《物理冶金学》——跨越半个世纪的材料科学经典著作

彭超群

1.中南大学材料科学与工程学院，长沙，4100832.中南大学出版社，长沙,410083

1 物理冶金概念

冶金就是从矿物中提取金属或金属化合物，用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。冶金具有悠久的历史，从石器时代到青铜器时代，再到近代钢铁冶炼的大规模发展，人类的发展历史融合了冶金的发展历史。

冶金的技术原理是，将金属溶液中的杂质通过熔融(加热到熔点之上)进行造渣、除渣给予消除，同时对某些化学成分通过除渣、脱碳、去氧等操作得到相对纯净的合金成分。冶金技术主要包括火法冶金、湿法冶金和电冶金。

物理冶金是广义的冶金学的一个分支，由金相学演化而来。“physical metallurgy”是美、英等国使用的名称，这门学科在德国称为“metallkunde”,在中国则称为金属学。物理冶金是指通过非化学方法达到改变金属性能的冶金学科，它是通过研究金属及其合金的组成、组织结构和性能的内在联系，以及在各种条件下的变化规律，有效地使用金属材料和为发展具有特定性能的金属材料而服务的一门应用科学，主要包括退火、调幅分解、形核、长大和粒子粗化等原理。

物理冶金技术是失效分析的主要手段之一，在确定失效性质、判别失效模式及分析失效原因中发挥了重要作用。它除了主要的组织形貌观察、结构特征分析、微区成分表征以外，还包括显微硬度测定、物理性能表征、等温凝固相变过程分析等。这些技术的综合运用为失效分析的系统性、科学性、准确性提供了有力的技术支持。随着分析仪器设备的发展，一些新型的分析技术也相应得到发展。例如:俄歇电子谱仪、X射线光电子谱仪等可用于材料最表面的几个原子层的结构与成分分析；中子衍射、同步辐射等可用于厚样品内部缺陷的表征等；分析电子显微镜系统实现了对材料组织—结构—成分—性能的一体化分析，可以原位、动态、三维地对材料进行表征。这些新技术的应用将极大地推动失效分析技术的发展。

2 《物理冶金学》出版历程

由R. W. Cahn教授担任创始主编、爱思唯尔公司出版的《物理冶金学》第1版于1965年面世，到第5版2014年出版，历经50载，从单卷本到两卷本再到三卷本，教育和培养了一代又一代的材料科学工作者，为推动世界材料科学的发展作出了不可磨灭的贡献。英国皇家学会会员Alan Cottrell爵士曾评价该著作“绝对令人不忍释读,…,是一本旷世杰作。”我国著名材料科学家、两院院士师昌绪先生称赞该著作：“无论新老材料研究者都能从阅读中受益，从而得到急需的启发和创新的能力。”

20世纪60年代，Cahn教授顺应材料科学发展的时代需求，召集物理冶金领域众多的著名学者就编撰世界上第一本《物理冶金学》教科书达成共识并担任主编，由他拟定提纲并整理成书，各作者分别根据自己的专长就该学科的主要分支撰写有关章节。该书省略了物理冶金学的某些主题或限制其篇幅，以便控制其总容量，但对有些较少关注的主题却给予了足够的篇幅以进行充分的阐述，例如：物理冶金的发展历史，固溶体的点缺陷、结构和力学性能，相变理论，再结晶，高纯金属，铁磁性能，以及两相合金的力学性能。这些都是当时活跃的研究领域。该书省略了实验技术，犹其是衍射技术，这些内容可在别的教科书中容易找到。但对金相技术作了例外处理，因为当时的材料科学教科书对电子显微技术领域的创新均没有给予足够的重视。该书每章后均附有参考书目和评论，以便读者深入了解相关主题。文内相互参照和文后总索引则使各章节之间的联系更加紧密。《物理冶金学》第1版和第2版分别于1965年和1970年出版，由R. W. Cahn教授独立担任主编，P. Hassen教授等参与了部分协调工作。

《物理冶金学》第1版和第2版是1970年代的材料科学畅销书。该书脱销后，Cahn教授开始思考出版第3版新书的必要性。但物理冶金学的快速发展使他感觉单独担任主编任务过于艰巨。因新书内容更加复杂，篇幅更加庞大，故邀请Hassen教授担任共同主编。该书第1版和第2版分别为22章和23章。在第3版中，其中的8章由第2版的原作者进行全面修订，其余各章交由新作者撰写，部分章拆成了多章。此外，第3版中有7章阐述的是全新的主题。因“界面和表面溶质偏析”研究领域的重大进展和重要实际意义，用其取代“高纯金属”一章。第3版的作者至少来自7个国家，因此已成为一本真正意义上的国际化的教科书。第3版对物理冶金活跃的研究领域和基础理论研究主题(例如相变，包括凝固、缺陷和扩散)给予优先考虑，并分配了较多的版面以进行充分的阐述。同时，第3版对实验方法及其原理，尤其是电子显微技术，分配了较多版面。从内容的修改和扩充程度讲，第3版可以说是一本全新的著作。在第3版撰写和编辑过程中，主编和作者还尽最大努力对物理冶金和过程冶金的界限作了区分，以使其严格地围绕确定的主题进行阐述。第3版于1983年正式出版。

第3版面世后销售稳定。为满足材料学科发展和读者需求，出版商爱思唯尔公司敦促主编推出第4版，对相关内容进行修改和补充。1992年，Cahn教授邀请Hassen教授再度合作并拟平等分担主编工作。1993年初，他们在完成前期计划和与作者面对面讨论后，Hassen教授重病并于当年10月不幸逝世，随后的主编任务便落在Cahn教授一个人的肩上，因此第4版直到1996年初才得以出版。在第4版中，Cahn教授亲自撰写了材料科学的发展历史并将重点放在物理冶金的发展历史上。该版删除了“超导合金”一章，并增加了3个新主题：第一是“金属材料的氧化、腐蚀和防护”，第二是“金属间化合物力学行为的位错理论”，第三是“高分子物理冶金导论”——这是首次关于这类材料的专门论述。其中6章由新作者撰写，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”更名为“亚稳态合金”。只有3章的作者仍是大约32年前的原作者。第4版有作者44人，他们分别在9个不同的国家工作，因此是真正国际化的产物。

1996年第4版出版后，2007年创始主编Cahn教授的逝世延缓了第5版的问世，直到时过18年后之后的2014年新版本才得以顺利出版，并由美国David E. Laughlin教授和日本Kazuhiro Hono教授共同担任主编。1970年，第5版主编之一Laughlin正是参考《物理冶金学》第1版参加博士生入学考试的，而今由他和其合作者继往开来地完成《物理冶金学》的修订和出版工作，顺利地实现了该书主编的新老交替。第5版共有45位国际作者，分别来自世界上8个发达国家；增加了1965年至2014年间物理冶金学在几个新领域的重要进展，部分章节的内容由第4版的原作者进行了全面的修改和补充。

3 《物理冶金学》第5版特点和内容

《物理冶金学》第1版和第2版为单卷本，第3版为两卷本，第4版和第5版为三卷本。第1～5版分别有22、23、31、32和27章。第2版比第1版内容多20%，第3版又比第2版多50%，第4版的内容则接近第1版的3倍。第5版正文内容和总索引多达2 899页。

第5版主编David E. Laughlin是美国匹兹堡卡内基梅隆大学教授，TMS和ASM International会士，其主要研究方向为材料结构的电子显微镜观察、相变和磁性材料。共同主编Kazuhiro Hono是日本国立材料研究所研究员、磁性材料部主任，筑波大学教授，其主要研究方向是金属材料，特别是磁性材料微观结构与性能的关系。

《物理冶金学》第5版全面系统地涵盖了材料科学领域中的相关知识，深刻地描述和解释了物理冶金学中的大多数方法，其中轻合金物理冶金、钛合金物理冶金、原子探针场离子显微镜、计算冶金和取向成像显微镜等都是当前科技发展的最前沿，全书分为3卷。

《物理冶金学》第5版由爱思唯尔公司于2014年出版，是2017年中南大学出版社首批引进的“国际材料前沿丛书”中的重点图书。该版两位主编均是材料科学领域的权威专家，在第4版的基础上增加了多个主题，以反映过去近20年来材料科学领域的新进展。部分章节由第4版的相同作者撰写，但均进行了更新，涵盖了新的论题和方法。该书内容包括：金属元素与化合物的晶体结构，复杂金属化合物的电子理论，热力学与相图，金属玻璃，金属与合金中的扩散，金属中的缺陷，凝固，固态下的扩散相变，非扩散相变，金属与合金的微观组织，取向成像，透射电子显微术，X射线与中子散射，固-固界面的结构，成分与能量，原子探针场离子显微术，位错，金属与合金的塑性变形，金属的蠕变，金属及合金的磁学性能，轻合金的物理冶金学，钢铁的物理冶金学，镍基超合金的物理冶金学，回复和再结晶，多孔金属，金属中的氢，纳米晶金属的物理冶金学，计算冶金学。该书可作为材料科学与工程等专业高年级本科生、研究生的教材，也可供冶金、材料、物理、化学、生物医学等相关学科领域的科研人员、工程技术人员使用。

4 R. W. Cahn——材料科学的先驱者

R. W. Cahn(1924—2007)是英国皇家学会会员、中国科学院外籍院士、剑桥大学教授。Cahn教授是材料科学领域的先驱者，撰写和编撰了《物理冶金学》《材料科学与技术丛书》《走进材料科学》等多部权威著作和教科书，其中《物理冶金学》是他一生中最重要的和影响最大的著作。Cahn教授作为中国材料科学界的友人，曾于20世纪90年代到中国科学院金属研究所访问讲学，并担任《金属学报》国际顾问组组长。

4.1 R. W. Cahn的科学贡献

Cahn通过实验证明了位错的存在(线缺陷，在压力运动下能使金属发生塑性变形)，提出了位错可用来解释具有高塑性变形的金属晶体与实际纯金属晶体之间的差距。在纯金属晶体中，位错可以在小的剪切应力作用下发生移动。金属加工技术中一直使用溶质原子、第二相和其他障碍(阻碍位错的运动)来改善金属对塑性变形的抵抗力并控制金属的脆性断裂，但直到位错理论的出现，如何控制金属合金性能的问题才被科学地解释。

Cahn还提出了一个再结晶过程中新晶体的成核模型：当金属发生严重变形的时候会产生一个软化过程，从而容许它们再成形新的物体。在他的模型中，位错由以前的形变引入，并重新排列形成无位错小区域，最终生长为新的晶粒。这个模型几乎可为材料科学领域所有重要工业研究提供理论模型，以用来控制晶粒大小以及晶粒生长方向。此外，Cahn在其他方面也做出了很大贡献，他研究了铀的结晶学、机械孪生、金属间化合物等。

4.2 R. W. Cahn的出版贡献

Cahn一生发表了240余篇学术论文，但他在材料科学领域的编著工作更让人为之震撼。①创办4种材料科学期刊：JournalofNuclearMaterials，JournalofMaterialsScience，JournalofMaterialsResearch，Intermetallics；②主编3种材料科学百科全书：EncyclopediaofMaterialsScienceandEngineering，EncyclopediaofAdvancedMaterials，ConciseEncyclopediaofMaterialsCharacterisation；③主编3种材料科学系列丛书：MaterialsScienceandTechnology，AComprehensivetreatment,CambridgeSolidStateScienceSeries,PergamonMaterialsSeries。

致谢中南大学出版社胡炜、何运斌、史海燕、汪凡云对本文也有贡献，特此致谢。