《物理冶金學(xué)》
——跨越半個世紀(jì)的材料科學(xué)經(jīng)典著作

彭超群

1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙，4100832.中南大學(xué)出版社，長沙,410083

1 物理冶金概念

冶金就是從礦物中提取金屬或金屬化合物，用各種加工方法將金屬制成具有一定性能的金屬材料的過程和工藝。冶金具有悠久的歷史，從石器時代到青銅器時代，再到近代鋼鐵冶煉的大規(guī)模發(fā)展，人類的發(fā)展歷史融合了冶金的發(fā)展歷史。

冶金的技術(shù)原理是，將金屬溶液中的雜質(zhì)通過熔融(加熱到熔點之上)進(jìn)行造渣、除渣給予消除，同時對某些化學(xué)成分通過除渣、脫碳、去氧等操作得到相對純凈的合金成分。冶金技術(shù)主要包括火法冶金、濕法冶金和電冶金。

物理冶金是廣義的冶金學(xué)的一個分支，由金相學(xué)演化而來。“physical metallurgy”是美、英等國使用的名稱，這門學(xué)科在德國稱為“metallkunde”,在中國則稱為金屬學(xué)。物理冶金是指通過非化學(xué)方法達(dá)到改變金屬性能的冶金學(xué)科，它是通過研究金屬及其合金的組成、組織結(jié)構(gòu)和性能的內(nèi)在聯(lián)系，以及在各種條件下的變化規(guī)律，有效地使用金屬材料和為發(fā)展具有特定性能的金屬材料而服務(wù)的一門應(yīng)用科學(xué)，主要包括退火、調(diào)幅分解、形核、長大和粒子粗化等原理。

物理冶金技術(shù)是失效分析的主要手段之一，在確定失效性質(zhì)、判別失效模式及分析失效原因中發(fā)揮了重要作用。它除了主要的組織形貌觀察、結(jié)構(gòu)特征分析、微區(qū)成分表征以外，還包括顯微硬度測定、物理性能表征、等溫凝固相變過程分析等。這些技術(shù)的綜合運用為失效分析的系統(tǒng)性、科學(xué)性、準(zhǔn)確性提供了有力的技術(shù)支持。隨著分析儀器設(shè)備的發(fā)展，一些新型的分析技術(shù)也相應(yīng)得到發(fā)展。例如:俄歇電子譜儀、X射線光電子譜儀等可用于材料最表面的幾個原子層的結(jié)構(gòu)與成分分析；中子衍射、同步輻射等可用于厚樣品內(nèi)部缺陷的表征等；分析電子顯微鏡系統(tǒng)實現(xiàn)了對材料組織—結(jié)構(gòu)—成分—性能的一體化分析，可以原位、動態(tài)、三維地對材料進(jìn)行表征。這些新技術(shù)的應(yīng)用將極大地推動失效分析技術(shù)的發(fā)展。

2 《物理冶金學(xué)》出版歷程

由R. W. Cahn教授擔(dān)任創(chuàng)始主編、愛思唯爾公司出版的《物理冶金學(xué)》第1版于1965年面世，到第5版2014年出版，歷經(jīng)50載，從單卷本到兩卷本再到三卷本，教育和培養(yǎng)了一代又一代的材料科學(xué)工作者，為推動世界材料科學(xué)的發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。英國皇家學(xué)會會員Alan Cottrell爵士曾評價該著作“絕對令人不忍釋讀,…,是一本曠世杰作。”我國著名材料科學(xué)家、兩院院士師昌緒先生稱贊該著作：“無論新老材料研究者都能從閱讀中受益，從而得到急需的啟發(fā)和創(chuàng)新的能力。”

20世紀(jì)60年代，Cahn教授順應(yīng)材料科學(xué)發(fā)展的時代需求，召集物理冶金領(lǐng)域眾多的著名學(xué)者就編撰世界上第一本《物理冶金學(xué)》教科書達(dá)成共識并擔(dān)任主編，由他擬定提綱并整理成書，各作者分別根據(jù)自己的專長就該學(xué)科的主要分支撰寫有關(guān)章節(jié)。該書省略了物理冶金學(xué)的某些主題或限制其篇幅，以便控制其總?cè)萘浚珜τ行┹^少關(guān)注的主題卻給予了足夠的篇幅以進(jìn)行充分的闡述，例如：物理冶金的發(fā)展歷史，固溶體的點缺陷、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，相變理論，再結(jié)晶，高純金屬，鐵磁性能，以及兩相合金的力學(xué)性能。這些都是當(dāng)時活躍的研究領(lǐng)域。該書省略了實驗技術(shù)，猶其是衍射技術(shù)，這些內(nèi)容可在別的教科書中容易找到。但對金相技術(shù)作了例外處理，因為當(dāng)時的材料科學(xué)教科書對電子顯微技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新均沒有給予足夠的重視。該書每章后均附有參考書目和評論，以便讀者深入了解相關(guān)主題。文內(nèi)相互參照和文后總索引則使各章節(jié)之間的聯(lián)系更加緊密。《物理冶金學(xué)》第1版和第2版分別于1965年和1970年出版，由R. W. Cahn教授獨立擔(dān)任主編，P. Hassen教授等參與了部分協(xié)調(diào)工作。

《物理冶金學(xué)》第1版和第2版是1970年代的材料科學(xué)暢銷書。該書脫銷后，Cahn教授開始思考出版第3版新書的必要性。但物理冶金學(xué)的快速發(fā)展使他感覺單獨擔(dān)任主編任務(wù)過于艱巨。因新書內(nèi)容更加復(fù)雜，篇幅更加龐大，故邀請Hassen教授擔(dān)任共同主編。該書第1版和第2版分別為22章和23章。在第3版中，其中的8章由第2版的原作者進(jìn)行全面修訂，其余各章交由新作者撰寫，部分章拆成了多章。此外，第3版中有7章闡述的是全新的主題。因“界面和表面溶質(zhì)偏析”研究領(lǐng)域的重大進(jìn)展和重要實際意義，用其取代“高純金屬”一章。第3版的作者至少來自7個國家，因此已成為一本真正意義上的國際化的教科書。第3版對物理冶金活躍的研究領(lǐng)域和基礎(chǔ)理論研究主題(例如相變，包括凝固、缺陷和擴散)給予優(yōu)先考慮，并分配了較多的版面以進(jìn)行充分的闡述。同時，第3版對實驗方法及其原理，尤其是電子顯微技術(shù)，分配了較多版面。從內(nèi)容的修改和擴充程度講，第3版可以說是一本全新的著作。在第3版撰寫和編輯過程中，主編和作者還盡最大努力對物理冶金和過程冶金的界限作了區(qū)分，以使其嚴(yán)格地圍繞確定的主題進(jìn)行闡述。第3版于1983年正式出版。

第3版面世后銷售穩(wěn)定。為滿足材料學(xué)科發(fā)展和讀者需求，出版商愛思唯爾公司敦促主編推出第4版，對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行修改和補充。1992年，Cahn教授邀請Hassen教授再度合作并擬平等分擔(dān)主編工作。1993年初，他們在完成前期計劃和與作者面對面討論后，Hassen教授重病并于當(dāng)年10月不幸逝世，隨后的主編任務(wù)便落在Cahn教授一個人的肩上，因此第4版直到1996年初才得以出版。在第4版中，Cahn教授親自撰寫了材料科學(xué)的發(fā)展歷史并將重點放在物理冶金的發(fā)展歷史上。該版刪除了“超導(dǎo)合金”一章，并增加了3個新主題：第一是“金屬材料的氧化、腐蝕和防護(hù)”，第二是“金屬間化合物力學(xué)行為的位錯理論”，第三是“高分子物理冶金導(dǎo)論”——這是首次關(guān)于這類材料的專門論述。其中6章由新作者撰寫，5章由原作者和其他合作者共同修改。第19章“快速凝固合金”更名為“亞穩(wěn)態(tài)合金”。只有3章的作者仍是大約32年前的原作者。第4版有作者44人，他們分別在9個不同的國家工作，因此是真正國際化的產(chǎn)物。

1996年第4版出版后，2007年創(chuàng)始主編Cahn教授的逝世延緩了第5版的問世，直到時過18年后之后的2014年新版本才得以順利出版，并由美國David E. Laughlin教授和日本Kazuhiro Hono教授共同擔(dān)任主編。1970年，第5版主編之一Laughlin正是參考《物理冶金學(xué)》第1版參加博士生入學(xué)考試的，而今由他和其合作者繼往開來地完成《物理冶金學(xué)》的修訂和出版工作，順利地實現(xiàn)了該書主編的新老交替。第5版共有45位國際作者，分別來自世界上8個發(fā)達(dá)國家；增加了1965年至2014年間物理冶金學(xué)在幾個新領(lǐng)域的重要進(jìn)展，部分章節(jié)的內(nèi)容由第4版的原作者進(jìn)行了全面的修改和補充。

3 《物理冶金學(xué)》第5版特點和內(nèi)容

《物理冶金學(xué)》第1版和第2版為單卷本，第3版為兩卷本，第4版和第5版為三卷本。第1～5版分別有22、23、31、32和27章。第2版比第1版內(nèi)容多20%，第3版又比第2版多50%，第4版的內(nèi)容則接近第1版的3倍。第5版正文內(nèi)容和總索引多達(dá)2 899頁。

第5版主編David E. Laughlin是美國匹茲堡卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授，TMS和ASM International會士，其主要研究方向為材料結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡觀察、相變和磁性材料。共同主編Kazuhiro Hono是日本國立材料研究所研究員、磁性材料部主任，筑波大學(xué)教授，其主要研究方向是金屬材料，特別是磁性材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。

《物理冶金學(xué)》第5版全面系統(tǒng)地涵蓋了材料科學(xué)領(lǐng)域中的相關(guān)知識，深刻地描述和解釋了物理冶金學(xué)中的大多數(shù)方法，其中輕合金物理冶金、鈦合金物理冶金、原子探針場離子顯微鏡、計算冶金和取向成像顯微鏡等都是當(dāng)前科技發(fā)展的最前沿，全書分為3卷。

《物理冶金學(xué)》第5版由愛思唯爾公司于2014年出版，是2017年中南大學(xué)出版社首批引進(jìn)的“國際材料前沿叢書”中的重點圖書。該版兩位主編均是材料科學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威專家，在第4版的基礎(chǔ)上增加了多個主題，以反映過去近20年來材料科學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展。部分章節(jié)由第4版的相同作者撰寫，但均進(jìn)行了更新，涵蓋了新的論題和方法。該書內(nèi)容包括：金屬元素與化合物的晶體結(jié)構(gòu)，復(fù)雜金屬化合物的電子理論，熱力學(xué)與相圖，金屬玻璃，金屬與合金中的擴散，金屬中的缺陷，凝固，固態(tài)下的擴散相變，非擴散相變，金屬與合金的微觀組織，取向成像，透射電子顯微術(shù)，X射線與中子散射，固-固界面的結(jié)構(gòu)，成分與能量，原子探針場離子顯微術(shù)，位錯，金屬與合金的塑性變形，金屬的蠕變，金屬及合金的磁學(xué)性能，輕合金的物理冶金學(xué)，鋼鐵的物理冶金學(xué)，鎳基超合金的物理冶金學(xué)，回復(fù)和再結(jié)晶，多孔金屬，金屬中的氫，納米晶金屬的物理冶金學(xué)，計算冶金學(xué)。該書可作為材料科學(xué)與工程等專業(yè)高年級本科生、研究生的教材，也可供冶金、材料、物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員使用。

4 R. W. Cahn——材料科學(xué)的先驅(qū)者

R. W. Cahn(1924—2007)是英國皇家學(xué)會會員、中國科學(xué)院外籍院士、劍橋大學(xué)教授。Cahn教授是材料科學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)者，撰寫和編撰了《物理冶金學(xué)》《材料科學(xué)與技術(shù)叢書》《走進(jìn)材料科學(xué)》等多部權(quán)威著作和教科書，其中《物理冶金學(xué)》是他一生中最重要的和影響最大的著作。Cahn教授作為中國材料科學(xué)界的友人，曾于20世紀(jì)90年代到中國科學(xué)院金屬研究所訪問講學(xué)，并擔(dān)任《金屬學(xué)報》國際顧問組組長。

4.1 R. W. Cahn的科學(xué)貢獻(xiàn)

Cahn通過實驗證明了位錯的存在(線缺陷，在壓力運動下能使金屬發(fā)生塑性變形)，提出了位錯可用來解釋具有高塑性變形的金屬晶體與實際純金屬晶體之間的差距。在純金屬晶體中，位錯可以在小的剪切應(yīng)力作用下發(fā)生移動。金屬加工技術(shù)中一直使用溶質(zhì)原子、第二相和其他障礙(阻礙位錯的運動)來改善金屬對塑性變形的抵抗力并控制金屬的脆性斷裂，但直到位錯理論的出現(xiàn)，如何控制金屬合金性能的問題才被科學(xué)地解釋。

Cahn還提出了一個再結(jié)晶過程中新晶體的成核模型：當(dāng)金屬發(fā)生嚴(yán)重變形的時候會產(chǎn)生一個軟化過程，從而容許它們再成形新的物體。在他的模型中，位錯由以前的形變引入，并重新排列形成無位錯小區(qū)域，最終生長為新的晶粒。這個模型幾乎可為材料科學(xué)領(lǐng)域所有重要工業(yè)研究提供理論模型，以用來控制晶粒大小以及晶粒生長方向。此外，Cahn在其他方面也做出了很大貢獻(xiàn)，他研究了鈾的結(jié)晶學(xué)、機械孿生、金屬間化合物等。

4.2 R. W. Cahn的出版貢獻(xiàn)

Cahn一生發(fā)表了240余篇學(xué)術(shù)論文，但他在材料科學(xué)領(lǐng)域的編著工作更讓人為之震撼。①創(chuàng)辦4種材料科學(xué)期刊：JournalofNuclearMaterials，JournalofMaterialsScience，JournalofMaterialsResearch，Intermetallics；②主編3種材料科學(xué)百科全書：EncyclopediaofMaterialsScienceandEngineering，EncyclopediaofAdvancedMaterials，ConciseEncyclopediaofMaterialsCharacterisation；③主編3種材料科學(xué)系列叢書：MaterialsScienceandTechnology，AComprehensivetreatment,CambridgeSolidStateScienceSeries,PergamonMaterialsSeries。

致謝中南大學(xué)出版社胡煒、何運斌、史海燕、汪凡云對本文也有貢獻(xiàn)，特此致謝。