粘接工藝
[拼音]：yejinxue
[英文]：metallurgy
冶金學主要介紹了冶金生產發展概況、冶金學的形成、冶金學的成就、提取冶金學、鋼鐵冶煉、有色金屬冶煉、冶金過程物理化學的研究、物理冶金學、冶金學的展望等方面的內容。
研究從礦石中提取金屬或金屬化合物，用各種加工方法制成具有一定效能的金屬材料的學科。人類自從進入青銅時代以來，同金屬材料及其製品的關係日益密切。在現代社會中，人們的衣食住行都離不開金屬材料，人們從事生產或其他活動所用的工具和設施也都要使用金屬材料。可以說，沒有金屬材料便沒有人類的物質文明。從歷史上看，16世紀以前的冶金業，基本上是經驗式的操作實踐，技術水平較低，生產規模不大。17世紀以來冶金生產不斷取得進展。在此基礎上，由於近代自然科學理論和實驗方法的產生和發展，逐漸形成冶金學。冶金學以研究金屬的製取、加工和改進金屬效能的各種技術為起點，發展到對金屬的成分、組織結構、效能和有關基礎理論的研究。19世紀到20世紀中葉，冶金學、冶金生產和技術發展極其迅速，成就很大。20世紀下半葉以來，電子技術特別是積體電路和電子計算機的發展，對冶金產生深刻的影響：一是電子計算機的應用使自動化技術與冶金工藝的結合越來越緊密；二是電子器件對材料效能提出了新的要求，從而促使冶金學發展成為材料科學的一個主要組成部分。
冶金生產發展概況
冶金作為一門生產技術，起源十分古老。人類從使用石器、陶器進入到使用金屬，是文明的一次飛躍。據冶金史初步研究，人類使用天然金屬（主要是天然銅）距今大約不下8000年。但天然銅資源稀少，要使用更多的銅必須從礦石中提取。據目前所知，世界上最早鍊銅的是美索不達米亞地區，時間大致在公元前38～36世紀。最早的青銅是在蘇米爾(Sumer)地區出現的，大約在公元前30世紀。在人類文明中，大量使用青銅的時代被稱為“青銅時代”。
使用鐵器是人類文明的又一重大進步。最早鍊鐵的是在黑海南岸的山區，大約在公元前14世紀。到公元前13世紀，鐵器的應用在埃及已佔一定的比重，一般認為這是人類文明進入鐵器時代的開端。顯然，在不同地區，鐵的使用和生產發展水平有很大差異。在歐洲，公元前11世紀中歐就開始用鐵，但向西歐傳播則極其緩慢。直到公元前55年，隨著羅馬人的入侵，鐵才傳入不列顛。中世紀的一千多年內，冶金技術進展十分緩慢。例如公元初期西歐已有熟鐵製品；直至14～16世紀，歐洲才發展為採用水力鼓風，加大、加高鍊鐵爐，生產出鑄鐵。15世紀的歐洲，儘管熟鐵器已經廣泛使用，但銅和青銅仍是生產得最多的金屬。
16世紀歐洲出現資本主義的萌芽。首先是英王亨利八世 (1509～1547在位）把屬於寺院的採礦和冶金企業拍賣給當時新生的資本家。冶金企業轉移到苦心經營、孜孜追求高額利潤的資本家手中；資本家之間展開競爭，推動了生產技術的發展。另一方面，機器、造船等工業的發展又為冶金業開闢了市場和提供了技術裝備。15世紀以前，英國的冶金以及其他生產技術都落後於歐洲大陸。在1640年以後的250年中，以高爐鍊鐵、鍊鋼為主的冶金生產和技術的發展及變革主要發生在英國。尤其是從1700～1890年，一系列重要的技術發明創造使英國的鍊鐵、鍊鋼工業得到蓬勃發展。這些發明創造在鍊鐵方面有：
（1）公元1709年達比 (A.Darby)用焦炭代替木炭鍊鐵成功，使冶金業擺脫了木炭資源（森林）的限制；
（2）1828年尼爾森 (J.B.Neilson)採用熱風使鍊鐵焦比降低，生產效率成倍提高。在鍊鋼方面有：
（1）1740年亨茨曼(B.Huntsman)首次採用坩堝鍊鋼法生產鑄鋼件；
（2）1856年貝塞麥(H.Bessemer)發明轉爐鍊鋼法，開創了鍊鋼的新紀元；
（3）1855年西門子(K.W.Siemens)發明了蓄熱室，1864年馬丁(P.┵.Martin)利用該原理創造平爐鍊鋼法，從而擴大了鍊鋼的原料來源；
（4）1879年托馬斯(S.G.Thomas)和吉爾克里斯特(P. C.Gilchrist)發展出鹼性轉爐鍊鋼法，成功地解決了高磷生鐵煉優質鋼的問題。在軋鋼方面有：
（1）1697年漢伯裡(J. Hanbury)用平輥軋製出熟鐵板，供生產鍍錫鐵板之用；
（2）1783年科特(H.Cort)用孔型軋製生產熟鐵棒，這種方法後來用於生產型材。這些發明創造使英國鍊鐵、鍊鋼工業在18～19世紀走在世界最前面。19世紀末英國在鋼鐵產量方面雖已被資源豐富的美國超過，但在質量方面仍居於領先地位。鍊銅情況也是一樣。銅資源並不充裕的英國，在19世紀60年代竟然成了世界上產銅最多的國家。英國冶金業之所以能從落後變為先進，主要應歸功於最早出現了適合當時生產力發展的資本主義體制。正如馬克思、恩格斯在《共產黨宣言》中所指出的：“資產階級在它不到一百年的階級統治中所創造的生產力，比過去一切時代創造的全部生產力還要多，還要大。”
中國古代冶金比歐洲先進，尤其是掌握鑄鐵技術比歐洲要早約2000年。大量中國古代鐵器的鑑定結果表明，中國在漢代生產的有些鑄鐵件中的石墨呈球絮狀，具有一定的柔韌性，與近代可鍛鑄鐵頗為相似。中國古代生產的鑄鐵和熱處理技術已能適應製造農具的要求，從漢代起鐵產量就超過了銅。正因為這樣，鐵的經營管理在漢代已經提到重要議事日程，《鹽鐵論》一書就是明證。從那時直到清末，經常是官商和私商並存。中國冶金生產技術之所以長期停滯不前，與這種封建官商管理體制有關。
就金屬種類而言，中國在春秋戰國之際（公元前7世紀）即已掌握金、銀、銅、鐵、錫、鉛、汞等七種常用金屬。歐洲則直到羅馬帝國末期 （5世紀）才全部掌握上述金屬。中國在15世紀已有金屬鋅，三百多年後，歐洲才有人取得用蒸餾法制鋅的專利。煉鋅技術傳播到資本主義正在發展的歐洲後，便立即應用於黃銅製造業，使價廉的黃銅逐步取代了一大部分價格較昂貴的青銅。
此外，中國古代有優良的鑄鐵，因而忽視鋼鐵的金屬塑性加工，始終沒有發展軋製生產。中國古代有色金屬製作業也偏重鑄造而忽略塑性加工。一個突出的例子是鑄錢，直到清朝，銅幣始終是鑄造的，而在公元前6世紀的希臘就開始用模鍛方法造幣了。
綜觀古代世界冶金業的發展，可以看出：金屬製品，特別是青銅器和鐵器，對人類社會的生產力的發展起著巨大作用。
冶金學的形成
源遠流長的冶金生產技術，直到18世紀末，才從近代自然科學中汲取營養，逐漸發育成一門近代科學──冶金學。
16世紀以前，效益顯著的冶金操作大都憑個人經驗或者依靠師徒授受。由於缺乏書本記載，加上技術保密，有些技術甚至失傳，中外歷史都提到過這種事例。從開始冶銅到16世紀，人類從事冶金活動已經有5000多年，可是能夠煉製的金屬總共只有七、八種。冶金技術的進展是何等緩慢！16世紀中葉，歐洲最早的兩本冶金著作:義大利比林古喬的《火法技藝》和德國阿格里科拉的《論冶金》先後問世。特別是後者較完整地記載了當時歐洲的冶金技術操作，起到承先啟後的作用。這兩本書被公認是歐洲冶金文獻中的先驅，影響深遠。在中國，冶金專書的出版雖然比歐洲早得多，但很可惜，宋代張潛著的《浸銅要略》早已散佚，明代傅浚著的《鐵冶志》也未能傳世。明末宋應星所著《天工開物》，初刊於1637年，這本書較詳細地記載了中國當時的冶金技術。可是，從那時到清末將近三百年間，中國封建科舉制度的桎梏使科學技術在知識界不受重視，《天工開物》這類書在當時就很少有人問津了。
在歐洲，16～18世紀是自然科學播種萌芽的時代，歐洲知識界尋求真理的思想日益活躍。17世紀初，培根(F.Bacon)(1561～1617)明確指出，認識事物要有正確的方法。數學進一步受到重視，並日益成為增進知識的重要工具，這對開拓自然科學許多領域起了重要作用。另一增進知識的重要工具是科學實驗裝置的發明和應用，複合顯微鏡就是詹森(Z.Jansen)在這個時期發明的。胡克(R.Hooke)於 1665年用顯微鏡觀察剃刀表面的鏽點和劃痕，列奧米爾(R.A.F.de Réaumur)於1713～1716年用它觀察金屬斷口。化學實驗手段的改進，也有利於發現和製取一系列新的金屬元素。
鑄鋼技術於1740年被突破後，對鋼進行深入研究的條件初步具備了。這反映在兩個方面：
（1）18世紀下半葉，伯格曼(T.Bergman)對鋼進行認真分析，作出結論：“鋼是鐵與碳互動作用的產物。”人們對鋼的實質才有較為正確的理解。碳的數量和形態是鋼進行金屬熱處理的依據，要製出好鋼，就必須在“碳”上作文章。從此，為鋼冶金指明瞭方向。
（2）氧化及其反面──還原，是冶金的化學基礎。如果對這兩者缺乏認識，建立冶金學科就無從談起。以前人們認為氧化和燃燒是“燃素”的轉移，直到1786年，“燃素”學說被拉瓦錫等人徹底推翻，人們對氧化和燃燒現象才有了正確的認識。由此可見，冶金學的序幕，在18世紀末才真正揭開。
冶金學的序幕揭開的前夕，人類能冶煉的金屬種類還很少，冶金的技術手段也很有限。18世紀中葉，冶金產品仍只有鋼鐵和銅、鉛、錫、金、銀、鉑、鋅、汞等；銻、鉍、鈷、鎳等雖已被識別，但生產甚少，應用不多。冶金手段基本上還只是氧化法（如灰吹法）和碳還原法，遠不能滿足製取新金屬的需要。19世紀末，電能登上冶金歷史舞臺，熔鹽電解法和水溶液電解法出現了，能產生高溫和控制冶煉氣氛的電爐製造出來了。從此冶金技術大步前進，發現並且生產出了一系列新的金屬和新的合金。
冶金學受到其他學科的哺育而成長，冶金學也為其他學科提供了新的金屬材料和新的研究課題。金屬元素和金屬化合物的研究促進了化學的發展，金屬物理性質（如導電性、磁性）的研究成了凝聚態物理的重要內容。
冶金學的成就
冶金學不斷地吸收自然科學，特別是物理學、化學、力學等方面的新成就，指導著冶金生產技術向廣度和深度發展。另一方面，冶金生產又以豐富的實踐經驗，充實冶金學的內容，發展成為兩大領域：即 (1)提取冶金學（extractive metallurgy）和物理冶金學(physicalmetallurgy)。
提取冶金學
從礦石提取金屬（包括金屬化合物）的生產過程稱為提取冶金學。由於這些生產過程伴有化學反應，又稱為化學冶金學(chemical metallurgy)。它研究分析火法冶煉、溼法提取或電化學沉積等各種過程及方法的原理、流程、工藝及裝置，故又稱為過程冶金學(process metallurgy)。後一名詞根據國內冶金工作者的習慣簡稱冶金學。也就是說，狹義的冶金學指的是提取冶金學，而廣義的冶金學則包括提取冶金學及物理冶金學。
提取冶金學的任務是研究各種冶煉及提取方法，提高生產效率，節約能源，改進產品質量，降低成本，擴大品種並增加產量。
鋼鐵冶煉
主要成就反映在下列諸方面。1828年英國人尼爾森依據熱工原理對高爐採用預熱空氣鼓風，雖然當時所用的預熱溫度不過350℃，可是獲得顯著降低焦比並成倍提高鍊鐵效率的良好效果。鍊鐵效率提高後，坩堝鍊鋼和炒鋼法這些舊的鍊鋼方法就很不適應了。1850年英國生鐵產量250萬噸，鋼產量卻只有6萬噸。顯然，鍊鋼能力大大落後於鍊鐵。換句話說，只有很小一部分生鐵能被煉製成鋼。1856年貝塞麥發明轉爐鍊鋼法，向轉爐中的鐵水吹空氣，使鐵水中矽、錳、碳等元素含量迅速降低，同時產生大量的熱能，使液態生鐵煉成液態的鋼。轉爐鍊鋼是冶金史上最傑出的成就之一，是創造性地將物理化學的熱力學和動力學應用於冶金生產工藝的典範。從此開始了鍊鋼的新紀元。西門子和馬丁發明的平爐鍊鋼法在1864年投產。這種方法能用廢鋼作原料。平爐採用蓄熱室使爐溫顯著提高，在冶金爐熱工方面是繼高爐採用熱風之後又一項重大突破。為了擴大鍊鋼原料來源，托馬斯和吉爾克里斯特依據磷在渣和鋼中平衡分配這一物理化學原理，採用鹼性爐襯、鹼性造渣，並根據具體情況進行多次扒渣以促進去磷，成功地解決了用高磷生鐵冶煉優質鋼的問題。上述問題在19世紀下半葉次第解決後，鍊鋼生產如同脫韁之馬，馳騁向前。1850年歐洲鋼的總產量約6.6萬噸，1900年僅低碳鋼就達2800萬噸，1955年全世界鋼產量為2.6億噸。以1850年的鋼產量為基數，五十年增長400多倍，一百年增長4000倍，這樣大的增長速度是以往不敢想象的。
20世紀下半葉以來，鋼鐵冶金又有新的發展。鍊鐵高爐採用溫度高達1200℃的熱風和 2.5大氣壓的高壓爐頂操作，使鍊鐵生產效率上升到一個新的水平，同時也促進了耐火材料和焦炭的生產。高爐體積也加大了，日產鐵達萬噸以上的高爐並不罕見。鍊鋼方面，最主要的是發展出氧氣頂吹轉爐鍊鋼（後又發展出底吹和複合吹煉）和連續鑄鋼技術。目前，氧氣轉爐已取代平爐成為最主要的鍊鋼裝置。1979年世界鋼產量達7億多噸，其中有一半以上是用氧氣轉爐生產的。其他如真空冶金、爐外精煉、噴射冶金等新技術對提高鋼的質量都起了重要作用。
此外，軋製則向高速化和連續化發展，帶鋼冷軋速度可高達每分鐘2500米。連鑄和連軋工藝的採用提高了鋼的收得率，節約了能源。就生產規模而言，1981年年產鋼超過千萬噸的鋼廠已有12個之多。
有色金屬冶煉
科學技術的發展向冶金業不斷提出生產新型材料的要求，冶金業在滿足這些要求中，推動了科學技術的發展，自身也大步前進。有色金屬冶金業就是這樣在和整個現代科學技術息息相關的情況下建立了一系列新的金屬工業。例如：20世紀50年代以前，矽、鍺的冶金不被重視，只有半導體研究興起後，才迅速發展起來，並已形成一個新的冶金行業──半導體冶金。鋁和航空技術的關係，鈾和原子能技術的關係等等，也莫不如此。
有色金屬種類繁多，物理和化學性質各不相同，它們的生產工藝在富集、分離、製取和提純等過程中技術比較複雜。而且有色金屬礦大都品位不高，往往是多種礦物共生，在採礦、選礦、資源綜合利用和環境保護方面要解決大量複雜的問題。在冶金學和生產實踐密切結合的條件下，有色金屬冶金業取得十分豐富的技術成果。其中較重要的有：
（1）重有色金屬火法冶金的發展 有色金屬硫化礦容易選成精礦，傳統的冶煉方法是火法冶金，雖然這種方法有產生大量廢氣並放出有毒氣體的缺點，但經過技術上的不斷改善，能夠大量減少廢氣，減少有害氣體的逸出，並利用硫燃燒所發生的熱量，使火法冶金成為有效地利用能量的冶煉方法，並使裝置的生產能力不斷提高。現代火法冶金具有以下的特點：利用工業氧氣以代替空氣，強化熔鍊過程；使用能力大的冶煉裝置；盡最大可能利用硫化精礦的燃料價值，使間斷操作改為連續操作；在焙燒和還原冶煉過程中，可以綜合回收各種有價金屬，如在鎳冶煉過程中，可回收鎳、鈷、銅、金、銀、鉑、鈀、銠、釕、銥、硒、碲、鐵、硫等金屬。雖然近代電冶金、溼法冶金有了很大的發展，但火法冶金仍然是處理重有色金屬硫化礦的主要方法。
（2）熔鹽電解法煉製輕金屬 熔鹽電解法是用電解還原的方法。早在19世紀初，英國人戴維(H.Davy)已用此法制得鉀、鈉、鋰等金屬。1854年法國人德維爾(S.C.Deville)用鈉還原法制鋁，生產成本很高，鋁與銀同價，因而不能推廣應用。1886年美國人霍爾(C.M.Hall)和法國人埃魯(P. L.T.Héroult)各自採用熔鹽電解法鍊鋁成功。這一成就與拜耳法處理鋁礬土製氧化鋁的方法相結合，使鋁冶金真正走上工業化生產的道路，使鋁發展成為僅次於鋼鐵的“第二金屬”，並且開闢了航空技術的新紀元。熔鹽電解法在有色金屬冶金中佔有重要地位。除鋁外，還用於鎂、鈹、鋰、鈉和鈾的生產。
（3）溼法冶金 這種冶金過程是用酸、鹼、鹽類的水溶液，以化學方法從礦石中提取所需金屬組分，然後用水溶液電解等各種方法制取金屬。現在世界上有75％的鋅和鎘是採用焙燒-浸取-水溶液電解法制成的。這種方法已大部分代替了過去的火法煉鋅。其他難於分離的金屬如鎳-鈷，鋯-鉿，鉭-鈮及稀土金屬都採用溼法冶金的技術如溶劑萃取或離子交換等新方法進行分離，取得顯著的效果。
（4）金屬熱還原法 此法是用矽、鈣、鎂、鋁、鈉等化學性質活潑的金屬還原其他金屬的化合物。如用鎂、鈣還原四氯化鈦、四氯化鋯及四氟化鈾，分別可得到鈦、鋯、鈾等。金屬熱還原法在難熔金屬冶金中佔有重要的地位。在鐵合金生產中也用得較多，如用鋁矽熱法制造鉬鐵合金等。
（5）氫還原法制取高純金屬 這種方法用來製備高純或超純金屬最為重要，因為金屬的氯化物（如四氯化矽、四氯化鍺等）可用精餾法提純，然後用氫還原法還原金屬氯化物，可製備高純金屬。這種超純材料對電子工業的高速發展，起了重要的作用。鎢、錸冶金也採用這種方法。
20世紀中葉以來，一些特種冶煉工藝相繼問世，對新材料的發展起到極大的促進作用，其中最突出的是真空冶金技術。高頻感應爐是20世紀20年代以後出現的，大約過了20年，出現了真空感應爐，隨著又出現真空自耗爐和真空電子束熔煉爐。這些裝置對冶金產品質量的提高起了重要作用。更重要的是，如果沒有這些技術裝備，化學性質活潑的金屬如鈦、鋯、鈾等是難以製備的，而熔點很高的金屬如鈮、鉬之類則只能用粉末冶金方法生產，而且這些金屬的脆性問題也難以解決。電渣重熔技術是20世紀中葉出現的。這種工藝是蘇聯從電渣焊接發展起來的，對去除雜質十分有效，已大量為製備特殊要求的合金材料所採用。
冶金過程物理化學的研究
是提取冶金學的基礎。冶金過程熱力學闡明各種冶金反應的原理，明確反應進行的方向，提供獲得反應產物最大收得率的途徑。冶金過程動力學探討伴有物質傳遞、能量傳遞及動量傳遞等現象下反應的速度及機理、明確控制反應速度的環節，從而提出提高反應強度、縮短反應時間的措施。冶金過程物理化學在發展冶金新技術、探索新流程、改進舊有冶金工藝及促進冶金工業的發展起到了重要作用。氬氧混合吹煉法精煉低碳高鉻不鏽耐酸鋼、鐵水爐外脫硫、閃速熔鍊、噴射冶金等技術，都是應用冶金過程物理化學的理論改進現有生產工藝及開創新技術的例證。冶金過程物理化學的研究從20世紀20年代中期以來十分活躍，以美國人奇普曼(J.Chipman)及德國人申克(H.Schenck)為代表，發展和運用了活度的概念，測定了相當多的高溫熱力學資料，相應地發展了一套實驗研究方法，解決冶煉過程中的一些問題。但由於冶煉工藝比較複雜，一般都是多相反應，在很多情況下，實驗成果和生產實踐還存在一定距離，而且因為裝置複雜和投資巨大等因素的影響，冶金生產工藝的變革並非易事，所以冶金過程物理化學研究的成果不象物理冶金那樣容易轉化為生產力和產生經濟效益。但是毫無疑義，冶金過程物理化學的研究對冶金新技術的發展，新流程的開發，將產生日益重要的影響。
物理冶金學
研究通過成型加工，製備有一定效能的金屬或合金材料的學科稱之為物理冶金學，或稱金屬學。金屬(包括合金)的效能(物理效能及力學效能)不僅與其化學成分有關，而且被成型加工或金屬熱處理過程產生的組織結構所決定。成型加工包括金屬鑄造、粉末冶金(制粉、壓制成型及燒結)及金屬塑性加工（壓、拔、軋、鍛）。研究金屬的塑性變形理論、塑性加工對金屬力學效能的影響以及金屬在使用過程中的力學行為，則稱之為力學冶金學（mechanical metallurgy）。顯然，力學冶金是物理冶金學的一個組成部分。
19世紀中葉，在鋼生產開始大發展的時候，為了獲得鋼的熱處理和有關使用方面的知識，1863年索比(H.C.Sorby)用顯微鏡對鋼的組織進行系統的觀察和研究，建立了金相學。金相學使冶金學向前邁開了極其重要的一步。只有金相學的出現，才有可能研究金屬的顯微組織及其在各種條件下的變化，物理冶金的研究方向──研究金屬及其合金的組成、組織結構和效能之間的內在聯絡──也就更加明確起來。為了掌握各種合金相（或組織結構）的生成條件，對相圖的需求日益迫切。1900年德國人巴基烏斯-洛茲本(H.W.Bakhius-Roozeboom)在前人工作基礎上運用吉布斯(J.W.Gibbs)相律建立鐵-碳相圖（即鐵碳平衡圖），這一重大研究成果，是物理冶金髮展史上的重要里程碑。此後，在各種相圖工作的指引下，研究發展合金尤其是合金鋼的工作開展起來了。19世紀下半葉主要研究了含鎢的高速工具鋼和高錳耐磨鋼。用途較廣的鎳鉻鋼系列則是第一次世界大戰前夕英國佈雷斯利(Breasley)等人研究成的。在1860年各國實際應用的各種合金和合金鋼的品種共約40種左右。1890年後逐漸增加，到20世紀60年代正式列入各國工業產品目錄的合金及鋼的品種已不下4000種。從冶金角度看，可以認為20世紀進入了合金時代，進入人類按使用要求創制效能合格的金屬材料的時代。
20世紀以來，金屬學取得的一系列重大成就，為推進冶金生產和技術的發展做出了貢獻。其中影響較大的是：
C曲線
美國人貝茵(E. C.Bain)等研究奧氏體在不同溫度下的恆溫轉變特徵及其產物，創造了C曲線，從而闡明瞭鋼的一般熱處理原理（見過冷奧氏體轉變圖）。
晶拉取向
研究金屬冷加工變形過程和退火後的組織結構變化，發現取向結構對矽鋼片效能有顯著影響，從而找到了生產高效能矽鋼片的方法。
金屬單晶製備
掌握單晶和雙晶等製備方法，為晶體研究和半導體電晶體生產提供了技術手段（見晶體培育）。
脫溶
法國人紀尼埃(A. Guinier)和英國人普雷斯頓(G.D.Preston)在30年代晚期各自應用X射線衍射法研究高強度鋁合金的時效硬化機理，指出鋁銅合金中的銅原子處於脫溶狀態時硬化效應最大。這項研究結果啟發人們對合金中少量元素的作用獲得新的理解。
用電子顯微鏡研究金屬
1932年發明電子顯微鏡，經過改進於1939年製成商品，後來繼續改進，其分辨能力不斷提高，已成為研究微觀結構的有力工具。近年來電子顯微鏡已能直接觀察金屬中的面缺陷、位錯和點缺陷等。應用電子計算機處理圖象，進一步提高電子顯微鏡的分辨能力，已能直接看到金屬晶體中單個原子的清晰圖象。這是20世紀科技中的傑出成就之一（見電子顯微學）。
位錯理論
是1934年由英國人泰勒（G.I.Taylor）、荷蘭人波拉尼（M.Polanyi）和匈牙利人奧羅萬(E.Oro-wan)分別提出的。1956年英國人赫希(Hirsch)用金屬薄膜在電子顯微鏡下進行觀察，證實了位錯的存在。以後一些學者又陸續驗證了理論上對金屬中位錯生成、增殖和運動規律的推測。這對闡明金屬形變、強度和斷裂機制有重要意義（見晶體缺陷）。
鋼中馬氏體相變
此研究加深了對馬氏體中碳原子固溶強化以及對馬氏體中位錯和孿晶等作用機制的瞭解，有效地指導了高強度、高韌性鋼的設計和發展。形變熱處理、應變時效熱處理，以及低碳馬氏體鋼、馬氏體時效鋼、相變塑性鋼(TRIP)和雙相鋼等都是以此為指導原則提出來的。30年代在銅合金中觀察到馬氏體相變的可逆性，後來又發現若干具有同樣效能的合金，根據這一原理研製成的形狀記憶合金，已經應用於某些新技術中。
高溫合金材料
40年代以來，噴氣發動機的發展對高溫合金提出日益嚴格的要求。1943年英國製造的第一臺噴氣發動機使用鎳基高溫合金的工作溫度為650℃，以後逐年提高。70年代達到950℃，鎳基合金的使用溫度已相當於合金熔點絕對溫度的75％以上，這是20世紀冶金技術的出色成就之一，是綜合運用金屬學理論、材料使用所積累的經驗和冶金新工藝等得到的成果。
微晶金屬和非晶態金屬
液態金屬經快速冷卻所生成的快冷微晶合金或非晶態金屬，各自具有獨特的效能。微晶金屬是液態金屬在惰性氣體中噴霧快速冷卻形成的超細粉末。由這種超細粉末壓制成型並進行燒結而成的部件，由於成分均勻，偏析小，可以提高合金化程度，其微晶結構具有較一般合金優越得多的效能。非晶態金屬則是某些合金體系從液態以大於每秒 105℃的冷卻速度冷到室溫的金屬，其強度和抗腐蝕效能都優於一般金屬。非晶態金屬的電磁效能尤為優越，作為軟磁材料有可能取代目前的取向矽鋼片。微晶金屬和非晶金屬的發現，為金屬學開闢了廣闊新園地。
金屬表面
金屬表面科學研究日益深入。通過提高鋼部件表面硬度以提高它的抗磨效能的技術，在本世紀30年代已普遍應用；隨著滲碳、滲氮等技術的採用，新的表面處理方法不斷出現。例如採用噴丸處理使金屬部件表面產生壓應力以提高其疲勞效能，採用氣相沉積以增強金屬表面抗磨效能，採用鐳射處理使金屬表面合金化或產生一層非晶態物質以改善其抗腐蝕效能等等。近年來，離子注入法已被用來改變金屬表面層的成分和結構（見晶體表面，化學熱處理）。
超塑性
金屬和合金的超塑性的發現，對塑性加工帶來很大的好處，有些難以變形的金屬可以利用它的超塑性成型。這種方法所需裝置功率小，金屬收得率高，成型後金屬效能均勻。但是對材料的組織結構要求嚴格，成型工藝比較複雜(見金屬力學效能的表徵）。
斷裂力學
繼位錯理論之後，美國人歐文（G．R．Irwin）等在 60年代初根據線彈性理論提出斷裂力學的概念，在控制材料質量和機械設計等方面起了十分重要的作用。
冶金學的展望
20世紀下半葉以來，冶金生產工藝與自動化技術的結合日益緊密。氧氣轉爐鍊鋼、連續鑄錠、軋鋼高速化和連續化等新工藝把鋼冶金的生產效率不斷推向新的高度，這在很大程度上應歸功於應用計算機進行自動控制。倘若沒有自動控制，氧氣轉爐就難以充分發揮它的快速鍊鋼能力，連續鑄鋼就難於保證質量並獲得高收得率，軋鋼就難以實現高速化和連續化，有理由認為，生產過程自動化重新整理了冶金學的內容，成為當前和今後冶金髮展的一個重要方向。
單純從提取金屬著眼，運用今天擁有的自然科學知識和技術手段，即使礦石品位再低，組成再複雜，都可以把金屬提取出來，問題在於消耗的能源是否過大，花費的成本是否合算。因此，在提取冶金方面仍然有很多研究課題。例如：擴大資源範圍──限於今天技術水平、經濟條件還不能利用的資源，由於新工藝、新裝備的出現變為可利用的資源；減少或消除生產過程對環境的汙染、發展資源的綜合利用，形成無公害工藝或無廢料工藝；充分利用氧氣等進一步強化冶煉過程，以大大節約能源等。
金屬學或物理冶金學為生產服務是要為提供合乎使用要求的冶金產品探索途徑，也要開發金屬的新用途。因此，金屬學的主要內容是研究和發展新合金、研究改善冶金產品效能的各種處理方法和技術等等。在創制新合金的過程中，人們對成分、組織結構和效能之間的內在聯絡進行了研究。如果僅僅從使用著眼，合金的效能當然是首要的；但從生產的角度出發，優先考慮的則是成分是否便於冶煉，加工是否經濟合理等等；而且合金的效能並不完全取決於成分，而在很大程度上決定於組織結構。因此，研究金屬及其合金的組織結構是金屬學最重要的一環。20世紀以來，金屬學取得了一系列的重大成就，從巨集觀到微觀包括合金成分偏析、夾雜物、顯微組織、晶體結構和晶體缺陷等各個層次有關組織結構的作用及其變化因素，都已積累大量知識，並總結出一整套規律。可以應用這些知識和規律大大減少生產和使用金屬材料的盲目性。
從60年代開始，一個明顯的動向是冶金學同陶瓷工程學、凝聚態物理學、化學等學科的有關內容匯合成為材料科學，這是因為隨著時代的前進，侷限在金屬框框裡的冶金學已不能適應近代工業發展的要求，在某些國家高等學校中的冶金系不少已改名為冶金和材料科學系，有的學院則乾脆採用“材料科學和工程”這個名稱。有理由認為，材料科學的出現是為了適應新技術發展的需要，特別是電子計算機制造業發展的需要。材料科學中與此有關的首先是半導體冶金，其物件是鍺、矽以及Ⅲ—Ⅴ族化合物。製取半導體材料需要應用先進的冶金技術和凝聚態物理實驗方法，首先是要求超純，有的需要製備無位錯單晶，有的還要摻入某種特定的新增物。在這方面，離子注入這項新技術得到了應用，為冶金開拓了新的發展前景。向超純單晶某一取向注入離子是製備薄膜半導體的一種方法，也可能成為深入研究晶格中電子行為的一種實驗途徑。近年來，為了獲得超高磁場，發展了超導材料，繼生產 Nb-Ti合金超導電纜之後， 又出現了Nb3Sn，V3Ga等臨界溫度更高、效能更好的超導合金。顯然，探索臨界溫度更高的超導材料將是材料科學工作者的長期奮鬥目標。
材料科學的一項重要內容是研製結合多種材料特點的複合材料。其中包括不同金屬之間的複合，金屬與非金屬的複合，有機塑料和金屬或非金屬的複合等等。關於複合材料的某些組織結構，冶金工作者並不生疏（見碳－石墨材料）。事實上一些共析型的合金如Co-TaC等，其碳化物呈鬍鬚狀沿凝固結晶方向穿插在金屬基體中，它就是一種複合材料。目前，用各種鬍鬚或纖維增強金屬或塑料的複合材料已在許多方面開始應用。可以預期，隨著材料科學的進展，複合材料將像一百年前的鋼一樣，越來越顯示出強大的生命力。