铜及铜合金基础

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类社会进步的里程碑。所以历史学家以使用材料作为人类发展的标志，把人类发展历史分为∶石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁代。随着人类文明的进步，18世纪以后钢铁冶金技术的进步和人工合成有机高分子料的相继问世，都对人类社会的进步产生了巨大的推动作用。20世纪中叶以后，硅材料和计算机技术的飞速发展，使人类进入了信息时代，有人把它称之为"硅材料时代"。这些都充分说明材料对人类文明进步起了十分关键的作用。在20世纪70年代，人们把信息、材料、能源誉为当代文明的三大支柱，80年代以高技术群为代表的新技术革命又把新材料、信息技术和生物技术列为新技术革命的重要标志。总之，材料与国民经济建设、国防建设和人民生活息息相关，其重要性是不言而喻的。

除了具有上述的重要性之外，还具有多样性。材料种类繁多，特性各异，其分类方法也多种多样。按照材料的物理化学属性可分为∶金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以及不同类型材料组成的复合材料;按照材料的用途和特性来分，通常分为结构材料和功能材料;按照其具体的应用领域，又分为电子材料、航空航天材料、能源材料、核材料、生建筑材料等;另外还可根据材料生产和应用的规模及历史分为传统材料和新型材料。尽管材料可以进行上述各种分类，但这些分类方法并没有一个统一标准，也不是十分严构材料是以材料的力学性能为主，用以制造受力部件的材料;而功能材料则是物理化学性能，如磁、电、光、声、氧化、腐蚀、生物相容等特性为主，用以完成某功能的材料。但是许多情况下，结构材料也要求具有一定的物理化学性能，如导电性、抗氧化和抗腐蚀性能等。一种材料可能既是结构材料又是功能材料。例如铁路电气化需要的架空导线铜合金，它既要求有较高的强度又要求高的导电性和耐磨性。传统材料和新材料之间也没有明显的界限。例如传统的钢，由于采用了新的工艺技术和设备，明显地提高了性能成为细晶粒的超级钢就是一种新型材料。

在种类繁多的材料中，金属材料已有几千年的历史。我国是世界上最早制造、使用金属国家之一。对许多出土文物的分析研究表明，早在4000多年前就使用了青铜器，使用铸铁和钢的历史也有3000多年的历史，例如河南安阳出土的重达875kg重的鼎、湖北隋县出土的编钟、西安出土的青铜车马，都充分反映了当时中国冶金技术和制造工艺水平的高超。辽阳三道壕出土的西汉宝剑进行金相分析表明，其组织和近代淬火钢的组织几乎没什么区别，这说明2000多年前，我国对钢的热处理技术已达到惊人的水平。

随着人类文明的进步，到18世纪蒸气机的发明，19世纪电动机的出现，大大地推动了的快速发展。到20世纪，金属材料已成为结构材料的主体，同时各种金属功能材料也不断涌现。这一百多年来，人们对金属材料的生产和研究取得了巨大的成就，已经能够制出适应各工业部门发展所需要的各种各样性能的结构材料和功能材料，积累了大量的经验资料，

建立和发展了金属材料的许多基本理论。人们通过实践和总结发现，材料的性能与它的化学成分和生产工艺条件有关，因为不同成分和不同生产工艺制造出的金属材料，其内组织、结构是不同的，所以其性能就会不同。例如人们很熟悉的黄铜是铜和锌的合金，当锌含量增加时，黄铜的强度增加，电阻率也增加，这就是由于合金成分的变化，其组织结构随之发生变化的缘故。

对于同一成分的合金，如果热处理工艺或加工状态不同，其性能也差别很大。又以铜合金为例，68黄铜在退火状态的抗拉强度约为320MPa，但冷变形态的抗拉强度可达660 MPa; 铍青铜QBel.7在退火状态下的抗拉强度仅400 MPa左右，而经淬火时效以后抗拉强度可达1300MPa以上，这都是由于加工热处理状态不同，其内部组织结构产生了重要变化的结果。以上简单的例子说明了材料的性能和它的化学成分、加工工艺、组织结构之间存在十分密切的关系。人们对生产实践和科学实验中所积累的大量资料，经过分析、总结和系统化，并进一步验证提高，逐步建立了一门独立的学科——金属学（或称物理冶金学），它就是研究金属材料的化学成分、加工制备工艺、内部组织结构、材料性能以及它们之间关系的科学。人们常常把材料的成分（Composition）、加工制备工艺（Processing）、组织结构（Structure）、性能（Properties）称之为材料的四个基本要素，并把这四个要素组成一个四面体，以表示它们之间的相互关系。

我国科学院院士，著名材料科学家师昌绪老先生认为，材料的性能和使用效能并不是完全相同的概念，但它们有着特殊的联系。材料的使用效能是材料性能在使用条件下的表现，环境（如气氛、介质、温度等）对材能性能的影响很大，有些材料在一般环境下的性能良好，而在腐蚀介质下性能显著下降;有些材料在表面光滑时性能良好，当表面存在缺陷、划伤时大大下降，特别有些高强度材料表现尤为突出。因此把环境因素引入到工程材料中来十分重要，亦即材料应考虑5个基本要素。另外，材料的5个要素都有其相关的基本理论。根据基础理论建立模型，通过模型进行材料设计和工艺设计，以达到最优的性能和使用效能，并节约资源、减少污染、降低成本的最佳状态，这是材料科学与工程的最终奋斗目标。因此先生提出了一个六面体的材料要素图。理论处于六面体中心，表示5个要素几个相关要素都需要基础理论的指导。这个六面体，十分全面的概述了材料的研究开发，生产使用中各种因素的相互关系。

物理冶金学是研究金属材料的成分、加工制备工艺、组织结构、性能及它们之间的关系，探索自然规律的科学，属于基础理论研究。同时它和生产实践息息相关，它所研究的问题生产实践中提出来的。研究材料的目的在于应用，是面向实际直接为经济建设服务的，所以物理冶金学也是一门工程技术科学。

冶金学是以固体物理、晶体学、物理化学等为基础，并结合冶金学来研究金属材料本质和各种条件下其内部结构的演变规律，所以物理冶金学的发展与物理学的实验技术展密切相关，例如X射线衍射技术、电子显微镜技术、电子探针微区分析技术等先进科仪器的不断发展和性能的不断提高都大大推进了物理冶金学的发展。

物理冶金学作为一门独立的学科，虽然经历了一百多年的历史，已取得了巨大的成习还是一个正在发展中的科学，其体系还不像物理学、化学那样严密、完整，有许多理论和规律还停留在定性或半定量的阶段，某些理论或规律则只有在某种特定条件下才适用。例如两种金属形成置换式固溶体时，决定溶质溶解度大小的因素就只是定性的半经验规律而且只有部分合金才比较准确的符合。还有一些问题的本质至今尚不十分清楚，同时存在多种理论或观点。例如加工硬化现象是很早就被人们注意的重要问题，众多学者对此进行了召得了重要成果，材料生产中对加工硬化现象的利用也很普遍，但是加工硬化的微观机制，至今仍然了解不够，加工硬化理论还在发展中，目前已发表的加工硬化理论不下十余种，它们都能解释某些实验现象，但哪一种观点是最全面准确的，现在还难以肯定。又例如单相铜合金在低温退火时，可显著提高硬度、抗拉强度、屈服强度和弹性极限，这种现象称为退火硬化，在工业上也在利用这种低温退火硬化现象来提高冷变形单相铜合金的强度和弹性。但是这一现象的机理目前尚无定论。尽管如此，物理冶金学已取得的巨大成就，所建立的许多理论和总结的规律，是指导人们当前从事金属材料研究开发及生产的重要基础。可以肯定，随着科学技术的进步和各学科的飞速发展，一定会促进人们对金属材料的了解日益深入，一个更加严密、科学、完整的物理冶金学必将逐渐建立，一个更加科学的新材料发展时期必将到来。

由上述可知，作为从事金属材料的科研开发和生产的科技人员，必须掌握物理冶金学的基本知识，才能适应材料学科不断发展的新形势，为我国现代化建设生产出更好更多的材料。