《物理冶金學(xué)》
——跨越半個(gè)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(zhǎng)沙，4100832.中南大學(xué)出版社，長(zhǎng)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(shí)代到青銅器時(shí)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(diǎn)之上)進(jìn)行造渣、除渣給予消除，同時(shí)對(duì)某些化學(xué)成分通過除渣、脫碳、去氧等操作得到相對(duì)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(gè)分支，由金相學(xué)演化而來?！皃hysical metallurgy”是美、英等國(guó)使用的名稱，這門學(xué)科在德國(guó)稱為“metallkunde”,在中國(guó)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(zhǎng)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(cè)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(yùn)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(gè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)材料組織—結(jié)構(gòu)—成分—性能的一體化分析，可以原位、動(dòng)態(tài)、三維地對(duì)材料進(jìn)行表征。這些新技術(shù)的應(yīng)用將極大地推動(dòng)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(dòng)世界材料科學(xué)的發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員Alan Cottrell爵士曾評(píng)價(jià)該著作“絕對(duì)令人不忍釋讀,…,是一本曠世杰作?！蔽覈?guó)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(shí)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(shí)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(zhǎng)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?，但?duì)有些較少關(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(diǎn)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(shí)活躍的研究領(lǐng)域。該書省略了實(shí)驗(yàn)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(duì)金相技術(shù)作了例外處理，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的材料科學(xué)教科書對(duì)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(píng)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?！段锢硪苯饘W(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(dú)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(dú)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(qǐng)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(shí)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(gè)國(guó)家，因此已成為一本真正意義上的國(guó)際化的教科書。第3版對(duì)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(kuò)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(shí)，第3版對(duì)實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(duì)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(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行修改和補(bǔ)充。1992年，Cahn教授邀請(qǐng)Hassen教授再度合作并擬平等分擔(dān)主編工作。1993年初，他們?cè)谕瓿汕捌谟?jì)劃和與作者面對(duì)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(gè)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(diǎn)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(gè)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(cuò)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(gè)不同的國(guó)家工作，因此是真正國(guó)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(shí)過18年后之后的2014年新版本才得以順利出版，并由美國(guó)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(shí)現(xiàn)了該書主編的新老交替。第5版共有45位國(guó)際作者，分別來自世界上8個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家；增加了1965年至2014年間物理冶金學(xué)在幾個(gè)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(bǔ)充。

3 《物理冶金學(xué)》第5版特點(diǎn)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(guó)匹茲堡卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授，TMS和ASM International會(huì)士，其主要研究方向?yàn)椴牧辖Y(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(guó)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(shí)，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(chǎng)離子顯微鏡、計(jì)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(guó)際材料前沿叢書”中的重點(diǎn)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(gè)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(kuò)散，金屬中的缺陷，凝固，固態(tài)下的擴(kuò)散相變，非擴(kuò)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(chǎng)離子顯微術(shù)，位錯(cuò)，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(jì)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(jí)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(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員、中國(guó)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(guó)材料科學(xué)界的友人，曾于20世紀(jì)90年代到中國(guó)科學(xué)院金屬研究所訪問講學(xué)，并擔(dān)任《金屬學(xué)報(bào)》國(guó)際顧問組組長(zhǎng)。

4.1 R. W. Cahn的科學(xué)貢獻(xiàn)

Cahn通過實(shí)驗(yàn)證明了位錯(cuò)的存在(線缺陷，在壓力運(yùn)動(dòng)下能使金屬發(fā)生塑性變形)，提出了位錯(cuò)可用來解釋具有高塑性變形的金屬晶體與實(shí)際純金屬晶體之間的差距。在純金屬晶體中，位錯(cuò)可以在小的剪切應(yīng)力作用下發(fā)生移動(dòng)。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(cuò)的運(yùn)動(dòng))來改善金屬對(duì)塑性變形的抵抗力并控制金屬的脆性斷裂，但直到位錯(cuò)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(gè)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(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軟化過程，從而容許它們?cè)俪尚涡碌奈矬w。在他的模型中，位錯(cuò)由以前的形變引入，并重新排列形成無位錯(cuò)小區(qū)域，最終生長(zhǎng)為新的晶粒。這個(gè)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(zhǎng)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(jī)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(yùn)斌、史海燕、汪凡云對(duì)本文也有貢獻(xiàn)，特此致謝。