冶金學是一門研究如何經濟地從礦石或其他原料中提取金屬或金屬化合物，并用一定的加工方法制成具有一定性能的金屬材料的科學。它包含化學冶金（又稱提取冶金）、物理冶金和機械冶金（又稱力學冶金）三個分支學科。

    其中，物理冶金是以研究金屬組織結構性能為主，今天小冶就想通過7個問題和你聊聊物理冶金的那些事兒~

    讓我們進入正題吧~

    什么是物理冶金？

    物理冶金學是現代材料科學賴以蓬勃發展的根源。

    ——R. W. Cahn, Physical Metallurgy

   物理冶金學是廣義冶金學的重要分支學科，研究的主要內容是化學冶金的產品經再加工和熱處理產生的金屬及合金的組織、結構的變化，以及由此而造成的金屬材料機械性能、物理性能、化學性能、工藝性能的變化。

    “物理冶金學”和“金屬學”有什么不一樣呢？繼續往下看吧。

    鋼鐵生產中的物理冶金學問題怎么理解？

    由于鋼鐵產量在金屬中占有絕對優勢，鋼鐵工業的發展促成了金相學的興起，并且最終發展成物理冶金學。

    鋼鐵生產中的物理冶金學問題就是工藝、組織和性能的關系問題，對組織的深入研究揭示了各種表象背后的機理，并推動著工藝技術的進步和先進材料的發展，不妨想想具有里程碑意義的TMCP技術。

    2017年8月24日，《科學》雜志發表了中國京港臺三地科學家的合作科研成果，他們發明的一種超級鋼實現了鋼鐵材料在屈服強度超過2000MPa時延展性的“巨大提升”。具有超高強度的金屬材料通常應用于汽車、航空及國防工業，但材料的強度與延展性通常是“魚與熊掌不可兼得”。這項工作不僅是解決了一個世界級難題，更重要的意義在于突破理論的局限、突破思維的局限，就可以實現創新，預示著物理冶金學將有更為廣闊的發展前景。

    組織的作用為什么這么關鍵？

    工藝和性能之間的關系只是表象，組織是兩者之間的橋梁，研究組織不但“知其然”，而且“知其所以然”。舉個例子吧！20世紀80~90年代還被普遍描述為“低溫大壓下”的提高鋼材性能的措施，其實就是“未再結晶控制軋制”。

    看下圖

    ▲鋼在熱軋過程中奧氏體的再結晶過程

    鋼鐵生產中是工藝決定組織，組織決定性能。而產品研發的思路是由性能確定組織，再由組織確定工藝。就這樣反反復復，先進鋼鐵材料不斷產生，而工藝技術不斷進步，對組織的深入研究起了關鍵作用！

    《鋼的物理冶金》緊緊抓住工藝、組織、性能三者的關系，主要包括對于物理冶金學的思考、物理冶金學的研究方法和先進鋼鐵材料的研發實踐三部分內容。思考、方法和實踐，相互交叉，貫穿始終。

    鋼的物理冶金還有哪些值得我們思考？

    一想到相變、析出，就感覺很高大上唉！

    其實物理冶金學經過100年的發展，理論已較為成熟。但是傳統的教科書或者經典的著作著重理論闡述，針對性不強。先進鋼鐵材料的研發更加注重理論的應用。針對鋼鐵產品的特殊要求，從物理冶金角度來思考，把實踐經驗、科研成果和經典理論相結合。思考——也是高大上的感覺呀~

    思考過后做什么？

    實踐！舉例來說，超低碳貝氏體鋼（ULCB）是近二十多年來國際上發展起來的一大類高強度、高韌性、多用途新型鋼種，廣泛應用于工程機械、輸油管線、儲油容器、船舶、橋梁、建筑等行業。依照鋼的物理冶金理論，通過實驗室熔煉、熱模擬和軋制，探索以Cr代Mo生產的低碳貝氏體鋼的可行性，為工業生產低成本、高性能的低碳貝氏體鋼提供依據。

    再舉例來說，焊接質量是決定油氣輸送管線使用性能的關鍵因素。結合現場工藝、技術和產品，利用光學顯微鏡和透射電鏡分區域研究X80管線鋼焊接HAZ的組織特征，采用焊接熱模擬技術研究焊接熱輸入（峰值溫度和焊后冷卻速度）對焊接HAZ組織和性能的影響，提出改善焊接HAZ性能的途徑，對提高焊接接頭的強韌性具有重要意義。

    此外，軸承鋼的相變和網狀碳化物控制研究、薄板坯連鑄連軋低碳鋼的組織演變都是具體的實例。尤其是鈦微合金鋼的TMCP工藝研究和關于納米TiC等溫析出的研究豐富了物理冶金學理論，具有較重要的科學意義；而在熱軋帶鋼和中厚板中的應用，將會產生巨大的經濟效益。

    研究鋼的物理冶金用什么方法？

    前面提到了，主要是微觀分析方法和熱模擬研究方法。在生產現場進行實驗是不現實的。因此，采用熱模擬的方法模擬生產工藝、制備試樣，通過熱模擬評定和預測材料在加工過程中的質量問題，優化冶煉、連鑄、軋制及熱處理工藝，提高產品質量、穩定產品性能。而微觀分析方法可能是研究或表征組織最重要的手段。

    選擇正確的方法，成功就在前方。

    這里說的為什么和我之前學的有點不一樣？

    學習金屬學課程時，上來就是晶體學和空間點陣，最后也不知道干什么。其實，晶體學是物理冶金學（或說是金屬學）和微觀分析的基礎。舉兩個例子：位錯是一種晶體缺陷，加工硬化（產生位錯）是回復和再結晶的前提，而所有的強化方式都是位錯和晶體缺陷作用的結果；通過電子衍射譜進行物相分析，就是由于不同的晶體結構產生布拉格衍射的結果。

    此外，多了解一些冶金史的知識也很重要。如果把中國古代的“炒鋼”看作“降碳”、灌鋼看作“滲碳”，這樣就容易理解了。

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