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金属工学(きんぞくこうがく)、冶金学(やきんがく、英語:metallurgy)とは、材料工学の一分野であるが量的には人工物の大部分を担う分野であり、金属の物理的・化学的な性質についての評価や新しい金属の研究開発を行う学問である。本来は鉱石から有用な金属を採取・精製・加工して、種々の目的に応じた実用可能な金属材料・合金を製造する、いわゆる冶金を範囲とする学問であり、冶金学の名もこれにちなんだものである。 金属は、その化学成分
概要
金属工学・冶金学の抱える分野は、鉱石から金属を抽出する精錬とそのバックグラウンドである物理化学や電気化学、金属の性質を支配する結晶粒や組織を制御する金属組織学、金属の溶解や凝固挙動を研究・制御する鋳造工学、材料の接合を研究する溶接工学などがある。また、広義には選鉱学や金属の加工を含む。
各分野の概要を以下に示す。 精錬工学
精錬工学
金属精錬は水系溶媒の使用の有無や電気化学的に抽出するかどうかで以下のようにわけることができる。 金属材料の性質はその原子レベルの不純物から、比較的大きい結晶粒や組織が大きく支配する。金属工学のうち材料のミクロな原子格子レベルの研究を行う分野が結晶学、比較的マクロな結晶粒や組成、組織を研究する分野が材料組織学である。 一例を挙げると、純金属は軟らかいため大部分の金属は鋼・黄銅・ジュラルミンのように合金の形で使用されるが、結晶学では合金元素の侵入に伴う格子のゆがみや転位を研究するのに対し、材料組織学では顕微鏡で観察できるような組織を研究する。 特に、鋼として知られる重要なFe-C二元系合金についてはよく研究されてきた。現在では、様々な合金の平衡状態図
乾式精錬(pyrometallurgy)
金属を加熱処理などにより金属を得る精錬。水系の溶液を使わない精錬一般を指す。鉄のコークスによる還元が代表例である。
湿式精錬(hydrometallurgy)
金属を水系溶液に浸漬するなどして抽出する精錬。
電気精錬(electrometallurgy)
金属を電気化学的な方法で抽出する精錬。銅の電解精錬やアルミニウムの溶融塩電解が代表例である。
結晶学・材料組織学
破壊力学・塑性力学として多く使われている。この際、材料の信頼性を構築するために重要な事は、材料が破壊してしまわないことである。
更には、化石燃料を大気に開放するといった地球温暖化の弊害側面をリサイクルによって補える工業材料である。一定加重が負荷されている場合、短期的に見ると変形しない材料も、十年・二十年と長時間に渡る加重負荷の環境下では、次第に変形し破壊に至ることもある。
この様な金属の変形に関する現象の解明を金属工学では、ミクロ的に転位の移動による塑性変形に対象を当てて研究を行う(転位論)。 金属は金・白金などの貴金属を除き、大抵は酸化物の状態が安定である。そのため、精錬(還元)された状態で使用される金属は酸化して酸化物に戻ろうとする。このようなプロセスを腐食という。 このような腐食が起こると、その金属に備わった機能が失われてしまう。腐食に関する工学が腐食・防食工学 金属と金属をつなぐ技術である、溶接・接合やはんだなども取り扱う。また、効率の良い加工法を追求するために、凝固・鋳造・鍛造・粉体加工 鉄鋼材料は、現在でも全金属の消費量トン数割合で約95%を占めるほど重要な金属である。そのような鉄鋼材料の更なる強化、高耐食性、環境負担の少ない生産方法などを追求する研究がなされている。金属工学(冶金学)のうち、鉄鋼に関する分野を鉄鋼冶金と呼ぶことがある。 金属工学の物理的評価・応用としては導電性や磁性がある。超伝導も扱っている。例えば、送電線、電線、集積回路の接合に使われるアルミニウムや銅、銀などの電子材料に応用されている。この技術は、金属の導電性を活用している。半導体材料 また、電気接点材料として銅、軽金属としてアルミニウム、チタン、マグネシウムが実用上重要な金属であり、研究も進められている。レアメタルに関する研究も進められている。新なる金属材料として、アモルファスや金属ガラスがある。 金属の評価のために、様々な測定法や測定機具が開発されている。代表的な測定法・測定機具には、引張試験、硬さ試験
腐食防食学
材料加工学
鉄鋼材料分野
機能性金属材料の開発
金属材料の評価手法
金属工学の分野body:not(.skin-minerva) .mw-parser-output .columns-list__wrapper{margin-top:0.3em}body:not(.skin-minerva) .mw-parser-output .columns-list__wrapper>ul,body:not(.skin-minerva) .mw-parser-output .columns-list__wrapper>ol{margin-top:0}body:not(.skin-minerva) .mw-parser-output .columns-list__wrapper--small-font{font-size:90%}
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