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发布日期:2018-03-30

  冶金学是一门研究如何经济地从矿石或其他原料中提取金属或金属化合物,并用一定的加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。它包含化学冶金(又称提取冶金)、物理冶金和机械冶金(又称力学冶金)三个分支学科。

 

    其中,物理冶金是以研究金属组织结构性能为主,今天小冶就想通过7个问题和你聊聊物理冶金的那些事儿~

 

    让我们进入正题吧~

 

    什么是物理冶金?

 

    物理冶金学是现代材料科学赖以蓬勃发展的根源。

 

    ——R. W. Cahn, Physical Metallurgy

 

 

 

   物理冶金学是广义冶金学的重要分支学科,研究的主要内容是化学冶金的产品经再加工和热处理产生的金属及合金的组织、结构的变化,以及由此而造成的金属材料机械性能、物理性能、化学性能、工艺性能的变化。

 

    “物理冶金学”和“金属学”有什么不一样呢?继续往下看吧。

 

    钢铁生产中的物理冶金学问题怎么理解?

 

    由于钢铁产量在金属中占有绝对优势,钢铁工业的发展促成了金相学的兴起,并且最终发展成物理冶金学。

 

    钢铁生产中的物理冶金学问题就是工艺、组织和性能的关系问题,对组织的深入研究揭示了各种表象背后的机理,并推动着工艺技术的进步和先进材料的发展,不妨想想具有里程碑意义的TMCP技术。

 

    2017年8月24日,《科学》杂志发表了中国京港台三地科学家的合作科研成果,他们发明的一种超级钢实现了钢铁材料在屈服强度超过2000MPa时延展性的“巨大提升”。具有超高强度的金属材料通常应用于汽车、航空及国防工业,但材料的强度与延展性通常是“鱼与熊掌不可兼得”。这项工作不仅是解决了一个世界级难题,更重要的意义在于突破理论的局限、突破思维的局限,就可以实现创新,预示着物理冶金学将有更为广阔的发展前景。

 

    组织的作用为什么这么关键?

 

    工艺和性能之间的关系只是表象,组织是两者之间的桥梁,研究组织不但“知其然”,而且“知其所以然”。举个例子吧!20世纪80~90年代还被普遍描述为“低温大压下”的提高钢材性能的措施,其实就是“未再结晶控制轧制”。

 

    看下图

    ▲钢在热轧过程中奥氏体的再结晶过程

 

    钢铁生产中是工艺决定组织,组织决定性能。而产品研发的思路是由性能确定组织,再由组织确定工艺。就这样反反复复,先进钢铁材料不断产生,而工艺技术不断进步,对组织的深入研究起了关键作用!

 

    《钢的物理冶金》紧紧抓住工艺、组织、性能三者的关系,主要包括对于物理冶金学的思考、物理冶金学的研究方法和先进钢铁材料的研发实践三部分内容。思考、方法和实践,相互交叉,贯穿始终。

 

    钢的物理冶金还有哪些值得我们思考?

 

    一想到相变、析出,就感觉很高大上唉!

 

    其实物理冶金学经过100年的发展,理论已较为成熟。但是传统的教科书或者经典的著作着重理论阐述,针对性不强。先进钢铁材料的研发更加注重理论的应用。针对钢铁产品的特殊要求,从物理冶金角度来思考,把实践经验、科研成果和经典理论相结合。思考——也是高大上的感觉呀~

 

    思考过后做什么?

 

    实践!举例来说,超低碳贝氏体钢(ULCB)是近二十多年来国际上发展起来的一大类高强度、高韧性、多用途新型钢种,广泛应用于工程机械、输油管线、储油容器、船舶、桥梁、建筑等行业。依照钢的物理冶金理论,通过实验室熔炼、热模拟和轧制,探索以Cr代Mo生产的低碳贝氏体钢的可行性,为工业生产低成本、高性能的低碳贝氏体钢提供依据。

 

    再举例来说,焊接质量是决定油气输送管线使用性能的关键因素。结合现场工艺、技术和产品,利用光学显微镜和透射电镜分区域研究X80管线钢焊接HAZ的组织特征,采用焊接热模拟技术研究焊接热输入(峰值温度和焊后冷却速度)对焊接HAZ组织和性能的影响,提出改善焊接HAZ性能的途径,对提高焊接接头的强韧性具有重要意义。

 

    此外,轴承钢的相变和网状碳化物控制研究、薄板坯连铸连轧低碳钢的组织演变都是具体的实例。尤其是钛微合金钢的TMCP工艺研究和关于纳米TiC等温析出的研究丰富了物理冶金学理论,具有较重要的科学意义;而在热轧带钢和中厚板中的应用,将会产生巨大的经济效益。

 

    研究钢的物理冶金用什么方法?

 

    前面提到了,主要是微观分析方法和热模拟研究方法。在生产现场进行实验是不现实的。因此,采用热模拟的方法模拟生产工艺、制备试样,通过热模拟评定和预测材料在加工过程中的质量问题,优化冶炼、连铸、轧制及热处理工艺,提高产品质量、稳定产品性能。而微观分析方法可能是研究或表征组织最重要的手段。

 

    选择正确的方法,成功就在前方。

 

    这里说的为什么和我之前学的有点不一样?

 

    学习金属学课程时,上来就是晶体学和空间点阵,最后也不知道干什么。其实,晶体学是物理冶金学(或说是金属学)和微观分析的基础。举两个例子:位错是一种晶体缺陷,加工硬化(产生位错)是回复和再结晶的前提,而所有的强化方式都是位错和晶体缺陷作用的结果;通过电子衍射谱进行物相分析,就是由于不同的晶体结构产生布拉格衍射的结果。

 

    此外,多了解一些冶金史的知识也很重要。如果把中国古代的“炒钢”看作“降碳”、灌钢看作“渗碳”,这样就容易理解了。

 

 

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