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, 大大地推动了金属材料的快速发展。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, 已经能够制造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, 材料的性能与它们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, 其内部组织、 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, 其组织结构也随之发生变化的缘故。表1-1为几种黄铜的强度和电阻率。
表1-1 几种黄铜的强度和电阻率
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320 MPa, 但冷变形态的抗拉强度可达660 MPa; 铍青铜QBe1.7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1 300 MPa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, 见图1-1。
图1-1 材料四要素关系示意图
