冶金学

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/的发音在英国及英联邦较普遍，/ˈmetələrdʒi/在美国比较普遍。

## 发展史

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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，时间约在公元前40,000年。而银、铜、锡及陨铁也会以自然金属存在，配合早期文化中的金属加工即可使用。公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），这种冶炼方式称为熔炼。最早用熔炼方式冶炼金属的证据是公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，发现一个公元前5500年温查文明的铜斧。其他早期熔炼金属的文明约在公元前三千年，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。

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上述发现的金属都不是合金，约在公元前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公元前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、水力杵锤以及双作用活塞风箱。

欧洲约公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）、锻铁炉。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

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提取冶金学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，可以用沥滤法取代矿石开采。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分再作分离。

## 合金

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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。延性铸铁也是铁碳合金系统的一部分。

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，例如蒙乃尔合金。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、抗拉强度、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。
- 剪切成形
- 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。
- 激光熔覆：用可移动的激光束（如装在机床的轴上）加热金属粉末，熔化的金属粉末碰到基座，形成金属池，当激光头移除后，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，可以借由一种称为加工硬化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、熔模铸造（也称为失蜡法）、压铸及连续铸造。

### 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，称为热机械处理，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

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金相学是研究金属的微观结构及巨观结构的学科，是由英国冶金学家亨利·克利夫顿·索尔比开创。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分、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
- 考古冶金学
- 羰基冶金学
- 实验考古冶金学

## 参考文献

### 书籍

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