คนงาน ถลุงทองคำในเมืองซีอูนาประเทศนิการากัว ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20

การหล่อคือกระบวนการเทโลหะหลอมเหลวลงในแม่พิมพ์

โลหะวิทยาเป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุที่ศึกษาพฤติกรรมทางกายภาพและเคมีของธาตุโลหะสารประกอบระหว่างโลหะ และสารผสม ของ ธาตุเหล่านั้น ซึ่งเรียกว่าโลหะผสม

โลหะวิทยาครอบคลุมทั้งวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของโลหะ รวมถึงการผลิตและการออกแบบชิ้นส่วนโลหะที่ใช้ในผลิตภัณฑ์สำหรับทั้งผู้บริโภคและผู้ผลิต โลหะวิทยาแตกต่างจากงานฝีมือด้านโลหะวิทยาตรงที่ให้พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ เช่นเดียวกับที่วิทยาศาสตร์การแพทย์สนับสนุนการปฏิบัติทางการแพทย์ ผู้เชี่ยวชาญด้านโลหะวิทยาเรียกว่า นักโลหะวิทยา

วิทยาศาสตร์โลหะวิทยายังแบ่งย่อยออกเป็นสองประเภทใหญ่ๆ คือโลหะวิทยาเคมีและโลหะวิทยาเชิงกายภาพโลหะวิทยาเคมีส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการลดและการออกซิเดชันของโลหะ และคุณสมบัติทางเคมีของโลหะ หัวข้อที่ศึกษาในโลหะวิทยาเคมี ได้แก่ การแปรรูปแร่ การสกัดโลหะอุณหพลศาสตร์เคมีไฟฟ้าและการเสื่อมสภาพทางเคมี ( การกัดกร่อน ) ^{[ 1 ]} ในทางตรงกันข้าม โลหะวิทยาเชิงกายภาพมุ่งเน้นไปที่สมบัติเชิงกลของโลหะ สมบัติทางกายภาพของโลหะ และคุณสมบัติทางกายภาพของโลหะ หัวข้อที่ศึกษาในโลหะวิทยาเชิงกายภาพ ได้แก่ผลึกศาสตร์การกำหนดลักษณะวัสดุโลหะวิทยาเชิงกลการเปลี่ยนแปลงเฟสและกลไกการแตกหัก^{[ 2 ]}

ในอดีต วิชาโลหะวิทยาเน้นไปที่การผลิตโลหะเป็นหลัก การผลิตโลหะเริ่มต้นด้วยการแปรรูปแร่เพื่อสกัดโลหะ และรวมถึงการผสมโลหะเพื่อทำโลหะผสม โลหะผสมมักเป็นส่วนผสมของธาตุโลหะสองชนิดขึ้นไป อย่างไรก็ตาม มักมีการเติมธาตุที่ไม่ใช่โลหะลงในโลหะผสมเพื่อให้ได้คุณสมบัติที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน การศึกษาเกี่ยวกับการผลิตโลหะแบ่งออกเป็นโลหะวิทยาเหล็ก (หรือที่เรียกว่าโลหะวิทยาสีดำ ) และโลหะวิทยาที่ไม่ใช่เหล็ก (หรือที่เรียกว่าโลหะวิทยาสี)

โลหะวิทยาเหล็กเกี่ยวข้องกับกระบวนการและโลหะผสมที่ใช้เหล็กเป็นพื้นฐาน ในขณะที่โลหะวิทยาที่ไม่ใช่เหล็กเกี่ยวข้องกับกระบวนการและโลหะผสมที่ใช้โลหะอื่นเป็นพื้นฐาน การผลิตโลหะเหล็กคิดเป็น 95% ของการผลิตโลหะทั่วโลก^{[ 3 ]}

นักโลหะวิทยาในยุคปัจจุบันทำงานทั้งในด้านที่กำลังพัฒนาและด้านดั้งเดิม โดยเป็นส่วนหนึ่งของทีมสหวิทยาการร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุและวิศวกรอื่นๆ บางด้านดั้งเดิม ได้แก่ การแปรรูปแร่ การผลิตโลหะ การอบชุบความร้อน การวิเคราะห์ความเสียหาย และการเชื่อมต่อโลหะ (รวมถึงการเชื่อม การบัดกรีและการเชื่อมประสาน ) ส่วนด้านที่กำลังพัฒนาสำหรับนักโลหะวิทยา ได้แก่นาโนเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด วัสดุคอม โพสิต วัสดุชีวการแพทย์ วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ (สารกึ่งตัวนำ) และวิศวกรรมพื้นผิว

โลหะวิทยามาจากภาษากรีกโบราณμεταλλουργός , metallourgós , "ผู้ทำงานด้านโลหะ", จากμέταλλον , métallon , "เหมือง, โลหะ" + ἔργον , érgon , "งาน" คำนี้เดิมเป็นคำที่นักเล่นแร่แปรธาตุใช้สำหรับการสกัดโลหะจากแร่ธาตุ โดยคำลงท้าย-urgy หมายถึงกระบวนการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลิต มีการกล่าวถึงในความหมายนี้ใน สารานุกรมบริแทนนิกาฉบับปี1797 ^{[ 4 ]}

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 นิยามของโลหะวิทยาได้ขยาย ไปสู่การศึกษาทางวิทยาศาสตร์ทั่วไปเกี่ยวกับโลหะ โลหะผสม และกระบวนการที่เกี่ยวข้อง ในภาษาอังกฤษการออกเสียง /mɛˈtælərdʒi/ เป็นที่นิยมมากกว่าในสหราชอาณาจักร ในขณะที่การออกเสียง / ˈmɛtəlɜːrdʒi / เป็นที่นิยมมากกว่าในสหรัฐอเมริกาและเป็นรูปแบบการออกเสียงที่ระบุไว้เป็นอันดับแรกในพจนานุกรมอเมริกันหลายเล่มรวมถึง Merriam - Webster CollegiateและAmerican Heritage

โลหะที่เก่าแก่ที่สุดที่มนุษย์ใช้ดูเหมือนจะเป็นทองคำ ซึ่งสามารถพบได้ในสภาพธรรมชาติทองคำธรรมชาติจำนวนเล็กน้อยที่มีอายุย้อนไปถึงยุคหินเก่า ตอนปลาย ประมาณ 40,000 ปีก่อนคริสตกาลถูกพบในถ้ำของสเปน^{[ 5 ]}เงิน ทองแดง ดีบุก และเหล็กจากอุกกาบาตก็สามารถพบได้ในสภาพธรรมชาติเช่นกัน ทำให้สามารถทำโลหะได้ในปริมาณจำกัดในวัฒนธรรมยุคแรก^{[ 6 ]}การถลุงโลหะเย็นในยุคแรก โดยใช้ทองแดงธรรมชาติที่ไม่ได้ถลุงจากแร่ ได้รับการบันทึกไว้ในแหล่งโบราณคดีในอนาโตเลียและที่แหล่งโบราณคดีเทล มักซาลิยาห์ในอิรัก ซึ่งมีอายุ ย้อนไปถึงช่วง 7,000-6,000 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

หลักฐานทางโบราณคดีที่เก่าแก่ที่สุดของการถลุงโลหะ (โลหะวิทยาความร้อน) ในยูเรเซียพบได้ในคาบสมุทร บอลข่าน และเทือกเขาคาร์พาเทียนดังที่เห็นได้จากการค้นพบวัตถุที่ทำโดยการหล่อและการถลุงโลหะซึ่งมีอายุราว6,200 ~ 5,000 ปีก่อนคริสตกาลพร้อมกับการคิดค้นโลหะวิทยาทองแดง^{[ 10 ] [ 11 ] [ 8 ] [ 9 ]}โลหะบางชนิด เช่น ดีบุก ตะกั่ว และทองแดง สามารถสกัดได้จากแร่โดยการให้ความร้อนแก่หินในไฟหรือเตาหลอมที่ มีอุณหภูมิปานกลาง ในกระบวนการที่เรียกว่าการถลุงหลักฐานแรกของการถลุงทองแดงซึ่งมีอายุย้อนไปถึงสหัสวรรษที่ 6 ก่อนคริสตกาล^{[ 12 ]}พบได้ในแหล่งโบราณคดีในMajdanpek , JarmovacและPločnik ในประเทศ เซอร์เบียในปัจจุบัน^{[ 13 ] [ 8 ]}แหล่งโบราณคดี Pločnik พบขวานทองแดงหลอมเหลวที่มีอายุตั้งแต่5,500 ปีก่อนคริสตกาลซึ่งเป็นของวัฒนธรรม Vinča ^{[ 14 ]}ภูมิภาคบอลข่านและ คาร์ พาเทียน ที่อยู่ติดกัน เป็นที่ตั้งของ วัฒนธรรม ยุคทองแดง ที่สำคัญ ได้แก่ Vinča, Varna , Karanovo , GumelnițaและHamangiaซึ่งมักถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกันภายใต้ชื่อ ' ยุโรปโบราณ ' [ ^{15 ]}ภูมิภาคคาร์พาเทียน-บอลข่านได้รับการอธิบายว่าเป็น 'แหล่งผลิตโลหะที่เก่าแก่ที่สุดในยูเรเซีย' ^{[ 9 ] [ 11 ]}ขนาดและคุณภาพทางเทคนิคของการผลิตโลหะในช่วง^{สหัสวรรษ}ที่ 6-5 ก่อนคริสตกาลนั้นเหนือกว่าศูนย์การผลิตอื่นๆ ในยุคเดียวกันอย่างสิ้นเชิง^{[ 9 ] [ 16 ] [ a ] ​​[ b ]}

การใช้ตะกั่ว (อาจเป็นตะกั่วธรรมชาติหรือตะกั่วหลอม) ที่เก่าแก่ที่สุดที่ได้รับการบันทึกไว้ในตะวันออกใกล้มีอายุย้อนไปถึงสหัสวรรษที่ 6 ก่อนคริสต์ศักราชมาจาก แหล่งตั้ง ถิ่นฐานยุคหิน ใหม่ตอนปลาย ของYarim TepeและArpachiyahในอิรัก สิ่งประดิษฐ์เหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าการถลุงตะกั่วอาจมีมาก่อนการถลุงทองแดง^{[ 17 ]}นอกจากนี้ยังพบโลหะวิทยาของตะกั่วในคาบสมุทรบอลข่านในช่วงเวลาเดียวกันด้วย^{[ 8 ]}

มีการบันทึกการถลุงทองแดงไว้ในแหล่งโบราณคดีในอนาโตเลียและที่แหล่งโบราณคดี Tal-i Iblis ทางตะวันออกเฉียงใต้ของอิหร่านตั้งแต่ ราว 5,000 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 7 ]}

การถลุงทองแดงได้รับการบันทึกไว้ครั้งแรกใน ภูมิภาค เดลตาทางตอนเหนือของอียิปต์ราว 4,000 ปีก่อนคริสตกาลซึ่งเกี่ยวข้องกับวัฒนธรรมมาอาดีถือเป็นหลักฐานที่เก่าแก่ที่สุดของการถลุงในแอฟริกา^{[ 18 ] [ c ]}

สุสานวาร์นาประเทศบัลแกเรีย เป็นสถานที่ฝังศพที่ตั้งอยู่ในเขตอุตสาหกรรมทางตะวันตกของเมืองวาร์นา ห่างจากใจกลางเมืองประมาณ 4 กิโลเมตร ซึ่งถือเป็นหนึ่งในแหล่งโบราณคดีสำคัญของโลกยุคก่อนประวัติศาสตร์ สมบัติทองคำที่เก่าแก่ที่สุดในโลก ซึ่งมีอายุตั้งแต่4,600 ปีก่อนคริสตกาล – 4,200 ปีก่อนคริสตกาลถูกค้นพบที่วาร์นา^{[ 19 ]}ชิ้นส่วนทองคำที่มีอายุตั้งแต่4,500 ปีก่อนคริสตกาลซึ่งพบในปี 2019 ในดูรันคูลาคใกล้กับวาร์นา เป็นอีกตัวอย่างที่สำคัญ^{[ 20 ] [ 21 ]} หลักฐานอื่นๆ ของโลหะยุคแรกๆ พบตั้งแต่สหัสวรรษที่ 3 ก่อนคริสตกาลในปาลเมลาประเทศโปรตุเกสโลส มิลลาเรสประเทศสเปน และสโตนเฮนจ์สหราชอาณาจักร อย่างไรก็ตาม จุดเริ่มต้นที่แน่นอนยังไม่ได้รับการยืนยันอย่างชัดเจน และการค้นพบใหม่ๆ ก็ยังคงดำเนินต่อไปอย่างต่อเนื่อง

ในราว1,900 ปีก่อนคริสตกาลมีแหล่งถลุงเหล็กโบราณอยู่ในรัฐทมิฬนาฑู^{[ 22 ] [ 23 ]}

ในตะวันออกใกล้ประมาณ3,500 ปีก่อนคริสตกาลมีการค้นพบว่าโลหะบรอนซ์ซึ่งเป็นโลหะคุณภาพสูง สามารถผลิตได้โดยการผสมทองแดงและดีบุก นี่ถือเป็นการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีครั้งสำคัญที่รู้จักกันในชื่อยุคสำริด

การสกัดเหล็กจากแร่ให้เป็นโลหะที่ใช้งานได้นั้นยากกว่าการสกัดทองแดงหรือดีบุกมาก กระบวนการนี้ดูเหมือนจะถูกคิดค้นโดยชาวฮิตไทต์เมื่อราว1,200 ปีก่อนคริสตกาล ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของยุคเหล็กความสามารถในการสกัดและแปรรูปเหล็กเป็นปัจจัยสำคัญในความสำเร็จของชาวฟิลิสเตีย^{[ 24 ] [ 25 ]}

พัฒนาการทางประวัติศาสตร์ด้านโลหะวิทยาเหล็กสามารถพบได้ในวัฒนธรรมและอารยธรรมในอดีตที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงอาณาจักรและจักรวรรดิโบราณและยุคกลางของตะวันออกกลางและตะวันออกใกล้ อิหร่านโบราณ อียิปต์โบราณ นูเบีย โบราณ และอนาโตเลียในตุรกีปัจจุบัน น็อกโบราณ คาร์เธจชาวเคลต์ชาวกรีกและโรมันในยุโรปโบราณ ยุโรปยุคกลาง จีนโบราณและยุคกลาง อินเดียโบราณและยุคกลาง ญี่ปุ่นโบราณและยุคกลาง และอื่นๆ อีกมากมาย

กระบวนการผลิตเหล็กวูตซ์ได้รับการพัฒนาและนำมาใช้ในอนุทวีปอินเดียตั้งแต่ประมาณ 300 ปีก่อนคริสตกาล—แม้ว่าแน่นอนว่าใน 200 ปีก่อนคริสตกาล เหล็กคุณภาพสูงได้ถูกผลิตขึ้นในอินเดียตอนใต้แล้ว โดยใช้เทคนิคที่ชาวยุโรปในภายหลังเรียกว่าเทคนิคการหล่อแบบเบ้าหลอม เหล็กโกลคอนดา หรือที่เรียกว่าเหล็กวูตซ์ เป็นเหล็กคาร์บอนสูงมาก มีส่วนประกอบตามธรรมชาติของคาร์ไบด์ที่ก่อตัวเป็นวาเนเดียม (~0.005%) ส่งผลให้เกิดวัสดุนาโนในโครงสร้างจุลภาค และมีคุณสมบัติเด่น เช่น ความยืดหยุ่นสูงและความแข็งทนแรงกระแทกสูง หลักฐานทางโบราณคดีและวรรณกรรมภาษาทมิฬ ชี้ให้เห็นว่ากระบวนการผลิตนี้มีอยู่แล้วในอินเดียตอนใต้ก่อนคริสตกาล โดยมี การส่งออก เหล็กวูตซ์จาก ราชวงศ์ เชราและเรียกว่าเหล็กเซริกในกรุงโรม และต่อมาเป็นที่รู้จักในชื่อเหล็กดามัสกัสในยุโรป งานวิจัยการผลิตซ้ำที่ดำเนินการโดยศาสตราจารย์ JD Verhoeven และ Al Pendray ระบุบทบาทของสิ่งเจือปนภายในแร่ในท้องถิ่นในการก่อตัวของคาร์ไบด์ และวัฏจักรความร้อนซ้ำๆ ของใบมีดในการสร้างลวดลาย และผลิตใบมีดเหล็ก Wootz ที่มีลวดลายที่เหมือนกันในระดับจุลภาคและมองเห็นได้เหมือนกับลวดลายใบมีดโบราณ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

หนังสือในศตวรรษที่ 16 โดยGeorg Agricola ชื่อ De re metallicaอธิบายถึงกระบวนการขุดแร่โลหะ การสกัดโลหะ และโลหะวิทยาที่พัฒนาและซับซ้อนมากในสมัยนั้น Agricola ได้รับการยกย่องว่าเป็น "บิดาแห่งโลหะวิทยา" ^{[ 29 ]}

โลหะวิทยาเชิงสกัดคือการนำโลหะมีค่าออกจากแร่และกลั่นโลหะดิบที่สกัดได้ให้มีความบริสุทธิ์ยิ่งขึ้น ในการเปลี่ยนออกไซด์หรือซัลไฟด์ของโลหะให้เป็นโลหะที่บริสุทธิ์ขึ้น แร่จะต้องถูกลดสภาพด้วยวิธีการทางกายภาพ ทางเคมี หรือทางไฟฟ้า นักโลหะวิทยาเชิงสกัดสนใจในสามกระแสหลัก ได้แก่ วัตถุดิบตั้งต้น แร่เข้มข้น (ออกไซด์/ซัลไฟด์ของโลหะ) และกากแร่ (ของเสีย)

หลังจากทำการขุดแล้ว แร่ชิ้นใหญ่จะถูกบดหรือโม่ให้แตกเป็นอนุภาคขนาดเล็กพอที่จะแบ่งอนุภาคแต่ละอนุภาคออกเป็นสองส่วน คือ ส่วนที่มีค่าและส่วนที่เป็นของเสีย การรวมอนุภาคที่มีค่าให้อยู่ในรูปแบบที่เอื้อต่อการแยก จะช่วยให้สามารถแยกโลหะที่ต้องการออกจากของเสียได้

การทำเหมืองอาจไม่จำเป็น หากแหล่งแร่และสภาพแวดล้อมทางกายภาพเอื้อต่อการชะล้างการชะล้างจะละลายแร่ธาตุในแหล่งแร่และทำให้ได้สารละลายที่มีความเข้มข้นสูง สารละลายนี้จะถูกรวบรวมและนำไปแปรรูปเพื่อสกัดโลหะมีค่า แหล่งแร่มักมีโลหะมีค่ามากกว่าหนึ่งชนิด

กากที่เหลือจากกระบวนการก่อนหน้าอาจถูกนำไปใช้เป็นวัตถุดิบในกระบวนการอื่นเพื่อสกัดผลิตภัณฑ์รองจากแร่เดิม นอกจากนี้ แร่เข้มข้นอาจมีโลหะมีค่ามากกว่าหนึ่งชนิด แร่เข้มข้นนั้นจะถูกนำไปแปรรูปเพื่อแยกโลหะมีค่าเหล่านั้นออกเป็นองค์ประกอบแต่ละชนิด

มีการทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการทำความเข้าใจระบบโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอน ซึ่งรวมถึงเหล็กกล้าและเหล็กหล่อ เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา (ที่ประกอบด้วยคาร์บอนเป็นธาตุผสมหลักเท่านั้น) ใช้ในงานที่ต้องการต้นทุนต่ำและมีความแข็งแรงสูง โดยที่น้ำหนักและการกัดกร่อนไม่ใช่ปัญหาหลัก เหล็กหล่อ รวมถึงเหล็กดัดก็เป็นส่วนหนึ่งของระบบเหล็ก-คาร์บอนเช่นกัน โลหะผสมเหล็ก-แมงกานีส-โครเมียม (เหล็กกล้าประเภทแฮดฟิลด์) ยังใช้ในงานที่ไม่เป็นแม่เหล็ก เช่น การเจาะแบบกำหนดทิศทาง

โลหะทางวิศวกรรมอื่นๆ ได้แก่ อะลูมิเนียม โครเมียม ทองแดง แมกนีเซียม นิกเกล ไทเทเนียม สังกะสี และซิลิคอน โลหะเหล่านี้มักใช้ในรูปโลหะผสม ยกเว้นซิลิคอนซึ่งไม่ใช่โลหะ รูปแบบอื่นๆ ได้แก่:

• เหล็กกล้าไร้สนิมโดยเฉพาะเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกเหล็กชุบสังกะสี โลหะผสมนิกเกลโลหะผสมไทเทเนียมหรือบางครั้งก็โลหะผสมทองแดงถูกนำมาใช้ในกรณีที่ต้องการความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง
• โลหะผสมอะลูมิเนียมและโลหะผสมแมกนีเซียมมักถูกนำมาใช้เมื่อต้องการชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง เช่น ในอุตสาหกรรมยานยนต์และการบินและอวกาศ
• โลหะผสมทองแดง-นิกเกิล (เช่นโมเนล ) ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนสูงและสำหรับการใช้งานที่ไม่เกี่ยวข้องกับแม่เหล็ก
• โลหะผสมพิเศษที่มีส่วนประกอบหลักเป็นนิกเกลเช่นอินโคเนลถูกนำไปใช้ในงานที่ต้องการอุณหภูมิสูง เช่นกังหันก๊าซเทอร์โบชาร์จเจอร์ถังรับแรงดันและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
• สำหรับอุณหภูมิสูงมากจะใช้โลหะผสมผลึกเดี่ยว เพื่อลด การคืบตัวในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทรานซิสเตอร์โลหะออกไซด์ซิลิคอน (MOS) และ วงจรรวม

ในวิศวกรรมการผลิตโลหะวิทยาเกี่ยวข้องกับการผลิตชิ้นส่วนโลหะเพื่อใช้ในผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคหรือผลิตภัณฑ์ทางวิศวกรรม ซึ่งรวมถึงการผลิตโลหะผสม การขึ้นรูป การอบชุบด้วยความร้อน และการปรับสภาพพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ หน้าที่ของนักโลหะวิทยาคือการสร้างสมดุลระหว่างคุณสมบัติของวัสดุ เช่น ต้นทุน น้ำหนัก ความแข็งแรง ความเหนียว ความแข็ง ความต้านทานการกัดกร่อน ความต้านทานต่อความล้า และประสิทธิภาพในสภาวะอุณหภูมิที่สูงและต่ำ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ สภาพแวดล้อมในการทำงานจะต้องได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบ

การทดสอบความแข็ง (โดยใช้มาตราส่วนเช่น Rockwell, Vickers และ Brinell) เป็นวิธีปฏิบัติทั่วไปในการกำหนดลักษณะความยืดหยุ่นและความเป็นพลาสติกของโลหะ^{[ 30 ]}ในสภาพแวดล้อมน้ำเค็ม โลหะเหล็กส่วนใหญ่และโลหะผสมที่ไม่ใช่เหล็กบางชนิดจะเกิดการกัดกร่อนอย่างรวดเร็ว โลหะที่สัมผัสกับความเย็นหรือ สภาวะ เยือกแข็งอาจเกิดการเปลี่ยนจากความเหนียวเป็นความเปราะและสูญเสียความเหนียว กลายเป็นเปราะมากขึ้นและมีแนวโน้มที่จะแตก โลหะที่อยู่ภายใต้การรับน้ำหนักแบบวงจรอย่างต่อเนื่องอาจเกิดความล้า ของโลหะ โลหะที่อยู่ภายใต้ ความเครียดคงที่ที่อุณหภูมิสูงอาจเกิดการคืบคลาน

• การหล่อ – โลหะหลอมเหลวจะถูกเทลงในแม่พิมพ์ที่มีรูปร่าง การหล่อมีหลายประเภท ได้แก่การหล่อทรายการหล่อแบบลงทุนหรือที่เรียกว่ากระบวนการหล่อขี้ผึ้งหายการหล่อแบบฉีด การหล่อแบบเหวี่ยง ทั้งแบบแนวตั้งและแนวนอน และการหล่อแบบต่อเนื่อง แต่ละรูปแบบมีข้อดีสำหรับโลหะและการใช้งานบางประเภท โดยคำนึงถึงปัจจัยต่างๆ เช่น แม่เหล็กและการกัดกร่อน^{[ 31 ]}
• การตีขึ้นรูป – การนำแท่งโลหะที่ร้อนจัดมาตีขึ้นรูปให้ได้รูปทรงที่ต้องการ
• การรีดขึ้นรูป – การนำแท่งโลหะผ่านลูกกลิ้งที่มีขนาดแคบลงเรื่อยๆ เพื่อสร้างเป็นแผ่นโลหะ
• การอัดรีด – โลหะที่ร้อนและอ่อนตัวได้ถูกบีบอัดผ่านแม่พิมพ์เพื่อขึ้นรูปก่อนที่จะเย็นตัวลง
• การกลึง – เครื่องกลึงเครื่องกัดและเครื่องเจาะ ใช้ตัดโลหะเย็นให้ได้รูปทรงตามต้องการ
• การเผาผนึก – คือการนำผงโลหะมาให้ความร้อนในสภาพแวดล้อมที่ไม่เกิดออกซิเดชัน หลังจากอัดขึ้นรูปในแม่พิมพ์แล้ว
• การผลิต – แผ่นโลหะจะถูกตัดด้วย เครื่องตัด แบบกิโยตินหรือเครื่องตัดแก๊ส จากนั้นดัดและเชื่อมต่อให้เป็นรูปทรงโครงสร้าง
• การเคลือบด้วยเลเซอร์ – ผงโลหะจะถูกเป่าผ่านลำแสงเลเซอร์ที่เคลื่อนที่ได้ (เช่น ติดตั้งบนเครื่องจักร NC 5 แกน) โลหะหลอมเหลวที่ได้จะไปสัมผัสกับพื้นผิวเพื่อสร้างเป็นแอ่งหลอมเหลว โดยการเคลื่อนหัวเลเซอร์ จะสามารถเรียงซ้อนร่องและสร้างชิ้นงานสามมิติได้
• การพิมพ์ 3 มิติ – การเผาผนึกหรือการหลอมผงโลหะอสัณฐานในพื้นที่ 3 มิติ เพื่อสร้างวัตถุใดๆ ให้มีรูปร่างตามต้องการ

กระบวนการ ขึ้นรูปเย็นซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของผลิตภัณฑ์โดยการรีด การขึ้นรูป หรือกระบวนการอื่นๆ ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ยังเย็นอยู่ สามารถเพิ่มความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ได้ด้วยกระบวนการที่เรียกว่าการชุบแข็งด้วยการทำงาน (work hardening ) การชุบแข็งด้วยการทำงานจะสร้างข้อบกพร่องขนาดเล็กในโลหะ ซึ่งจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงรูปทรงต่อไป

โลหะสามารถผ่าน กระบวนการ อบชุบความร้อนเพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของความแข็งแรง ความยืดหยุ่น ความเหนียว ความแข็ง และความต้านทานต่อการกัดกร่อน กระบวนการอบชุบความร้อนทั่วไป ได้แก่ การอบอ่อนการเสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน การชุบแข็ง และการอบคืนตัว: ^{[ 32 ]}

• กระบวนการ อบอ่อนเป็นการทำให้โลหะอ่อนตัวลงโดยการให้ความร้อนแล้วปล่อยให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆ ซึ่งจะช่วยลดความเครียดในโลหะและทำให้โครงสร้างของเนื้อโลหะมีขนาดใหญ่และขอบนุ่ม ดังนั้นเมื่อโลหะถูกกระแทกหรือได้รับแรงกด มันจะบุบหรืออาจจะงอแทนที่จะแตกหัก นอกจากนี้โลหะที่ผ่านการอบอ่อนแล้วยังขัด เจียร หรือตัดได้ง่ายกว่าด้วย
• การชุบแข็งคือกระบวนการทำให้โลหะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วหลังจากได้รับความร้อน ซึ่งจะทำให้โมเลกุลของโลหะ "แข็งตัว" ในรูปแบบมาร์เทนไซต์ที่แข็งมาก ทำให้โลหะมีความแข็งขึ้น
• การอบคืนตัวช่วยลดความเครียดในโลหะที่เกิดจากกระบวนการชุบแข็ง การอบคืนตัวทำให้โลหะมีความแข็งน้อยลง แต่ทำให้ทนต่อแรงกระแทกได้ดีขึ้นโดยไม่แตกหัก

โดยทั่วไปแล้ว การบำบัดทางกลและทางความร้อนมักถูกนำมาใช้ร่วมกันในสิ่งที่เรียกว่า การบำบัดทางความร้อนเชิงกล เพื่อให้ได้คุณสมบัติที่ดีขึ้นและกระบวนการผลิตวัสดุที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น กระบวนการเหล่านี้พบได้ทั่วไปในเหล็กกล้าผสมพิเศษที่มีปริมาณโลหะผสมสูง โลหะผสมพิเศษและโลหะผสมไทเทเนียม

การชุบด้วยไฟฟ้าเป็นเทคนิคการปรับสภาพพื้นผิวทางเคมี โดยเกี่ยวข้องกับการยึดชั้นบางๆ ของโลหะอื่น เช่น ทอง เงิน โครเมียม หรือสังกะสี เข้ากับพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ โดยการเลือกสารละลายอิเล็กโทรไลต์ของวัสดุเคลือบ ซึ่งเป็นวัสดุที่จะเคลือบชิ้นงาน (ทอง เงิน สังกะสี) จะต้องมีอิเล็กโทรดสองตัวที่ทำจากวัสดุต่างกัน ตัวหนึ่งเป็นวัสดุเดียวกับวัสดุเคลือบ และอีกตัวหนึ่งเป็นวัสดุที่รับวัสดุเคลือบ อิเล็กโทรดทั้งสองจะถูกประจุไฟฟ้า และวัสดุเคลือบจะติดกับชิ้นงาน ใช้เพื่อลดการกัดกร่อนและปรับปรุงรูปลักษณ์ของผลิตภัณฑ์ นอกจากนี้ยังใช้เพื่อทำให้โลหะราคาถูกดูเหมือนโลหะราคาแพง (ทอง เงิน) ^{[ 33 ]}

การพ่นเม็ดโลหะ (Shot peening) เป็นกระบวนการขึ้นรูปเย็นที่ใช้ในการตกแต่งชิ้นส่วนโลหะ ในกระบวนการพ่นเม็ดโลหะ เม็ดโลหะทรงกลมขนาดเล็กจะถูกพ่นไปที่พื้นผิวของชิ้นส่วนที่ต้องการตกแต่ง กระบวนการนี้ใช้เพื่อยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วน ป้องกันความเสียหายจากการกัดกร่อนจากความเค้น และป้องกันความล้า เม็ดโลหะจะทิ้งรอยบุ๋มเล็กๆ บนพื้นผิวเช่นเดียวกับค้อนตอก ซึ่งทำให้เกิดความเค้นอัดใต้รอยบุ๋ม เมื่อเม็ดโลหะกระทบกับวัสดุซ้ำแล้วซ้ำเล่า จะทำให้เกิดรอยบุ๋มซ้อนทับกันจำนวนมากทั่วทั้งชิ้นงาน ความเค้นอัดที่พื้นผิวของวัสดุจะทำให้ชิ้นส่วนแข็งแรงขึ้นและทนต่อความเสียหายจากความล้า ความเสียหายจากความเค้น ความเสียหายจากการกัดกร่อน และการแตกร้าวได้มากขึ้น^{[ 34 ]}

เทคนิคการพ่นด้วยความร้อนเป็นอีกหนึ่งทางเลือกในการตกแต่งผิวที่นิยม และมักมีคุณสมบัติที่อุณหภูมิสูงได้ดีกว่าการเคลือบด้วยไฟฟ้า การพ่นด้วยความร้อน หรือที่รู้จักกันในชื่อกระบวนการเชื่อมแบบพ่น^{[ 35 ]}เป็นกระบวนการเคลือบทางอุตสาหกรรมที่ประกอบด้วยแหล่งความร้อน (เปลวไฟหรืออื่นๆ) และวัสดุเคลือบ วัสดุเคลือบอาจอยู่ในรูปผงหรือลวด ซึ่งทั้งสองอย่างจะถูกหลอมเหลวแล้วพ่นด้วยความเร็วสูงลงบนพื้นผิวของวัสดุที่กำลังทำการบำบัด กระบวนการพ่นนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อต่างๆ มากมาย เช่น HVOF ( เชื้อเพลิงออกซิเจนความเร็วสูง ) การพ่นพลาสมา การพ่นเปลวไฟ การพ่นอาร์ค และการเคลือบโลหะ

การชุบโลหะแบบไม่ใช้ไฟฟ้า ( Electroless depositionหรือ ED) หรือการชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้าหมายถึงกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยตนเอง (autocatalytic process ) ที่ใช้ในการเคลือบโลหะและโลหะผสมลงบนพื้นผิวที่ไม่นำไฟฟ้า พื้นผิวที่ไม่นำไฟฟ้าเหล่านี้ได้แก่ พลาสติก เซรามิก แก้ว เป็นต้น ซึ่งสามารถเปลี่ยนพื้นผิวเหล่านั้นให้มีคุณสมบัติสวยงาม ป้องกันการกัดกร่อน และนำไฟฟ้าได้ ขึ้นอยู่กับวิธีการเคลือบและวัตถุประสงค์การใช้งาน การชุบโลหะแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเป็นกระบวนการทางเคมีที่สร้างชั้นเคลือบโลหะบนวัสดุต่างๆ โดยการลดไอออนโลหะในอ่างของเหลว ด้วยกระบวนการเร่ง ปฏิกิริยาด้วยตนเอง

นักโลหะวิทยาศึกษาโครงสร้างระดับจุลภาคและมหภาคของโลหะโดยใช้เทคนิคโลหะวิทยาซึ่งเป็นเทคนิคที่คิดค้นโดยเฮนรี คลิฟตัน ซอร์บี

ในงานโลหะวิทยา โลหะผสมที่สนใจจะถูกขัดให้เรียบและขัดเงาจนเป็นเงาเหมือนกระจก จากนั้นจึงทำการกัดผิวชิ้นงานเพื่อเผยให้เห็นโครงสร้างจุลภาคและโครงสร้างมหภาคของโลหะ หลังจากนั้นจึงนำชิ้นงานไปตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงหรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและความคมชัดของภาพจะให้รายละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบ คุณสมบัติทางกล และประวัติการผลิต

การศึกษาโครงสร้างผลึกซึ่งมักใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์หรืออิเล็กตรอน เป็นอีกหนึ่งเครื่องมือที่มีคุณค่าสำหรับนักโลหะวิทยาสมัยใหม่ การศึกษาโครงสร้างผลึกช่วยให้สามารถระบุวัสดุที่ไม่รู้จักและเผยให้เห็นโครงสร้างผลึกของตัวอย่าง การศึกษาโครงสร้างผลึกเชิงปริมาณสามารถใช้ในการคำนวณปริมาณของเฟสที่ปรากฏ ตลอดจนระดับความเครียดที่ตัวอย่างได้รับ

เทคนิคการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะขั้นสูงในปัจจุบันที่ใช้กันบ่อยในสาขานี้ ได้แก่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM), กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM), การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนแบบย้อนกลับ (EBSD) และโทโมกราฟีอะตอมโพรบ (APT)

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับโลหะวิทยา

Wikiversity มีแหล่งข้อมูลการเรียนรู้เกี่ยวกับหัวข้อ: วิศวกรรมโลหะวิทยา

วิกิซอร์ซมีเนื้อหาจากบทความ American Cyclopædia ในปี ค.ศ. 1879 เรื่องMetallurgy