冶金学

冶金学（英语：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%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，.mw-parser-output .IPA{font-family:"Charis SIL","Doulos SIL","Linux Libertine","Segoe UI","Lucida Sans Unicode","Code2000","Gentium","Gentium Alternative","TITUS Cyberbit Basic","Arial Unicode MS","IPAPANNEW","Chrysanthi Unicode","GentiumAlt","Bitstream Vera","Bitstream Cyberbit","Hiragino Kaku Gothic Pro","Lucida Grande",sans-serif;text-decoration:none!important}.mw-parser-output .IPA a:link,.mw-parser-output .IPA a:visited{text-decoration:none!important}/meˈtælədʒi/的发音在英国及英联邦较普遍，/ˈmetələrdʒi/在美国比较普遍。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（英语：native metel）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（英语：smelting）。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。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（英语：trip hammer）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（英语：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”。提取冶金学（英语：Extractive metallurgy）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（英语：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分再作分离。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（英语：ductile iron）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（英语：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。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。以下是一些金属加工的程序：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（英语：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、熔模铸造（英语：investment casting）（也称为失蜡法）、压铸及连续铸造（英语：continuous casting）。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麻田散铁，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（英语：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。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（英语：Thermal spraying），其制品在高温下的性能会比电镀要好。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（英语：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。