隨著人類文明的進步, 到18世紀蒸氣機的發(fā)明, 19世紀電動機的出現(xiàn), 大大地推動了金屬材料的快速發(fā)展。到20世紀, 金屬材料已成為結構材料的主體, 同時各種金屬功能材料也不斷涌現(xiàn)。這一百多年來, 人們對金屬材料的生產(chǎn)和研究取得了巨大的成就, 已經(jīng)能夠制造出適應各工業(yè)部門發(fā)展所需要的各種各樣性能的結構材料和功能材料, 積累了大量的經(jīng)驗資料, 建立和發(fā)展了金屬材料的許多基本理論。人們通過實踐和總結發(fā)現(xiàn), 材料的性能與它們的化學成分和生產(chǎn)工藝條件有關, 因為不同成分和不同生產(chǎn)工藝制造出的金屬材料, 其內(nèi)部組織、 結構是不同的, 所以其性能就會不同。例如人們很熟悉的黃銅是銅和鋅的合金, 當鋅含量增加時, 黃銅的強度增加, 電阻率也增加, 這就是由于合金成分的變化, 其組織結構也隨之發(fā)生變化的緣故。表1-1為幾種黃銅的強度和電阻率。

表1-1 幾種黃銅的強度和電阻率

對于同一成分的合金, 如果熱處理工藝或加工狀態(tài)不同, 其性能也差別很大。又以銅合金為例, 68黃銅在退火狀態(tài)的抗拉強度約為320 MPa, 但冷變形態(tài)的抗拉強度可達660 MPa; 鈹青銅QBe1.7在退火狀態(tài)下的抗拉強度僅400 MPa左右, 而經(jīng)淬火時效以后抗拉強度可達1 300 MPa以上, 這都是由于加工熱處理狀態(tài)不同, 其內(nèi)部組織結構產(chǎn)生了重要變化的結果。

以上簡單的例子說明了材料的性能和它的化學成分、 加工工藝、 組織結構之間存在十分密切的關系。人們對生產(chǎn)實踐和科學實驗中所積累的大量資料, 經(jīng)過分析、 總結和系統(tǒng)化, 并進一步驗證提高, 逐步建立了一門獨立的學科——金屬學(或稱物理冶金學), 它就是研究金屬材料的化學成分、 加工制備工藝、 內(nèi)部組織結構、 材料性能以及它們之間關系的科學。人們常常把材料的成分(Composition)、 加工制備工藝(Processing)、 組織結構(Structure)、 性能(Properties)稱之為材料的四個基本要素, 并把這四個要素組成一個四面體, 以表示它們之間的相互關系, 見圖1-1。

圖1-1 材料四要素關系示意圖