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冶金学

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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
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(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%[1]

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[2],在19世纪末变为有关金属、合金及相关制程的科学研究[2]。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/的发音在英国及共和联邦较普遍,/ˈmetələrdʒi/在美国比较普遍。

发展史

底比斯的金头饰,约在公元前750至700年
底比斯的金头饰,约在公元前750至700年

史前时代已能冶炼并使用青铜等金属。最早冶炼的金属应该是在自然界以元素态存在的,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[3]。而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[4]。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”[5]

像锡、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[6],发现一个公元前5500年温查文明的铜斧[7]。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。

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,黄色区域表示砷青铜(英语:arsenic bronze),灰色区域表示正常含锡的青铜。
中东的采矿区域,颜色: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,黄色区域表示砷青铜英语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[5][8]

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[9][10]

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”[11]

金属提取

中国元朝用水车带动的鼓风炉
中国元朝用水车带动的鼓风炉
斯洛伐克中部,赫龙河畔捷亚尔的铝工厂
斯洛伐克中部,赫龙河畔捷亚尔的铝工厂

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。

合金

青铜的铸造
青铜的铸造

工程常用的金属包括等,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

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[12],若是环境的应力固定,但是温度很高,会造成金属的潜变[13]

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。
  • 剪切成形英语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。
  • 激光熔覆英语Cladding (metalworking: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)、压铸连续铸造英语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回火[14]

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。

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X射线衍射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

相关条目

参考文献

引用

  1. ^ "Металлургия"页面存档备份,存于互联网档案馆). in The Great Soviet Encyclopedia. 1979.
  2. ^ 2.0 2.1 Oxford English Dictionary, accessed 29 January 2011
  3. ^ History of Gold. Gold Digest. [2007-02-04]. (原始内容存档于2007-04-29). 
  4. ^ E. Photos, E. The Question of Meteoritic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results (PDF). World Archaeology. 2010, 20 (3): 403 [2015-03-03]. JSTOR 124562. doi:10.1080/00438243.1989.9980081. (原始内容存档 (PDF)于2015-12-22). 
  5. ^ 5.0 5.1 W. Keller (1963) The Bible as History. p. 156. ISBN 978-0-340-00312-1
  6. ^ Radivojević, Miljana; Rehren, Thilo; Pernicka, Ernst; Šljivar, Dušan; Brauns, Michael; Borić, Dušan. On the origins of extractive metallurgy: New evidence from Europe. Journal of Archaeological Science. 2010, 37 (11): 2775. doi:10.1016/j.jas.2010.06.012. 
  7. ^ Neolithic Vinca was a metallurgical culture页面存档备份,存于互联网档案馆) Stonepages from news sources November 2007
  8. ^ B. W. Anderson (1975) The Living World of the Old Testament, p. 154, ISBN 978-0-582-48598-3
  9. ^ R. F. Tylecote (1992) A History of Metallurgy ISBN 978-0-901462-88-6
  10. ^ Robert K.G. Temple (2007). The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention (3rd edition). London: André Deutsch. pp. 44–56. ISBN 978-0-233-00202-6.
  11. ^ Karl Alfred von Zittel. History of Geology and Palaeontology. 1901: 15 [2015-03-03]. doi:10.5962/bhl.title.33301. (原始内容存档于2016-03-04). 
  12. ^ ARTC 財團法人車輛研究測試中心 - 客戶服務 - 知識庫 - 車輛結構的不定時炸彈--您絕對不能忽視的金屬疲勞破壞. artc.org.tw. [2015-03-03]. (原始内容存档于2015-04-02). 
  13. ^ 制造工程与技术原理. 清华大学出版社有限公司. 2004: 10–. ISBN 978-7-302-08120-3. 
  14. ^ Arthur Reardon (2011), Metallurgy for the Non-Metallurgist (2nd edition), ASM International, ISBN 978-1-61503-821-3

书籍

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