礦冶和金屬材料
中國科學院在礦冶和金屬材料領域的研究工作，應追溯至中華人民共和國成立以前設在上海的中央研究院的工程研究所，和一九四九年成立的東北科學研究所及其大連分所。中國科學院成立後，將接收的中央研究院工程研究所，更名為工學實驗館，以後又改名為冶金陶瓷研究所。一九五一年，中國科學院郭沫若院長聘請正在英國的李薰回歸祖國，在沈陽創建了金屬研究所，將長春東北科學研究所礦冶研究室和大連分所窯業研究室並入。一九五三年中國科學院支持葉渚沛的學術觀點，在北京等建立化工冶金研究所。至一九五六年，以金屬所的選礦研究室以及冶金陶瓷所的壓力加工部分作為基礎，又在長沙組建礦冶研究所。隨後將冶陶所昆明工作站擴建為貴金屬研究所。
十年動亂期間，上述五個研究所都改變了隸屬關係，或劃入國防科學部門，或改屬冶金工業部，或下放地方領導。一九七一年金屬研究所有關鈾冶金的兩個研究室調往核工業部。一九七八年以後，金屬研究所和化工冶金研究所，又回歸中國科學院。
綜觀中國科學院三十年來礦冶和金屬材料的科學研究成就，主要的有下列幾個方麵。
綜合利用富產資源
為了籌建國家新鋼鐵基地，中國科學院組織金屬研究所研究大冶、包頭兩地鐵礦的選礦試驗，冶金陶瓷研究所研究包頭和攀枝花礦的煉鐵和綜合利用問題。
金屬所通過對含有銅的大冶鐵礦的研究，提出了最優選礦方法、流程及技術條件。原生帶選礦，鐵的回收率95%，銅的回收率90%，精礦中鐵的品位，可提高到60%以上；氧化帶選礦，銅精礦含銅大於5%，鐵精礦鐵的回收率98%，為武漢鋼鐵公司選礦廠的建設提供了設計依據。
白雲鄂博複雜共生礦含有稀土，其貯量為世界之冠，還含有其他有用礦物，如铌、螢石等，但作為鐵礦則含鐵量較低。金屬所王純善等研究提出的選礦方法、流程及技術條件，對含氟鐵精礦，鐵的回收率平均在80%以上，以此作為包頭鋼鐵公司選礦廠初步設計的依據。以後礦冶所繼續對該礦的綜合回收進行了研究，其中焙燒磁選—浮選流程，對中、貧氧化帶礦石進行了半工業性試驗，獲得品位60—65%、回收率85—90%的鐵精礦。礦尾用重選或浮選可得到含稀土氧化物30—40%、收得率30—40%的稀土精礦，铌則富集在鐵精礦中。此研究成果已被生產廠采用。含氟鐵礦石的高爐煉鐵在世界上沒有先例。一九五三至一九五八年，上海冶金陶瓷所周仁、鄒元等對這種鐵礦的冶煉及其成渣過程、爐渣性質和它在高爐冶煉過程中的行為進行了係統研究，並探討了爐襯的侵蝕和煤氣的處理問題，對包頭鋼鐵公司的建設有重要意義。
在研究白雲鄂博複雜礦冶煉問題的過程中，鄒元等發明了用矽鐵還原法從高爐渣中回收稀土，製備得的矽鐵稀土合金作為母合金獲得了廣泛應用。這種合金是中國科學家發明的第一種稀土合金，被冶金界譽為“一號合金”。目前已在包頭生產，其產品遠銷國外，為中國爭得了榮譽。用這個方法回收稀土，為中國稀土工業開辟了一條頗具特色的技術途徑。以後化工冶金所的工作表明，高爐熔渣通過緩冷結晶，可以進一步富集稀土。
葉渚沛一貫主張充分注意稀土元素的綜合利用和資源保護。一九六二年他建議在合理的綜合利用流程確定之前，包頭鋼鐵公司的建設應予調整以保護資源。經過二十多年的實踐，充分回收稀土和稀有金屬資源的必要性和重要性已日益引起重視。
在稀土鋁合金的研製及其應用上，應用化學研究所唐定驤等提出了在690—750攝氏度下電解混合輕稀土、混合重稀土、富鑭稀土、富釔稀土、金屬鑭、鈰、釹、釔等與鋁的中間合金的新工藝，解決了以往添加稀土金屬時容易發生的燒損和偏析問題，擴大了稀土在鋁製品中的應用。又發明了在鋁電解槽中添加稀土化合物生產稀土—鋁合金的新工藝。其特點是：原料便宜，工藝簡便，產品加工性能好，迄今已有18個鋁廠采用此工藝。
稀土在鋼中的應用方麵，五十年代末期，遇到了稀土加入鋼中，生成大量聚集的夾雜物，使鋼的性能不穩定的問題。金屬所製作了稀土化合物的X射線衍射卡片，配製了稀土夾雜物在鐵中的標準樣品，逐步建立了鋼中稀土夾雜物的鑒定方法。一九七七年出版了《鋼中稀土夾雜物彩色圖譜》。他們還解剖、研究了大型鋼錠，弄清了稀土夾雜物在鋼錠中的分布規律，並進而證實了稀土處理鋼鋼板性能不均，並非是鋼中稀土夾雜物分布不均所引起的，澄清了分歧的看法。
金屬所陳繼誌等與兄弟單位協作，研究成功鋼包壓入法代替投入法加入稀土，脫硫率由平均25%提高到52%，稀土回收率由不到10%提高到22%，鋼中的夾雜物細小分散，基本上避免了水口結瘤，使稀土處理鋼年產量從不足2000噸逐步回升到4—5萬噸，確定了水口結瘤的主要原因是稀土硫氧化物在水口的聚集。
采用16MnRE鋼代替進口高合金鋼研製大型煤氣貯存球罐成功，僅第一期工程就可少進口鋼材料近千萬美元。金屬所采用稀土處理，使深衝用筒體鋼橫向衝擊值由不足60增加到超過100兆巴·米，還研製了稀土鐵鉻鋁電工合金絲和稀土石油套管用鋼。
金屬所進一步從理論上研究稀土—過渡金屬化合物的組分、結構、相變、磁疇結構與磁性能的關係，證明RCo在800—500攝氏度加熱，其矯頑力驟降的原因是由於發生RCo相首先析出的局部Spinodal分解引起的。
攀枝花鐵礦是含釩鈦的複雜共生磁鐵礦。礦冶研究所自一九五八年開始，進行了多方案多流程的選礦試驗，推薦了簡單可靠和技術經濟合理的單一磁選原則流程。經工業試驗，獲得鐵精礦品位為52±l%，並用此流程建成年處理量1350萬噸的選礦廠。
五十年代前期，冶金陶瓷所鄒元、徐元森等研究了該礦的高爐冶煉，由於當時選礦未能有效地把鈦與鐵分離，致使高爐冶煉時爐渣變稠，造成冶煉上的極大困難。該所係統研究了該礦還原速率，高鈦渣的物理化學性能和礦物組成，鐵液中鈦與碳的溶解度和在渣鐵間的反應等，闡明了爐渣變稠、爐缸堵塞、高爐冶煉難以運行的機理，並發明了爐缸噴吹技術，借助爐缸安裝的吹煉風口，鼓入一定量空氣，既可阻止爐渣還原變稠堵塞爐缸，又不致造成氧化損失，達到爐內活躍，渣鐵暢流。這些結果為攀枝花鋼鐵公司高爐的設計和冶煉方案的選擇提供了依據，並經受了大型高爐長期生產實踐的考驗。
化工冶金所葉渚沛等從一九五八年開始了攀枝花礦高爐冶煉的研究，從另一技術路線提出了全麵解決冶煉困難的進一步的辦法——二氧化鈦含量25—30%高鈦渣低溫酸性冶煉方案。采用高壓爐頂、高風溫、高蒸汽鼓風、渣口噴吹活性石灰和空氣等綜合技術措施，在17.5立方米高爐上冶煉試驗累計運行87天，在高爐順行、渣鐵暢流和每噸生鐵硫負荷13.5公斤條件下，39爐生鐵含硫連續穩定合格，平均含硫為0.062%。以後又進行了使用高硫焦，以脫硫為主要內容的冶煉試驗。在首都鋼鐵公司516立方米高爐上進行的擴大試驗，進一步證實在中型高爐上高鈦渣冶煉的可行性，為攀枝花鋼鐵公司的高爐設計提供了進一步的依據。
化工冶金所郭慕孫等針對釩鈦磁鐵礦還開展了流態化直接還原研究和加炭球團外熱直接還原的研究，以及鈉鹽處理攀枝花含釩鐵水的研究。
為了綜合利用高磷鐵礦石，化工冶金所進行了高爐煉磷研究。在中間試驗成功的基礎上，經國家批準正在籌建工業性高爐煉磷試驗裝置。氧氣頂吹轉爐冶煉含磷2—4%的高磷生鐵的中間試驗，用雙渣操作吹煉，不僅可以得到優質鋼，還可獲得含五氧化二磷達25—30%的優質鋼渣化肥。
東川湯丹氧化銅礦，含銅約0.67%，銅的貯量在百萬噸以上，但礦石可選性極差，選礦回收率隻有60%。化工冶金所陳家鏞等對它開展了加壓氨浸濕法冶金的研究。一九五八年銅的浸取率達94%，浸取後礦漿的沉降性質良好，分離後的浸取液可以循環再用。貴金屬研究所與有關單位合作進行了金川礦區鉑族金屬的研究，一九六五年建立了以硫化鎳電解陽極泥為原料，采用熱濾脫硫—二次電解—水溶液氯化—分離提純的生產鉑族金屬的工藝流程，並投入生產。
鋼鐵冶煉
一九五一年冶金陶瓷研究所在周仁的領導下，開展了球墨鑄鐵的研製，如鎂的加入方法（包括鎂屑結法）、低合金球墨鑄鐵、熱處理對球墨鑄鐵耐熱耐磨性能與組織的影響等，並推廣應用於汽車曲軸和活塞環的生產。
一九五二年，正在籌建中的金屬研究所抽調了大批科技人員組成工作組，前往鞍山鋼鐵公司、撫順鋼廠等企業，和工廠技術人員共同研究生產中各種技術問題，如鐵礦燒結還原，高爐冶煉，鋼錠模設計、鑄造，平爐物料平衡，高爐磚、平爐磚、車軸鋼、硬質合金等的質量問題，提高鋼坯鋼材表麵質量，以及解決重軌內裂、中板夾層、沸騰鋼偏析、薄板粘結、滾珠鋼一般空隙、滾珠鋼淬火軟點等問題；此外，還研究平爐冶煉過程的錳製度、鋼三中板軋製、鋒鋼鍛造比、重軌脫氧製度等等，都取得了較好的結果，為提高鋼鐵質量和產量作出了貢獻。這是中國在煉鋼工業中係統開展科學試驗的開始，為以後全國鋼鐵科研工作打下良好的基礎。
在李薰指導下，金屬研究所在國內首先建立了鋼中氣體和非金屬夾雜物的分析鑒定技術，包括真空加熱法測定鋼中的氫、化學法測定鋼中的氧和氮，真空熔化法測定鋼中氣體、鋼中非金屬夾雜物的電解分離與化學分析、夾雜物的金相、岩相鑒定和X射線分析等，為全國許多工廠、學校、科研機構培養了大批分析鑒定技術人員和協助建立鋼中氣體分析儀器。為廣泛開展鋼的質量改進工作創造了必要的條件。
李薰等研究了平爐和電爐冶煉過程中氫的來源、變化和減少鋼液含氫量的可能措施，指出造渣用石灰含水量對電爐含氫量有直接影響，注意到爐氣中帶入水氣量與平爐熔池含氫量有重要關係。研究了氫在退火和未退火鋼錠中的分布規律，證實了鋼錠中氫偏析的存在，發現了鋼錠的結晶構造對氫的擴散有影響。他們提出的減少鋼液含氫應采取的措施，得到鋼廠廣泛采用。
葉渚沛早在五十年代初，就多次建議高爐采用高壓爐頂、高風溫和風口噴吹（蒸汽和富氧）等技術，並指出這能使產量提高一倍。一九五六年他以俄文發表了《高爐煉鐵的新觀念》一文，一九五九年又以《論強化高爐冶煉過程的基本問題》為題在國內發表，首次以化學流體力學的觀點，係統和深入地分析了高爐煉鐵過程，並從動量傳遞、傳熱、傳質三方麵詳細計算了高壓、高風溫和蒸汽鼓風的效應。同時又建議中國盡快推廣國外剛剛興起的氧氣頂吹轉爐煉鋼新技術。這些建議曾經遭到某些人的非議。中國科學院支持了他的學術觀點，建立了化工冶金研究所和相應的中間實驗車間，實驗結果和世界鋼鐵生產技術的發展都證明了他的學術觀點和所倡導的技術路線是正確的。該所和石景山鋼鐵公司合作建立了17.5立方米實驗高爐，曾取得爐頂壓力2.04兆巴，風溫1200攝氏度和利用係數達6.4噸／立方米的國際先進指標，作為實驗的理論基礎。葉渚沛撰寫了專著《論強化高爐冶煉過程的基本問題》。
為了提高風溫，節約能耗以降低高爐煉鐵焦比，該所又和有關單位合作研究新型頂燃式熱風爐，其熱工方麵的理論計算成果已在新建高爐的熱風爐上應用。頂燃式熱風爐新型燃燒器放大試驗完成後，與工廠合作籌建了工業規模的試驗裝置。
該所還進行了煉鐵過程數學模型的研究，完成了高爐過程參數軸向分布數學模型，熱風爐不穩定態傳熱數學模型，高爐風口燃燒、煤粉噴吹，摘下帶兩相流數學模型等，應用有限元法計算了高爐爐底溫度分布。
一九五八年該所葉渚沛等在300公斤氧氣頂吹轉爐上煉鋼成功，並為石景山鋼鐵公司培養了一批氧氣轉爐技術骨幹。以後，又和有關單位合作進行了3噸氧氣頂吹轉爐試驗，為建立30噸氧氣轉爐提供了依據。該所還研究了氧氣轉爐煉鋼和吹釩的數學模型，對超音速氣體射流與冶金熔池間的傳遞現象進行了模擬研究，為尋求氧氣轉爐、搖包及其真空吹氧脫碳等的合理操作條件提供了依據。
一九五五至一九五七年，金屬研究所和大連鋼廠合作在我國首次進行電爐氧氣煉鋼的研究。對吹氧開始時間，吹氧前鋼液溫度，吹氧管的直徑、插入角度和深度，氧的壓力和流量，造渣製度和氧化劑的加入等工藝以及冶煉過程中的碳氧反應和脫磷反應進行了比較詳盡的研究。氧氣煉鋼的應用，使該廠電爐生產率提高約30%，成本降低約6%。在研究過程中，發現還原期熔池中氧和硫的降低速度與含碳量有關，提出了縮短中碳鋼和高碳鋼的還原期的建議。以後又試驗了用電石直接造還原渣以及還原初期用矽錳合金預脫氧等強化還原期的措施。這些措施使該廠電爐生產率又提高了20%左右。這兩項成果在國內都已得到普遍推廣。
在此期間，該所還與工廠合作研究了滾珠軸承鋼中非金屬夾雜物和合金鋼中發紋等鋼質量問題，沸騰鋼鋼錠的凝固過程，采用煤氣、氧氣助熔的“三氣煉鋼”，電爐—轉爐混合煉鋼及傾斜連續鑄錠等，都取得了一定成效。
一九八○年金屬研究所和太原鋼鐵公司合作研究成功炮管毛坯的電渣熔鑄工藝，免去了鍛造工序，增加了金屬收得率，降低了成本，而產品性能卻不亞於鍛造製品。以後該所還發展了鈣—矽—鋇—鋁和鈣—鋇—矽—鋁—稀土兩種脫氧劑，工業性試驗結果表明，能使鋼的鑄造組織晶粒細化，減少並球化鋼中的氧化物夾雜，使硫化物轉化成不變形的球狀夾雜，從而使鋼的鑄態韌性顯著提高，明顯改善軋態鋼的橫向塑性。
合金鋼
五十年代，中國開始進行大規模的經濟建設，急需合金鋼材。但中國缺鉻少鎳，幾乎全部依賴進口，加上國際上的封鎖，鎳鉻來源十分緊張，如何建立適合中國資源的合金鋼體係，當時具有戰略意義。
冶金陶瓷研究所吳自良、李林等在一九五四年完成了錳鉬係低合金鋼的研究，其熱處理工藝及機械性能，如滲氮工藝、回火脆性、疲勞性能等都優於它所代替的40鉻鋼，並成功地應用於解放牌載重汽車上。一九五五年又與機械工業部協作研究成抗張強度558兆巴、焊接性能良好的硼鉬鋼，還完成了滲碳硼鉬鋼的研製，以代替18鉻錳鈦滲碳鋼，其合金元素鉻＜0.3%，鉬＜0.15%，鎳＜0.3%。這些工作對當時建立中國自己的低合金鋼係統起了示範作用。
金屬研究所開展了高合金鋼代鎳、鉻的工作。該所姚漢武等研製的鉻錳氮無鎳不鏽鋼具有優良的綜合力學性能、可焊性和耐蝕性（詳見“第七章金屬腐蝕與防護”）。該所張彥生等對鐵—錳—鋁係進行了較係統的開拓性研究，包括奧氏體穩定區的確定與成分經驗公式，高溫相圖、相變，合金相的形成及其對性能影響的規律，合金元素對力學性能、物理性能與抗氧化、耐腐蝕性能的影響等，對發展低溫鋼、無磁鋼和熱強鋼起了指導作用。在此基礎上，又解決了一係列工藝問題，如用電渣重熔以消除冶煉時鋼液中造成的有害作用；研製了新焊條，並解決了焊縫金屬回矽和出現氣孔問題；采用高速錘研製出的低溫無磁鋼15Mn26A14，已用於製氧機蓄冷器和大型變壓器；研製出熱強鋼37Mn3/A13Cr2MoVWNbB，其性能可與鐵鎳鉻合金A286媲美，還製成了增壓器渦輪葉片，在海上進行了一年多航行考核，運轉3400小時無故障。
一九六五年該所仿製成鉻鎳矽鉬釩鋼，用以造炮，使國產無後座力炮的重量減輕43%。一九七六年定型炮鋼，利用鉬釩在高溫回火後的二次硬化效應，合理確定了鉬釩含量，並采用電渣重熔工藝，鋼的熱處理和熱加工工藝性能良好，強度與韌性達到最佳配合。利用調質處理、旋壓成形和消除應力退火工藝，解決了殼體的性能與精度的矛盾，用以代替PCrNiMo鋼生產薄壁火炮，一般可減輕重量10—25%，鋼的衝擊韌性提高20—30兆巴。超高強度鋼用於薄壁高壓容器的最小安全韌性問題，在經驗的基礎上，對多次工作的容器和一次工作以泄漏最小為要求的容器，提出不同壁厚有不同的安全韌性判據，經實際應用考驗是成功的。
七十年代該所王儀康等開展了潛孔鑽具新材料新工藝的研究，在材料上利用淺淬透高碳工具鋼和分級淬火工藝，在工件表麵上形成735—980兆巴的壓應力製造抗疲勞斷裂的衝擊錘等，使J係列衝擊器的技術指標達到當時的國際水平，鑽頭壽命接近當時的國際水平。又仿製成功兩種低碳馬氏體釺頭體用鋼，利用高矽穩定殘餘奧氏體提高韌性，製造出材料硬度達HRC45—47的抗疲勞斷裂的中小釺頭體。這種釺頭和進口名牌釺頭在幾種岩石中對比鑿進，其總進尺超過八十年代日本和芬蘭製造的釺頭，同瑞典Fagersta FF 710釺頭壽命不相上下，並協助冶金工業部門建廠生產，每年綜合經濟效益達1000餘萬元。