、高強度嘅應用，喺嗰啲應用度，重量同腐蝕都唔係主要考慮因素。鑄鐵，包括球墨鑄鐵，都係鐵碳系統嘅一部分。鐵錳鉻合金（哈氏鋼）都用喺非磁性應用度，例如定向鑽探。

其他工程金屬包括鋁、鉻、銅、鎂、鎳、鈦、鋅，同埋矽。呢啲金屬最常用嚟做合金，除咗矽呢個例外，因為佢唔係金屬。其他形式包括：

不鏽鋼，特別係奧氏體不鏽鋼、鍍鋅鋼、鎳合金、鈦合金，或者間唔中銅合金，用喺需要抗腐蝕嘅地方。

鋁合金同鎂合金好常用，當需要輕身又堅固嘅零件嘅時候，例如喺汽車同航空航天應用度。

銅鎳合金（例如蒙乃爾合金）用喺高度腐蝕性嘅環境同埋非磁性應用度。

鎳基超合金，好似英高鎳合金，用喺高溫應用度，例如燃氣渦輪機、渦輪增壓器、壓力容器，同埋熱交換器。

對於極高溫，單晶合金用嚟盡量減少蠕變。喺現代電子產品度，高純度單晶矽對於金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）同埋集成電路嚟講係必要嘅。

## 生產

喺生產工程入面，冶金學係關於生產金屬組件，用於消費者或者工程產品。呢個牽涉到合金嘅生產、成形、熱處理同埋產品嘅表面處理。冶金學家嘅任務係要喺材料特性之間取得平衡，好似成本、重量、強度、韌性、硬度、腐蝕、疲勞抵抗力，同埋喺極端溫度下嘅性能。為咗達到呢個目標，操作環境必須要仔細噉考慮。

用洛氏硬度、維氏硬度，同埋布氏硬度標準嚟決定金屬嘅硬度，係一種常用嘅做法，咁樣有助於更好噉理解金屬喺唔同應用同埋生產工序入面嘅彈性同埋塑性。 喺鹹水環境入面，大多數黑色金屬同埋一啲有色合金好快就會腐蝕。暴露喺低溫或者低溫學條件下嘅金屬可能會經歷由韌性轉變為脆性嘅過程，而且會失去佢哋嘅韌性，變得更加脆，而且容易裂開。喺持續循環負載下嘅金屬可能會受到金屬疲勞嘅影響。喺高溫下承受恆定應力嘅金屬可能會蠕變。

### 金工工序

一個開放式模鍛，用兩個模具鍛造鋼錠，然後進一步加工成車輪
鑄造 – 將熔融金屬倒入成型模具中。鑄造嘅變種包括砂型鑄造、熔模鑄造（又叫做失蠟法）、壓鑄、離心鑄造（垂直同埋水平），同埋連續鑄造。考慮到好似磁性同埋腐蝕等因素，每種形式對於特定嘅金屬同埋應用都有優勢。

鍛造 – 將燒紅嘅鋼坯錘打成形狀。

軋製 – 將鋼坯通過連續變窄嘅輥輪，嚟形成板材。

擠壓 – 熱同埋有延展性嘅金屬喺壓力下通過模具，模具喺金屬冷卻之前將佢成形。

機械加工 – 車床、銑床，同埋鑽床將冷金屬切割成形狀。

燒結 – 金屬粉末喺壓縮到模具入面之後，喺非氧化環境入面加熱。

鈑金加工 – 金屬板材用剪板機或者氣焊槍切割，然後彎曲同埋焊接成結構形狀。

激光熔覆 – 金屬粉末通過可移動嘅激光束吹送（例如，安裝喺 NC 五軸機床上面）。產生嘅熔融金屬到達基材，形成熔池。通過移動激光頭，可以堆疊軌跡，並構建三維零件。

3D打印 – 喺 3D 空間入面燒結或者熔化非晶態金屬粉末，嚟製造任何形狀嘅物體。

冷加工工序，喺呢啲工序入面，產品嘅形狀通過軋製、鈑金加工或者其他工序嚟改變，當產品係冷嘅時候，可以通過叫做加工硬化嘅工序嚟增加產品嘅強度。加工硬化喺金屬入面產生微觀缺陷，呢啲缺陷可以抵抗形狀嘅進一步改變。

### 熱處理

一個喺1,800 °F（980 °C）嘅熱處理爐
金屬可以熱處理，嚟改變強度、延展性、韌性、硬度，同埋抗腐蝕性嘅特性。常見嘅熱處理工序包括退火、析出強化、淬火，同埋回火：

退火工序通過加熱金屬，然後等佢非常慢噉冷卻嚟軟化金屬，呢樣嘢可以消除金屬入面嘅應力，並且令晶粒結構變得大而邊緣柔和，噉樣當金屬受到撞擊或者應力嘅時候，佢會凹陷或者可能彎曲，而唔係斷裂；退火金屬亦都更容易打磨、研磨或者切割。

淬火係加熱之後非常快噉冷卻金屬嘅工序，噉樣可以將金屬分子「凍結」喺非常硬嘅馬氏體形態入面，令到金屬變得更硬。

回火可以消除金屬入面由淬火工序引起嘅應力；回火令到金屬冇咁硬，同時令佢更能夠承受衝擊而唔會斷裂。

通常，機械處理同埋熱處理會結合喺一齊，成為所謂嘅熱機械處理，為咗更好嘅性能同埋更有效率嘅材料加工。呢啲工序喺高合金特種鋼、超合金，同埋鈦合金入面好常見。

### 電鍍

一個喺金屬上面電鍍銅嘅簡化圖
電鍍係一種化學表面處理技術。佢包括將一層薄薄嘅另一種金屬，例如金、銀、鉻或者鋅，結合到產品嘅表面。呢個係通過選擇鍍層材料電解液嚟做到嘅，電解液係會鍍喺工件上面嘅材料（金、銀、鋅）。需要有兩個唔同材料嘅電極：一個係同鍍層材料相同嘅材料，另一個係接收鍍層材料嘅材料。兩個電極會充電，鍍層材料會黏喺工件上面。佢用嚟減少腐蝕，以及改善產品嘅美觀外觀。佢亦都用嚟令平價金屬睇起身似更貴嘅金屬（金、銀）。

### 噴丸處理

噴丸處理係一種冷加工工序，用嚟完成金屬零件嘅表面處理。喺噴丸處理嘅工序入面，細粒嘅圓形鋼丸會噴射到要完成表面處理嘅零件表面。呢個工序用嚟延長零件嘅產品壽命、預防應力腐蝕失效，同埋預防疲勞。鋼丸喺表面留下細微嘅凹坑，好似錘擊一樣，呢啲凹坑喺下面產生壓縮應力。當鋼丸介質一次又一次噉撞擊材料嘅時候，佢會喺整個被處理嘅零件上面形成好多重疊嘅凹坑。材料表面嘅壓縮應力可以強化零件，並且令佢更能夠抵抗疲勞失效、應力失效、腐蝕失效，同埋裂開。

### 熱噴塗

熱噴塗技術係另一種受歡迎嘅表面處理選項，而且通常比電鍍層具有更好嘅高溫性能。熱噴塗，又叫做噴焊工序， 係一種工業塗層工序，佢包括熱源（火焰或者其他）同埋鍍層材料，鍍層材料可以係粉末或者線材形式，熔化之後高速噴射到被處理材料嘅表面。噴塗處理工序有好多唔同嘅名，例如 HVOF（高速火焰噴塗）、等離子噴塗、火焰噴塗、電弧噴塗，同埋金屬化。

### 化學鍍

化學鍍（ED）或者無電鍍定義為自催化過程，通過呢個過程，金屬同埋金屬合金會沉積到非導電表面上面。呢啲非導電表面包括塑膠、陶瓷，同埋玻璃等等，佢哋之後可以根據最終功能，變得具有裝飾性、防腐蝕性，同埋導電性。化學鍍係一種化學工序，通過液態浴入面金屬陽離子嘅自催化氧化還原反應，喺各種材料上面產生金屬塗層。==特性分析==

金相學令冶金學家可以研究金屬嘅微觀結構。 冶金學家使用金相學研究金屬嘅微觀同埋宏觀結構，金相學係由亨利·克利夫頓·索比發明嘅一種技術。

喺金相學入面，感興趣嘅合金會磨平同埋拋光到鏡面光潔度。然後可以蝕刻樣本，嚟揭示金屬嘅微觀結構同埋宏觀結構。然後喺光學或者電子顯微鏡入面檢查樣本，圖像對比度提供咗關於成分、機械性能，同埋加工歷史嘅詳細信息。

晶體學，通常使用X射線或者電子嘅衍射，係現代冶金學家可以使用嘅另一個有價值嘅工具。晶體學可以識別未知材料，並且揭示樣本嘅晶體結構。定量晶體學可以用嚟計算存在嘅相嘅數量，以及樣本受到嘅應變程度。

目前喺呢個領域經常使用嘅先進特性分析技術包括：掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、電子背散射衍射（EBSD）同埋原子探針斷層掃描術（APT）。

## 疏仕