彭超群

1.中南大學材料科學與工程學院，長沙，4100832.中南大學出版社，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。

冶金的技術原理是，將金屬溶液中的雜質通過熔融(加熱到熔點之上)進行造渣、除渣給予消除，同時對某些化學成分通過除渣、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的一個分支，由金相學演化而來。“physical metallurgy”是美、英等國使用的名稱，這門學科在德國稱為“metallkunde”,在中國則稱為金屬學。物理冶金是指通過非化學方法達到改變金屬性能的冶金學科，它是通過研究金屬及其合金的組成、組織結構和性能的內在聯(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的一門應用科學，主要包括退火、調幅分解、形核、長大和粒子粗化等原理。

物理冶金技術是失效分析的主要手段之一，在確定失效性質、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、結構特征分析、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。這些技術的綜合運用為失效分析的系統(tǒng)性、科學性、準確性提供了有力的技術支持。隨著分析儀器設備的發(fā)展，一些新型的分析技術也相應得到發(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構與成分分析；中子衍射、同步輻射等可用于厚樣品內部缺陷的表征等；分析電子顯微鏡系統(tǒng)實現(xiàn)了對材料組織—結構—成分—性能的一體化分析，可以原位、動態(tài)、三維地對材料進行表征。這些新技術的應用將極大地推動失效分析技術的發(fā)展。

2 《物理冶金學》出版歷程

由R. W. Cahn教授擔任創(chuàng)始主編、愛思唯爾公司出版的《物理冶金學》第1版于1965年面世，到第5版2014年出版，歷經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工作者，為推動世界材料科學的發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻。英國皇家學會會員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?！?/p>

20世紀60年代，Cahn教授順應材料科學發(fā)展的時代需求，召集物理冶金領域眾多的著名學者就編撰世界上第一本《物理冶金學》教科書達成共識并擔任主編，由他擬定提綱并整理成書，各作者分別根據(jù)自己的專長就該學科的主要分支撰寫有關章節(jié)。該書省略了物理冶金學的某些主題或限制其篇幅，以便控制其總容量，但對有些較少關注的主題卻給予了足夠的篇幅以進行充分的闡述，例如：物理冶金的發(fā)展歷史，固溶體的點缺陷、結構和力學性能，相變理論，再結晶，高純金屬，鐵磁性能，以及兩相合金的力學性能。這些都是當時活躍的研究領域。該書省略了實驗技術，猶其是衍射技術，這些內容可在別的教科書中容易找到。但對金相技術作了例外處理，因為當時的材料科學教科書對電子顯微技術領域的創(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主題。文內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》第1版和第2版分別于1965年和1970年出版，由R. W. Cahn教授獨立擔任主編，P. Hassen教授等參與了部分協(xié)調工作。

《物理冶金學》第1版和第2版是1970年代的材料科學暢銷書。該書脫銷后，Cahn教授開始思考出版第3版新書的必要性。但物理冶金學的快速發(fā)展使他感覺單獨擔任主編任務過于艱巨。因新書內容更加復雜，篇幅更加龐大，故邀請Hassen教授擔任共同主編。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“界面和表面溶質偏析”研究領域的重大進展和重要實際意義，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域和基礎理論研究主題(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，分配了較多版面。從內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，以使其嚴格地圍繞確定的主題進行闡述。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，對相關內容進行修改和補充。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教授重病并于當年10月不幸逝世，隨后的主編任務便落在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”，第二是“金屬間化合物力學行為的位錯理論”，第三是“高分子物理冶金導論”——這是首次關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教授共同擔任主編。1970年，第5版主編之一Laughlin正是參考《物理冶金學》第1版參加博士生入學考試的，而今由他和其合作者繼往開來地完成《物理冶金學》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)達國家；增加了1965年至2014年間物理冶金學在幾個新領域的重要進展，部分章節(jié)的內容由第4版的原作者進行了全面的修改和補充。

3 《物理冶金學》第5版特點和內容

《物理冶金學》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版內容多20%，第3版又比第2版多50%，第4版的內容則接近第1版的3倍。第5版正文內容和總索引多達2 899頁。

第5版主編David E. Laughlin是美國匹茲堡卡內基梅隆大學教授，TMS和ASM International會士，其主要研究方向為材料結構的電子顯微鏡觀察、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，筑波大學教授，其主要研究方向是金屬材料，特別是磁性材料微觀結構與性能的關系。

《物理冶金學》第5版全面系統(tǒng)地涵蓋了材料科學領域中的相關知識，深刻地描述和解釋了物理冶金學中的大多數(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前科技發(fā)展的最前沿，全書分為3卷。

《物理冶金學》第5版由愛思唯爾公司于2014年出版，是2017年中南大學出版社首批引進的“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領域的權威專家，在第4版的基礎上增加了多個主題，以反映過去近20年來材料科學領域的新進展。部分章節(jié)由第4版的相同作者撰寫，但均進行了更新，涵蓋了新的論題和方法。該書內容包括：金屬元素與化合物的晶體結構，復雜金屬化合物的電子理論，熱力學與相圖，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，X射線與中子散射，固-固界面的結構，成分與能量，原子探針場離子顯微術，位錯，金屬與合金的塑性變形，金屬的蠕變，金屬及合金的磁學性能，輕合金的物理冶金學，鋼鐵的物理冶金學，鎳基超合金的物理冶金學，回復和再結晶，多孔金屬，金屬中的氫，納米晶金屬的物理冶金學，計算冶金學。該書可作為材料科學與工程等專業(yè)高年級本科生、研究生的教材，也可供冶金、材料、物理、化學、生物醫(yī)學等相關學科領域的科研人員、工程技術人員使用。

4 R. W. Cahn——材料科學的先驅者

R. W. Cahn(1924—2007)是英國皇家學會會員、中國科學院外籍院士、劍橋大學教授。Cahn教授是材料科學領域的先驅者，撰寫和編撰了《物理冶金學》《材料科學與技術叢書》《走進材料科學》等多部權威著作和教科書，其中《物理冶金學》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界的友人，曾于20世紀90年代到中國科學院金屬研究所訪問講學，并擔任《金屬學報》國際顧問組組長。

4.1 R. W. Cahn的科學貢獻

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力作用下發(fā)生移動。金屬加工技術中一直使用溶質原子、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地解釋。

Cahn還提出了一個再結晶過程中新晶體的成核模型：當金屬發(fā)生嚴重變形的時候會產生一個軟化過程，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領域所有重要工業(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，他研究了鈾的結晶學、機械孿生、金屬間化合物等。

4.2 R. W. Cahn的出版貢獻

Cahn一生發(fā)表了240余篇學術論文，但他在材料科學領域的編著工作更讓人為之震撼。①創(chuàng)辦4種材料科學期刊：JournalofNuclearMaterials，JournalofMaterialsScience，JournalofMaterialsResearch，Intermetallics；②主編3種材料科學百科全書：EncyclopediaofMaterialsScienceandEngineering，EncyclopediaofAdvancedMaterials，ConciseEncyclopediaofMaterialsCharacterisation；③主編3種材料科學系列叢書：MaterialsScienceandTechnology，AComprehensivetreatment,CambridgeSolidStateScienceSeries,PergamonMaterialsSeries。

致謝中南大學出版社胡煒、何運斌、史海燕、汪凡云對本文也有貢獻，特此致謝。