人类自从进入青铜时代以来，同金属材料及其制品的关系日益密切。在现代社会中，人们的生产或消费活动都离不开金属材料。没有金属材料便没有人类的物质文明。从历史上看，16世纪以前的冶金业，基本上是经验式操作，技术水平低，生产规模不大。17世纪以后，冶金生产不断取得进展。在此基础上，吸收了近代自然科学的理论和研究方法，通过思维、感悟、归纳、验证、总结等步骤，升华为理论，逐步形成冶金学。冶金学以研究金属的制取、加工和金属品质控制为起点，发展到对金属的成分、组织结构、性能的相互关系和有关基础理论的研究。19世纪到20世纪中叶，冶金学、冶金生产和技术蓬勃发展，成就很大。20世纪下半叶以来，冶金领域出现了许多革命性的新技术，如氧气吹炼、二次精炼、全连续铸钢等。随着数理科学中非线性理论的进展和电子计算机的应用，金属材料制造走向专业、协同、紧凑、连续运行；工程设计和材料设计也逐渐从经验设计走向精准设计。另外，电子器件和控制技术对材料性能提出了新要求，促进冶金学向更广泛的领域发展。21世纪，为适应保护地球环境、可持续发展的要求，提高生态效率、资源和能源的再循环利用、研制有利环境生态的新型材料等，已成为促进冶金学领域新发展的课题。

冶金作为一门生产技术，起源十分古老。人类从使用石器、陶器进入到使用金属是文明的一次飞跃。据冶金史初步研究，人类最早使用天然金属（主要是天然铜）距今大约8000年。但天然铜资源稀少，要使用更多的铜必须从矿石中提取。世界上最早的炼铜出现在美索不达米亚地区，时间在公元前38～前36世纪。最早的青铜出现在苏美尔地区，大约在前30世纪。在人类文明史中，大量使用青铜的时代被称为青铜时代。

铁器的使用使人类社会生产力进一步提高。最早使用的铁是坠落在地球上的陨铁，古埃及（前3500）墓中出土了用陨铁制造的铁珠。冶铁技术发明于原始社会末期，公元前14世纪，埃及、两河流域、爱琴海等地区都已有铁器的应用。不同地区铁的生产和应用发展水平有很大差异。在欧洲，公元前11世纪，中欧已开始用铁，但向西欧传播则晚得多，直到公元前55年，随着罗马人的入侵，铁才传入不列颠。中世纪的一千多年内，冶金技术发展十分缓慢。15世纪的欧洲，尽管熟铁器已广泛使用，但铜和青铜仍是生产最多的金属。14～16世纪，欧洲出现资本主义的萌芽。英王亨利八世（1509～1547年在位）把属于寺院的采矿和冶金企业拍卖给当时新生的资本家。冶金企业转移到苦心经营、追求高额利润的资本家手中。资本作为要素之一促进了冶金业的发展，资本家之间的竞争引发了生产技术的发展。另外，机器、造船等工业的发展又为冶金业开辟了市场，提供了技术装备。

15世纪以前，英国的冶金及其他生产技术落后于欧洲大陆。而在1640年以后的250年中，以高炉炼铁、转炉炼钢为主的冶金生产和技术的发展及变革主要发生在英国。尤其是在1700～1890年，一系列重要的技术发明创造使英国的炼铁、炼钢工业得到蓬勃发展。炼铁方面的重要成就有：①1709年A.达比^[注]用焦炭代替木炭炼铁成功，使冶金业摆脱了森林资源的限制。②1828年J.B.尼尔森^[注]采用热风使炼铁焦比降低，生产效率提高。炼钢方面的重要成就有：①1784年，H.科特^[注]成功应用氧化铁炉底的反射炉大规模炒炼熟铁，使工业化初期的铁路和高层建筑物能使用铁质结构材料。②1856年H.贝塞麦发明的底吹转炉炼钢法，大规模生产液态钢，开创了炼钢新纪元。③1855年K.W.西门子发明了蓄热技术，使炉气余热可以被回收，1864年P.-É.马丁在其基础上发明了平炉炼钢。④1879年S.G.托马斯和P.C.吉尔克里斯特^[注]试验成功碱性转炉炼钢法，解决了用碱性渣脱磷的问题。之后，碱性法迅速应用于平炉而形成碱性平炉炼钢，成为近一个世纪的主要炼钢法。轧钢方面的重要成就有：①1697年J.汉伯里^[注]用平辊轧制出熟铁板，供生产镀锡铁板之用。②1783年，H.科特用孔型轧制生产熟铁棒，这种方法后来用于生产型材。

这些发明创造使英国的炼铁、炼钢工业在18～19世纪走在世界最前面。19世纪末，英国钢铁产量虽已被资源丰富的美国超过，但在质量方面仍居于领先地位。炼铜工业也类似。英国铜资源并不充裕，但在19世纪60年代竟然成了世界上产铜最多的国家。英国冶金业从落后变化为先进，主要归功于资本主义社会初期出现了适合生产力发展的商品经济，正如马克思、恩格斯在《共产党宣言》中所指出的：“资产阶级在它不到一百年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代创造的全部生产力还要多，还要大。”

中国古代冶金技术比欧洲先进。殷商时期（前1300～前1000）中国的青铜铸造技术已经很发达；大量已经出土的青铜器，可以看出其技术的精美。古代汉语中“冶铸”是一个名词，表明冶金和铸造是密不可分的手工业。中国掌握铸铁技术比欧洲要早约两千年。春秋晚期（前500年前后）出土的铁器表明，当时已有原始熟铁锻造的铁条，也有生铁铸造的农具、烹饪器等。对古代铁器的鉴定表明，汉代生产的某些铸铁件中石墨呈球絮状，具有一定柔韧性，类似于可锻铸铁。中国古代生产的铸铁和热处理技术已能适应制造农具的要求。中国汉代产铁量已超过了铜，铁的经营管理被提到重要议事日程，《盐铁论》一书就是明证。从那时直至清末，经常是官商和私商并存。中国冶金技术长期停滞不前，与这种封建官商管理体制有关。

金属种类方面，中国在春秋战国之际就已经掌握了金、银、铜、铁、锡、铅、汞7种常用金属的生产。在欧洲，直至罗马帝国末期（5世纪）才全部掌握上述金属的生产。中国在15世纪已能够冶炼和使用金属锌，100多年以后，欧洲才有人取得蒸馏法制锌的专利。炼锌技术传播到资本主义正在发展的欧洲后，便立即应用于黄铜制造业，使价廉的黄铜逐步取代一大部分价格较昂贵的青铜。

此外，中国古代铸铁技术虽然很发达，但忽视了钢铁的金属塑性加工，特别是轧钢。中国古代有色金属制造业也偏重于铸造而忽略塑性加工。一个突出的例子是铸钱，直到清朝，铜币仍然是铸造的，而在希腊，在公元前6世纪就开始采用模锻方法造币了。

综观古代世界冶金业的发展，金属制品，特别是青铜器和铁器，对人类生产力的发展起了巨大的作用。中国古代冶金技术丰富多彩，有很多闪光之点。但是冶金业作为工程，除了要集成相关的、功能不同的技术之外，还必须有基本经济要素的有效配置。冶金学是一门工程科学，这一点是应该吸取教训的。

源远流长的冶金生产技术，直到18世纪末，才从近代自然科学中汲取营养，逐渐发展成一门近代科学——冶金学。

16世纪以前，效益显著的冶金操作都凭工匠的技艺，而且只能靠师徒授受往后代传承，因此技术失传屡见不鲜，中外历史都提到过这种事例。从开始冶铜到16世纪，人类从事冶金活动已经有5000多年，可是能够炼制的金属总共只有七八种。16世纪中叶，欧洲最早的两本冶金著作：意大利V.比林古乔的《火法技艺》和德国G.阿格里科拉的《论冶金》先后问世，特别是后者较完整地记载了当时欧洲的冶金技术操作，起到承先启后的作用。这两本书被公认是欧洲冶金文献中的先驱，影响深远。在中国，冶金专书的出版比欧洲早得多，宋代张潜著的《浸铜要略》可惜早已散佚，明代傅浚著的《铁冶志》幸能传世。明末宋应星所著《天工开物》，初刊于1637年，这本书较详细地记载了中国当时的冶金技术。可是，从那时到清末将近三百年间，由于封建科举制度等原因，技术知识和学问被视为末流，属于雕虫小技，在知识界不受重视。《天工开物》这类书在当时及以后的长时间内很少有人问津。

在欧洲，16～18世纪是自然科学播种萌芽的时代，欧洲知识界寻求真理的思想日益活跃。17世纪初，F.培根明确指出，认识事物要有正确的方法。数学进一步受到重视，日益成为认识自然的重要工具，这对开拓自然科学的许多领域起到了重要作用。同时，科学实验设备的发明和应用为增进知识和检验理论提供了有力支持。复合显微镜就是Z.詹森^[注]在这个时期发明的。R.胡克于1665年用显微镜观察剃刀表面的锈点和划痕，R.-A.F.de列奥米尔于1713～1716年用显微镜观察金属断口。化学实验手段的改进，也有利于发现和制取一系列新的金属元素。

铸钢技术于1740年被突破后，初步具备了对钢进行深入研究的条件。这反映在两个方面：①18世纪下半叶，瑞典化学家T.伯格曼^[注]对钢进行认真分析，做出“钢是铁与碳交互作用的产物”的结论，人们对钢的实质才有了较为正确的理解。碳的数量和形态是钢进行金属热处理的依据，要制出好钢就必须在“碳”上做文章。②氧化和还原是冶金的化学基础。如果对这两者缺乏认识，建立冶金科学就无从谈起。以前人们认为氧化和燃烧是“燃素”的转移，直到1786年，“燃素”学说被法国化学家A.-L.拉瓦锡等人彻底推翻，人们对氧化反应才开始有了正确认识。19世纪，随着冶金生产的蓬勃发展和热力学第二定律的阐明，化学平衡、相平衡原理被应用来解释冶金反应和控制金属中组织变化，冶金开始由技艺转变为科学。

冶金学在一些基础科学的指导下成长，冶金学也为其他学科提供了新的金属材料和新的研究课题，如金属元素和金属间化合物的研究促进了化学的发展；金属物理性质（导电性、磁性等）的研究成为凝聚态物理学的重要内容。20世纪中期以后，随着全新的冶金生产面貌和高效的生产流程的形成，冶金学理论也开始向非平衡、非线性、多层次、时空分析多尺度等复杂性思维和动态思维发展。

冶金学不断地吸收自然科学，特别是物理学、化学、力学等方面的新成就，推动着冶金生产技术向广度和深度发展。另外，冶金生产的演化又以丰富的实践经验，充实着冶金学的内容，发展成提取冶金学和物理冶金学两大领域。

研究从矿石或其他物料提取金属（包括金属化合物）的生产过程的学科。由于这些生产过程大多依靠化学反应来实现，所以又称为化学冶金学。然而冶金生产并非纯粹的化学反应变化，还包括相的变化、力学和形貌的变化、流动及传热等现象，所以称为过程冶金学更为准确。按照中国冶金工作者的习惯，狭义的冶金学指的就是过程冶金学。而广义的冶金学应该包括过程冶金学和物理冶金学。

提取冶金学的任务是研究各种冶炼及提取方法、各种方法的功能及相互关系、生产过程和能源转化的效率、生产系统和环境的关系、有效生产适合用户需要的金属材料等。冶金方法可以分为火法冶金、湿法冶金和电冶金三种形态。

在高温条件下，通过熔融的金属液和熔渣间的相互作用或通过造锍熔炼再精炼所进行的冶金过程。矿石或精矿中的矿物在高温下经过一系列物理化学变化，生成另一种化合物（如锍）或粗金属（如生铁），然后进一步精炼成所需要的金属。最重要的基础金属材料——钢和大量应用的重有色金属铜、镍、铅等的生产，主要利用火法冶金进行。钢铁冶金已达到极大的生产规模，单一工厂年产钢数百万吨甚至千万吨级的已不鲜见，一个流程的运行周期从80～100小时可缩短到20～25小时，甚至更短。高温高压鼓风、全氧吹炼、弥散的气泡-液滴系统、真空或可控气氛、高温稳定态操作等新技术对提高生产效率和金属材料质量发挥了重要作用。火法冶金的缺点是消耗很大量的能源和产生相当多的温室气体，然而高温运行的反应过程也有利于消纳部分社会废弃物（如塑料）。火法冶金的发展将面临改善生产流程内部物质和能量的再循环、降低对环境的排放，并且建立工业生态链，使一种工业的废弃物变成另一工业的可用资源的任务。火法冶金将在制造业的绿色化进程中发挥重要作用。

用酸、碱及氨、氰化物等溶液浸出矿石或精矿中的金属进入液相，再用置换、电解、沉积、萃取等分离富集方法提取所需金属的过程。湿法冶金温度不高，即使加热也只有100～200℃，然而排放出的废液很有可能污染土地和水源。湿法冶金在冶金中所占比例比较小，大约75%的锌和镉是用湿法冶金制取的，铜的氧化物矿石和低品位矿也可用湿法提取。性质相近而难以分离的金属如镍-钴、锆-铪、钽-铌及稀土金属，用湿法冶金分离成单一金属，效果明显。废金属中或其他矿石中分散存在的有价值金属（如铟、镓）的回收，湿法冶金可发挥重要作用。湿法冶金生产可看作一种化学工业，化学工程学中的单元操作概念应该充分运用。湿法冶金和火法冶金并非相互对立，如锌的湿法冶金需用焙烧工序改变矿石性能，铜的火法冶金最后工序是湿法电解精炼。

利用电能制取金属的方法。由于所利用电能效用的差别，又可分为电热冶金、电化学冶金和电磁冶金。电热冶金的典型应用是电弧炉炼钢。埃鲁（P.-L.-T.Héroult）式三相交流电弧炉于20世纪初（1907）在美国出现，并迅速成为生产合金钢和特殊钢的主要方法。因为传统电弧炉炼钢包括还原期，对还原渣的性能和还原精炼反应的研究扩充了冶金学知识。20世纪中叶以后，发达国家中积累的废钢成为矿石之外另一重要铁资源，电弧炉炼钢和连铸技术相结合，成为利用废钢大规模生产普碳钢的又一流程，即所谓的短流程。现代电弧炉炼钢主要是熔化氧化过程，传统电弧炉炼钢中还原期功能转移到钢包二次精炼中进行。电弧炉炼钢的优点是大量利用废钢，而且比高炉-转炉流程消耗能源少很多，在发达国家可达到总产钢量的30%～40%。电化学冶金是利用金属和离子电极电位的差异，形成电化学反应使金属从溶液或熔盐中析出。前者称为溶液电解，后者称为熔盐电解法。如铜生产流程最后一步经过溶液电解可达到很高的纯度（99.99%）。熔盐电解是电解还原的方法，可用于制造钾、钠、锂等金属。铝也是利用熔盐电解和铝矾土提取氧化铝的方法相结合，使铝冶金走上工业化生产道路，发展成为仅次于钢铁的“第二金属”。电磁冶金是利用正交于电流和磁场的洛伦兹力和感应产生的涡电流，影响金属熔体的流动、表面形状，以及发生热量，实现对金属加工过程进行有效控制的技术。连续铸钢的电磁制动和电磁搅拌、铝的无模电磁铸造、钛基合金的冷坩埚悬浮熔炼等都是电磁冶金成功应用的例子。

冶金工艺从古老的技艺演变成冶金学是从冶金过程热力学开始的。20世纪30年代以来，以美国J.奇普曼和德国H.申克为代表的多国学者，运用化学热力学的理论和方法研究多种冶金反应（包括熔融金属的反应、渣-金属间的反应、气相-固相间的反应等），创造了一系列的高温实验研究方法，测定了许多冶金反应的热力学平衡数据，同时发展了溶解自由能和活度的概念。其间通过许多国际会议和学术期刊的交流及专门的研究总结，使这些很难准确测定的高温反应数据逐渐精确化。这些冶金热力学数据已被整理，汇编成册或编制成热力学数据库，用于计算冶金反应的自由能，使某些元素实现有选择地优先氧化或还原，或利用某种因素（如温度、添加剂、分压）使期望的冶金过程得以进行，如不锈钢的氩氧脱碳法。冶金过程热力学成为指导提取冶金的理论基础。由于冶金反应是在高温下进行的，过程中的化学反应环节容易达到平衡，除了极少数冶金反应（如钢液脱氮反应）外，控制过程速率的是传质而不是化学反应。20世纪60年代由R.B.伯德等人总结形成的传输现象理论，对于冶金过程动力学的研究有很大促进。冶金过程中的物质传递多在流体中进行。另外，工程中的实际过程必然在某个具体装置中进行，装置的几何尺寸及其中的流动速度分布、浓度分布和温度分布等现象对冶金过程的进展情况有很大影响，因而形成了冶金反应工程学。冶金反应工程学是以研究工业装置中的运动规律和操作方式为核心，而冶金过程动力学着重于某一个冶金反应的速率及控制速率的流动、传质现象。一般对于某个不太熟悉的冶金反应，应首先研究其动力学，而已经了解其动力学规律的反应，则着重于反应工程学的研究。另外，冶金生产所用原料成分复杂，副反应多，而且制造成为材料的过程要经历多个步骤，成为多工序组成的生产流程。过去习惯上认为这种复杂的流程不可能有统一的理论。20世纪90年代起，中国殷瑞钰提出钢铁冶金生产是多因子的铁素物质流和碳素能量流在高温下的相互作用和协同运行的演化过程，应用了I.普里戈金的耗散结构的自组织原理和H.哈肯^[注]的协同学理论，开创了冶金流程工程学，使冶金学理论发展到整个生产流程的时空尺度。总体看来，冶金学理论的发展，从冶金过程物理化学到冶金反应工程学到冶金流程工程学，和其物理学基础的发展（从经典热力学到线性不可逆过程热力学到非线性不可逆过程热力学）是一致的。

研究成形加工、制备有一定性能的金属或合金材料的学科，又称金属学。金属（包括合金）的性能（物理性能及力学性能）不仅与其化学成分有关，而且被成形加工或金属热处理过程产生的组织结构所决定。成形加工包括金属铸造、粉末冶金及金属塑性加工（轧、锻、挤、拔）。研究金属的塑性变形理论、塑性加工对金属力学性能的影响及金属在使用过程中的力学行为，则称为力学冶金。显然，力学冶金是物理冶金学的一个组成部分。

　　19世纪中叶，在钢生产开始大发展的时候，为了获得钢的热处理和有关使用方面的知识，1863年H.C.索比用显微镜对钢的组织进行系统的观察研究，创造了金相学。金相学使冶金学向前迈开了极其重要的一步。只有金相学的出现，才有可能研究金属的显微组织及其各种条件下的变化，物理冶金的研究——研究金属及其合金的成分、组织结构和性能之间的内在联系也就更加明确起来。为了掌握各种合金相（或组织结构）的生成条件，对相图的需求日益迫切。1900年，德国H.W.巴基乌斯-洛兹本^[注]在前人的工作基础上运用吉布斯相律建立了铁碳相图（即铁碳平衡图），这一重大研究成果是物理冶金发展史上的重要里程碑。此后，在各种相图工作的指引下，研究发展合金尤其是合金钢的工作开展起来。19世纪下半叶主要研究了含钨的高速工具钢和高锰耐磨钢。用途较广的镍铬钢系列则是第一次世界大战前夕英国的H.布里尔利^[注]等人研究成的。在1860年各国实际应用的各种合金和合金钢的品种共约40种，1890年后逐渐增加，到20世纪60年代正式列入各国工业产品目录的合金及钢的品种已不下4000种。从冶金角度看，可以认为20世纪进入了合金时代，进入人类按使用要求创制性能适用的金属材料时代。

20世纪以来，物理冶金学取得的一系列重大成就，为推进冶金生产和技术的发展作出了重要贡献。其中影响较大的是：

①C曲线。美国E.C.贝茵^[注]等研究奥氏体在不同温度下的恒温转变特征及其产物，创造了C曲线，从而阐明了钢的一般热处理原理。

②晶粒取向。研究金属冷加工变形过程和退火后的组织结构变化，发现取向结构对硅钢片性能有显著影响，从而找到了生产高性能硅钢片的方法。

③金属单晶制备。掌握单晶和双晶等制备方法，为晶体研究和半导体晶体管生产提供了技术手段。

④脱溶。法国A.吉尼尔^[注]和英国G.D.普雷斯顿^[注]在20世纪30年代晚期各自应用X射线衍射研究高强度铝合金的时效硬化机理，指出铝铜合金中的铜原子处于脱溶状态时硬化效应最大。这项研究结果启发人们对合金中少量元素的作用获得新的理解。

⑤用电子显微镜研究金属。1932年发明电子显微镜，经过改进，于1939年制成商品，后来继续改进，其分辨能力不断提高，已成为研究微观结构的有力工具，可直接观察金属中的面缺陷、位错和点缺陷等。应用电子计算机处理图像，进一步提高电子显微镜的分辨能力，已能直接看到金属晶体中单个原子的清晰图像。这是20世纪科技中的杰出成就之一。

⑥位错理论。1934年由英国物理学家G.I.泰勒^[注]、荷兰M.波拉尼^[注]和匈牙利E.奥罗万^[注]分别提出。1956年英国P.B.赫希^[注]在电子显微镜下观察金属薄膜，证实了位错的存在。以后一些学者又陆续验证了对金属中位错生成、增殖和运动规律的理论推测。这对阐明金属形变、强度和断裂机制有重要意义。

⑦钢中马氏体相变。此研究加深了对马氏体中碳原子固溶强化以及对马氏体中位错和孪晶等作用机制的了解，有效地指导了高强度、高韧性钢的设计和发展。形变热处理、应变时效热处理，以及低碳马氏体钢、马氏体时效钢、相变塑性钢（TRIP）和双相钢等都是以此为指导原则提出来的。20世纪30年代在铜合金中观察到马氏体相变的可逆性，后来又发现若干具有同样性能的合金，根据这一原理研制成的形状记忆合金，已经应用于很多技术中。

⑧高温合金材料。20世纪40年代以来，喷气发动机的发展对高温合金提出日益严格的要求。1943年英国制造的第一台喷气发动机使用镍基高温合金的工作温度为650℃，以后逐年提高，70年代达到950℃。镍基合金的使用温度已相当于合金熔点的热力学温度的75%以上，这是20世纪冶金技术的出色成就之一，是综合运用金属学理论、材料使用所积累的经验和冶金新工艺等得到的成果。

⑨微晶金属和非晶态金属。液态金属凝固时经快速冷却所生成的微晶合金或非晶态金属，各自具有独特的性能。微晶金属是液态金属在惰性气体中喷雾快速冷却形成的超细粉末。由这种超细粉末压制成形并进行烧结而成的部件，由于成分均匀，偏析极小，可以提高合金化程度，其微晶结构具有较一般合金优越得多的性能。非晶态金属则是某些合金体系在液体状态下以大于每秒105℃的冷却速度冷到室温的金属，其强度和抗腐蚀性能都优于一般金属。非晶态金属的电磁性能尤为优越。非晶态金属经热处理可析出微晶，成为残余非晶体和微晶粒组成的集合体。微晶金属和非晶金属的发现，为金属学开辟了广阔新园地。

⑩纳米材料。20世纪90年代后期，许多国家都致力于研究发展超细晶粒、高洁净度、高均质性（无宏观偏析）的钢铁材料，期望材料强度和使用寿命提高一倍。利用形变诱导铁素体相变（DIFT）技术制成的超细晶普碳钢材的屈服强度σ_s达到400兆帕以上，而且低温韧性也显著改善。如果材料的微观组织进一步减小到纳米尺度，性能将发生巨变。纳米晶结构不锈钢（200纳米）的抗蚀性和耐辐照性可提高数倍，纳米级低合金钢的强度可达8～10吉帕。纳米陶瓷和碳纤维材料也都具有特殊优异的性能，并可与金属结合成为复合材料。纳米接近原子尺度，对其组织结构的观察需要有特别的实验技术。由于纳米材料奇异的性能和独特的价值，已成为开发研究的热点。

⑪金属表面的研究和加工处理。金属表面科学研究日益深入。通过提高钢部件表面硬度以提高它的抗磨性能的技术，在20世纪30年代已普遍应用。随着渗碳、渗氮等技术的采用，新的表面处理方法不断出现，如采用喷丸处理使金属部件表面产生压应力以提高其疲劳性能，采用气相沉积以增强金属表面抗磨性能，采用激光处理使金属表面合金化或产生一层非晶态物质以改善其抗腐蚀性能。离子注入法被用来改变金属表面层的成分和结构。在轧钢过程中，利用热镀金属、表面涂层等方法以获得抗腐蚀、免润滑等附加性能的板材，成为改善金属表面功能的大规模生产方法。

⑫超塑性。金属和合金的超塑性的发现，对塑性加工带来很大的好处，有些难以变形的金属可以利用它的超塑性成形。这种方法所需设备功率小，金属收得率高，成形后金属性能均匀。但是对材料的组织结构要求严格，成形工艺比较复杂。

⑬金属热处理和加工制造过程协同进行。传统方法是把热处理作为加工过程的一个单独程序（如退火），或在金属材料制成后再另外进行。考虑到钢坯的再加热和轧制过程及轧后冷却的温度变化，可以使热处理功能在轧制过程中部分实现，例如控制轧制和控制冷却（控轧控冷），就是有目标的控制轧制过程中的γ→α相变和轧后的冷却速率，以提高钢材性能。由于高温连铸坯直接轧制工艺流程的成功，不仅显著节约能耗，而且钢坯温度在轧制前可以一直高于A₃线（由奥氏体冷却时析出铁素体的开始线），即一直处于奥氏体区，γ→α相变在终轧制后才发生，这就能够使晶粒进一步细化，生成细晶粒钢。可以肯定的是多因子物质流的顺畅运行，不仅降低了能量的耗散，而且有助于提高某些物理冶金过程的效率。

⑭断裂力学。继位错理论之后，美国G.R.欧文^[注]等在20世纪60年代初根据线弹性理论提出断裂力学的概念，在控制材料质量和机械设计等方面起了十分重要的作用。

20世纪中叶以来，一系列钢铁冶金的新工艺，如顶底复合吹炼转炉炼钢、超高功率电弧炉炼钢、全连续铸钢、高速连续轧钢，以及近终形连铸连轧等研发成功并成熟运用，使钢铁冶金生产成为开放的、远离平衡的、非线性相互作用的、具有多种涨落现象的动态有序而且以连续/准连续状态运行的过程工程系统。这种过程工程系统形成了稳定的、可以处理利用的信息流，可以利用信息技术、数字化技术进行数值模拟、自动控制和智能化集成，使钢铁冶金的生产效率不断推向新的高度。然而，生产的极大发展对环境的影响和对资源、能源的需求也达到极为巨大的程度。环境的容量不是无限的，减轻环境负担、提高生态效率将是钢铁冶金进一步发展的关键。

单从提取金属着眼，运用现有的自然科学知识和技术手段，即使矿石的品位再低、组成再复杂，都有可能把金属提取出来。问题在于，消耗的能源是否过大，对环境的排放量和污染量是否太高，经济是否合理。因此，在提取冶金方面仍然有很多研究课题，如扩大资源范围，特别是回收已经报废物资中的和现有生产流程中的有价金属，发展资源的综合利用，以及改进冶金反应器的设计和操作，提高其能源和资源效率，是值得重视的。

物理冶金学要为生产提供合乎使用要求的金属产品探索途径，也要开发金属的新用途。因此，研究和开发新合金、研究改善冶金产品性能的各种处理方法和技术等是其主要任务。在创造新合金的过程中，人们对成分、组织结构和性能的内在联系有了较深入的了解，借助于计算机的应用，新合金的设计已从经验性走向精准化。20世纪以来，对于金属材料性能和结构的众多影响因素，如成分偏析、非金属夹杂物、晶体缺陷等各个层次及其变化等，积累了大量知识，并总结出一整套规律，可以利用这些知识和规律减少生产和使用金属材料的盲目性。

从20世纪60年代开始，一个明显的动向是冶金学同陶瓷工程学、凝聚态物理学、化学等学科的有关内容结合成为材料科学。材料科学的出现是为了适应新技术发展的需要，如电子计算机所需的半导体，需要应用先进的冶金技术和凝聚态物理实验方法，首先是要求超纯，有的需要制备无位错单晶，有的还要掺入某种特定的添加物，有的要用离子注入掺加特定的元素。为了获得超高磁场而研制的超导材料，提高材料的临界温度需要长期不断的研究。还有航天工业中发动机所需的高温合金、具有特殊物理和生化性能的金属功能材料、生物医用材料等也是材料科学中进展较快的方面。材料科学的广阔前景使很多大学的冶金系改为材料科学和工程系，材料科学成为一门学科。另外，冶金学特别是提取冶金要和工业生态学相结合，以适应循环经济和可持续发展的需要。对于冶金工业而言，冶金学仍然是主要的理论基础，冶金学仍将按照自己的规律发展和演化。