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金屬材料科學

从人类进入铜器、铁器时代开始,一直到20世纪初,虽然各种金属制造的机器、工具、用品已经司空见惯,金属制品工艺技术已十分高超,但是这些技术只能说成是一种手艺,掌握了这些技术的人只能称之为工匠,因为他们依赖的是长期积累的经验,谈不上对金属本质的了解。1861年英国人H·C-肖比教授首先使用光学显微镜对金属的显微结构进行了研究,他把金属的表面磨光抛光,然后放在酸中浸蚀,在显微镜下发现了不同的花样,后来称之为显微组织结构,显微组织结构与金属的性能有着直接的关系,他的实验开创了金屬材料科學的第一页——“金相学”,也是人们揭示金属材料微观奥秘的第一步。1905年X射线用于金属,发现了金属中原子排列的规律性,即所谓晶体结构,它帮助人们了解各种金属中原子在空间分布的规律,这一成功使人们对金属的微观结构的认识又加深了一步。通过金相和X光衍射和化学分析的手段,人们对金属材料的成分、显微组织结构和性能间的关系进行了大量研究,发现了许多规律,解释了大量过去不可思议的现象,奠定了金屬材料科學的基础,并大大推动了合金钢及热处理等科学技术的发展。20世纪50年代开始,电子显微镜开始用于金属的研究,光学显微镜放大倍数的极限不超过2000倍,而电子显微镜的放大倍率可以到百万倍,因此对金属微观世界的了解又前进了一大步,不仅如此,电镜还可以透视金属的内部。随着现代科学技术的发展,近20年来,各种电子显微分析仪器不断涌现出来,它们把微区的形貌观察、晶体结构分析和微区成分分析集于一身,目前已经可以看到原子排列的图像,分析到一个一个的不同原子的分布,随着对金属微观奥秘的不断深入了解,推动了新型材料的发展,大大增进了人类改造自然的能力。 
 
从微观上看,金属和合金是由一些“合金相”以不同的数量、大小、形状和分布状态形成的复杂体系,称为显微组织结构,研究表明金属的显微组织是影响其性能的决定因素,而显微组织是由其成分和制造工艺(冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理)来决定的。因此研究金属材料的成分-显微组织,工艺-性能之间的关系便是金属材料学的基本任务,其中显微组织是核心。近百年来,无数的金属材料科技人员利用各种先进手段研究了各种合金的显微组织的形成过程和变化规律,提出了很多重要的理论,包括晶体结构、凝固与结晶、晶体缺陷、扩散、相图、相变、塑性变形、强度与断裂、腐蚀与氧化、金属的物理性能(热、电、磁)、材料设计以及金属的各种加工技术和测试技术,形成了内容丰富的金屬材料科學,它是材料学与物理学、化学、力学交叉融合的结果,是科学与工程相结合的产物,既有科学的意义又有工程应用的价值。金屬材料科學的最突出特点是把材料的宏观性质与微观过程联系起来,它是人类知识宝库中的重要财富。由于掌握了规律,人们就可以人为地去控制它。因此,人们在金属材料的领域中,逐步由经验上升为理论,由被动变为主动,由必然王国走向自由王国。 
 
在自然界中存在的100余種化學元素中有2/3是金屬,20世紀中幾乎所有的金屬都被研究過,幾乎所有有用的金屬都在爲人類服務,金屬材料不愧爲人類最親密、最忠實、最可靠的朋友。金屬材料在工程中一直是最重要的材料,之所以如此,是因爲金屬具有如下的突出優點。 
 
①金屬的力學性能堪稱“全能冠軍”。它的模量和強度可以和陶瓷比美,比高分子材料高得多;它的塑性和韌性則可以與高分子材料比美,是陶瓷所望塵莫及的;綜合起來,金屬在具有高強度的同時,具有優良的塑性和韌性,這是其他材料所不及的。因此它作爲工程材料使用時最可靠、最安全。 
 
②既耐熱,又耐寒。金屬材料可以在很高的溫度下使用,雖然使用溫度比不上陶瓷,但由于陶瓷可靠性差,在重要部件上的應用還有很大局限。因此金屬在高溫領域中仍然是主力,而高分子材料則只能在300℃以下應用。金屬又可以在很低的溫度下使用,例如液氫(-253℃)的容器,既有高強度,又有足夠的韌性,陶瓷不管在高溫還是低溫都是脆的。 
 
③金屬材料有很出色的工藝性能。如鑄造、鍛造、冷沖壓性、可焊性、可切削性和可以通過各種各樣的熱處理方法或者表面處理方法調整和改變其性能的特點。 
 
④金屬有良好的導電性、導熱性和鐵磁性,在電力工業中有不可替代的作用。 
 

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