材料的生態(tài)設(shè)計(jì)

第七講符合生態(tài)設(shè)計(jì)概念的材料科學(xué)與工程§1生態(tài)設(shè)計(jì)概念§2符合生態(tài)設(shè)計(jì)概念的材料科學(xué)與工程§3依據(jù)數(shù)據(jù)庫的柔性材料生產(chǎn)技術(shù)§4材料復(fù)合技術(shù)與再生循環(huán)設(shè)計(jì)§5材料的長壽命化設(shè)計(jì)§6對(duì)材料熱處理工藝技術(shù)發(fā)展的影響2/4/20231§1

材料生態(tài)設(shè)計(jì)概念2/4/20232生態(tài)設(shè)計(jì)的概念

生態(tài)設(shè)計(jì)以一切事物為對(duì)象，就產(chǎn)品（包括服務(wù)）開發(fā)而言，它是指在評(píng)價(jià)其整個(gè)生命周期中給環(huán)境造成影響的基礎(chǔ)上，提高產(chǎn)品綜合價(jià)值的全新的設(shè)計(jì)思想。它既是一種具體的設(shè)計(jì)方法，又是一種普遍的設(shè)計(jì)思想和原則。

生態(tài)設(shè)計(jì)（Eco-design）又叫環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)，即在產(chǎn)品或材料設(shè)計(jì)中，在考慮成本、功能（或性能）、質(zhì)量、外觀等使用性能指標(biāo)的同時(shí)，充分考慮產(chǎn)品或材料的環(huán)境性能，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。2/4/20233生態(tài)設(shè)計(jì)的基本原則使用資源豐富的材料，有效利用可再生資源；2.使用物質(zhì)集約度（MI）更小的材料與物品，比如通用鋼材等；3.選擇材料環(huán)境影響值（Eco-indicator）更低的物品；4.盡可能選擇可再生材（因?yàn)樗沫h(huán)境影響值一般都比新材的?。?；5.產(chǎn)品長壽命的原則；6.從生態(tài)學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)給產(chǎn)品設(shè)定適當(dāng)?shù)膲勖?.對(duì)于在使用狀態(tài)下環(huán)境負(fù)荷大的產(chǎn)品要力求采取徹底減輕環(huán)境負(fù)荷的措施（尤其像汽車、家電、建筑等）；8.盡可能不用有毒物質(zhì)，不得已而使用時(shí)必須做到完全循環(huán)再生；有害情況不明的化學(xué)物質(zhì)，在未查清、解除疑團(tuán)之前不使用（徹底貫徹預(yù)防為主的原則）9.推進(jìn)非物質(zhì)化，以服務(wù)換產(chǎn)品（性能銷售），減少物質(zhì)化的建設(shè)項(xiàng)目。例如，推行專業(yè)化熱處理服務(wù)，而不是鼓勵(lì)興建熱處理車間；發(fā)展更方便的公共交通服務(wù)，而不是鼓勵(lì)擁有私車…2/4/20234生態(tài)設(shè)計(jì)——小結(jié)生態(tài)設(shè)計(jì)是功能設(shè)計(jì)、舒適性（包括美學(xué)）設(shè)計(jì)和環(huán)境設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。生態(tài)設(shè)計(jì)是以環(huán)境評(píng)價(jià)和高新技術(shù)為基礎(chǔ)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中力求做到：３R（減量化、再利用、再生循環(huán)）；驅(qū)除或替代有害物質(zhì)；節(jié)能和尋求清潔能源以及生產(chǎn)過程中的零排放和清潔生產(chǎn)等。所以，生態(tài)設(shè)計(jì)就是高新技術(shù)在產(chǎn)品（材料）和社會(huì)服務(wù)體系的整個(gè)生命周期中科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、巧妙而有效的應(yīng)用。2/4/20235

符合生態(tài)設(shè)計(jì)概念的材料科學(xué)與工程

§22/4/20236在節(jié)能減排和全球化背景下，作為材料工作者，第二個(gè)問題更為重要。

環(huán)境材料概念確立之后，材料科學(xué)工作者面臨兩大課題：

一是如何建立和發(fā)展再生循環(huán)體系這一社會(huì)性的課題；

二是最低限度地減少不可再生礦產(chǎn)資源采掘量并最大限度地提供高質(zhì)量的工程材料這一技術(shù)性的課題。

雖然鋼鐵材料的研究積累豐富，但大多停留于定性認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的水平，能通過定量計(jì)算對(duì)最終結(jié)果作預(yù)測的工作極少，至今許多仍在采用的trial-and-error方法開發(fā)的鋼鐵材料品種，充其量也只發(fā)揮了理論強(qiáng)度的20%左右。人們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能將這種材料的潛力發(fā)揮出來。2.1生態(tài)設(shè)計(jì)概念提出的背景2/4/20237

但迄今為止材料研究者一直在致力于研究和開發(fā)更強(qiáng)、更韌、能在更嚴(yán)酷、更極端的環(huán)境下使用的具有更高或特殊性能的材料。結(jié)果是不斷有各種各樣化學(xué)組成的材料被開發(fā)出來，但節(jié)約資源及如何作到易于再生循環(huán)的觀念仍然淡薄?，F(xiàn)在，這種觀念正在不斷改變中。

現(xiàn)在從節(jié)能減排和環(huán)境材料的高度來看，除了對(duì)材料成分-過程-性能的精確掌控之外，在最初的材料設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)考慮材料的再生循環(huán)設(shè)計(jì)。2/4/202382.2通用合金從提高金屬材料的再生循環(huán)性這一觀點(diǎn)來看，金屬制品的全部部件由單一合金體系制造是最理想的，而且所用合金元素的種類越少，再生循環(huán)時(shí)就越容易對(duì)過程進(jìn)行有效控制。從這個(gè)角度考慮，通用合金就是新思維。即是合金種類最少，而且能滿足多種用途要求的標(biāo)準(zhǔn)體系合金。能夠滿足通用特性(比如部件對(duì)強(qiáng)度和韌度、耐磨性、耐蝕性等具體性能要求的不同進(jìn)行分類)的合金系，即在同一合金系中僅變化成分配比而制得(通用合金)。這樣，在再生循環(huán)時(shí)，廢料的品位一致，避免了由于雜質(zhì)混入而造成的成分變化。所以通用合金即易于再生循環(huán)，成分變化對(duì)材料特性影響明顯的合金系。2/4/20239從上述概念來講，傳統(tǒng)的Fe-C合金系列就是很好的通用合金。

Fe-C系碳鋼系列有：結(jié)構(gòu)鋼：（從低碳到高碳系列）10，20,30,40,45…

彈簧鋼：70

工模具鋼：T7,T8…T12A

如果合金鋼從來就沒有出現(xiàn)，問題早就解決了。因?yàn)槿艄嫒绱?，在再生循環(huán)時(shí)，充其量只是不同碳含量的鋼材混在一起，按冶金技術(shù)，對(duì)含碳量的控制是輕而易舉的，從而又可得到不同用途的鋼。即便存在Si-Mn-S-P等這些常規(guī)元素，現(xiàn)代冶金原理也不難調(diào)整其成分。2/4/202310Fe-Ni-Cr系

合金化對(duì)鋼鐵材料性能帶來的巨大改變莫過于Cr的介入，以及隨后其他固溶元素的介入，包括易控制元素如釩的添加，從而形成了由有限的元素構(gòu)成、通過改變其配比可在更大范圍內(nèi)改變其性能的合金系。如Fe-Ni-Cr系:改變Fe，Ni，Cr的相對(duì)含量（當(dāng)然包括C），可得到鐵素體鋼到不銹鋼等一系列鋼種，這些鋼的組織及性能有更大的變化，可適應(yīng)許多場合。2/4/202311結(jié)構(gòu)鋼：20Cr40Cr30CrNi340CrNi45CrNi…彈簧鋼：50CrNi50CrVA滲碳鋼：12CrNi212CrNi312Cr2Ni420CrNi3…軸承鋼：GCr15，G20Cr2Ni4…F/A不銹鋼：1Cr17Ni71Cr18Ni90Cr19Ni900Cr19Ni111Cr18Ni120Cr13Ni130Cr25Ni20…M不銹鋼：1Cr17Ni22Cr133Cr13…耐熱鋼：Cr30Ni202Cr23Ni132Cr25Ni201Cr16Ni35…爐用耐熱鋼：1Cr23Ni131Cr23Ni18…電熱體用鋼：Cr20Ni80…

上述鋼種，由于成分、組織的差異，性能有很大的不同，應(yīng)用于許多場合，但在化學(xué)成分上，卻只有C-Fe-Cr-Ni，其中碳是易控制元素，其余皆為全保留元素，所以是值得研究的符合通用合金概念的合金體系。2/4/202312

作為合金的強(qiáng)化機(jī)制，常用的有馬氏體相變及第二相的析出等相變現(xiàn)象，這些相變或析出現(xiàn)象受化學(xué)組成影響的程度比固溶強(qiáng)化作用更大，當(dāng)偏離某一合金成分時(shí)，相變或析出現(xiàn)象有可能完全不發(fā)生。即合金行為對(duì)成分構(gòu)成過于敏感，這將影響這些合金體系的工程價(jià)值。與此相反，固溶強(qiáng)化與合金組成的關(guān)系是比較平緩而連續(xù)的，再生循環(huán)造成的雜質(zhì)及合金元素量的變動(dòng)對(duì)性能的影響較小，因此，固溶合金可以作為有前途的再生循環(huán)備選材料。固溶體成分（0-100；100-0）可連續(xù)轉(zhuǎn)變示意圖2.3對(duì)組成變化不太敏感的合金2/4/202313

以往在處理固溶合金問題時(shí)，認(rèn)為原子排列是完全無序的，但隨著近年合金學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)在固溶體中存在短程有序結(jié)構(gòu)。這種無序的不完全性有可能對(duì)以往的固溶強(qiáng)化現(xiàn)象產(chǎn)生影響，溶質(zhì)原子分布的起伏未被定量地測定，也還沒有找到適當(dāng)?shù)姆椒āＲ虼?，關(guān)于固溶合金結(jié)構(gòu)與特性的關(guān)系，過去的認(rèn)識(shí)尚不夠充分。今后必須進(jìn)行系統(tǒng)的研究，這是一個(gè)有可能發(fā)現(xiàn)材料科學(xué)新現(xiàn)象的領(lǐng)域。作為處理這種短程有序固溶體問題的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論，有集團(tuán)變分法，已從理論上成功地導(dǎo)出了Ni-Al相圖。但是，有關(guān)Ti、Zr等復(fù)雜結(jié)構(gòu)現(xiàn)在尚不能定量計(jì)算。此外，用于這種計(jì)算的精確的原子間相互作用勢的問題等等，都需要進(jìn)一步研究。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面，也需要確立由X射線漫散射等方法測定與評(píng)價(jià)固溶原子排列無序性的技術(shù)。固溶體的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則2/4/202314關(guān)于合金元素的種類與含量對(duì)固溶合金無序性(或短程有序)的影響、冷卻速度或熱處理等制造及加工工藝的影響及其應(yīng)用；通過采用集團(tuán)變分法等統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論及X射線漫散射等測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)固溶合金的結(jié)構(gòu)控制；通過分析有序、無序性與物理、化學(xué)性能以及力學(xué)性能之間的關(guān)系來確定開發(fā)合金的指導(dǎo)原則。Au-Cu合金的有序排列固溶合金研究開發(fā)的方向2/4/202315

簡單合金的設(shè)計(jì)原則——可再生循環(huán)設(shè)計(jì)在合金學(xué)中，通過添加合金元素的配比、晶粒度等微觀組織的控制等，以謀求合金的高性能。但在再生循環(huán)時(shí)，組成復(fù)雜，分選與分離就困難。簡單組成有以下含意:

使合金規(guī)格簡單化，容易分選;

原則上不添加現(xiàn)在尚不能精煉脫除的元素。所有的合金最終都要成為可再生循環(huán)設(shè)計(jì)的對(duì)象。這是因?yàn)榭紤]到對(duì)環(huán)境影響的大小，及其直接效應(yīng)的大小，大量消費(fèi)或大量生產(chǎn)的材料具有組成本來就不復(fù)雜的優(yōu)點(diǎn)。所以，首先應(yīng)該將大量消費(fèi)的材料作為目標(biāo)（目前雖然有許多成分復(fù)雜的新材料，但因用量少，未成影響環(huán)境的禍?zhǔn)祝５?，環(huán)境材料也強(qiáng)調(diào)：單純賦予材料以再生循環(huán)性還不能生產(chǎn)出支撐現(xiàn)代發(fā)達(dá)技術(shù)的材料，必須同時(shí)充分滿足高強(qiáng)度、高可靠性、舒適性等方面的要求。另外，對(duì)于脫除元素的收集和再生循環(huán)利用也應(yīng)在考慮之列。2.4簡單合金2/4/202316

強(qiáng)韌微合金非調(diào)質(zhì)鋼微合金化鋼：（Micro-alloyedsteel）微合金化是一個(gè)籠統(tǒng)的概念，通常指在原有主加合金元素的基礎(chǔ)上再添加微量的Nb、V、Ti等碳氮物形成元素，或?qū)αW(xué)性能有影響、或?qū)δ臀g性、耐熱性起有利作用、添加量隨微合金化的鋼類及品種的不同而異，相對(duì)于主加合金元素是微量范圍的，如非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中一般加入量在0.02—0.06%，在耐熱鋼和不銹鋼中加入量在0.5%左右，而在高溫合金中加入量高達(dá)1—3%。

微合金化鋼首先限定在熱軋低碳和超低碳范圍，公認(rèn)的基本屬性：①添加的碳氮化物形成元素，在鋼的加熱和冷卻過程中通過溶解一析出行為影響鋼的力學(xué)性能。②由于元素加入量少，強(qiáng)化機(jī)制主要是細(xì)化晶粒和沉淀硬化。③控軋控冷技術(shù)對(duì)微合金鋼有重要意義。鋼的微合金化和控軋控冷技術(shù)的結(jié)合是微合金化鋼設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的重要前提。

新型汽車鋼材的開發(fā)遵循簡單合金的原理2/4/202317

非調(diào)質(zhì)鋼最早于1972年由德國蒂森特鋼公司開發(fā)成功,代表鋼種為49MnVS3。由于其具有節(jié)能、節(jié)材和降低成本的優(yōu)點(diǎn),得到了迅速發(fā)展及推廣,尤其在汽車工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。近幾年對(duì)日本、德國、

瑞典大量用非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車零件。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前除少數(shù)高性能賽車外,幾乎80%以上的汽車曲軸鍛件均采用非調(diào)質(zhì)鋼制造。我國在非調(diào)質(zhì)鋼的研制與應(yīng)用方面取得了一系列成果;近年來規(guī)模化、批量地將非調(diào)質(zhì)鋼及其控鍛-控冷技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn),已建立了相應(yīng)的控制冷卻生產(chǎn)線，分別用以生產(chǎn)轎車曲軸、連桿。產(chǎn)品質(zhì)量和性能穩(wěn)定,取得顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)及精密測量技術(shù)等當(dāng)代高科技與傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)、制造業(yè)的結(jié)合,微合金鋼的開發(fā)應(yīng)用獲得了新的進(jìn)展,除汽車工業(yè)外,應(yīng)用范圍涉及到建筑用材、重型工程結(jié)構(gòu)(起重機(jī)、載重車輛)、高壓輸送管道、橋梁、高壓容器、集裝箱、船舶等。而這些用途鋼材一般占社會(huì)對(duì)鋼材總需求量的60%左右。所以非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用前景廣闊,是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)中的主力產(chǎn)品之一。

微合金非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢2/4/202318依據(jù)數(shù)據(jù)庫的柔性材料生產(chǎn)技術(shù)§32/4/202319

3.1材料性能預(yù)測數(shù)據(jù)庫

計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行輔助材料預(yù)測技術(shù)，特別是將一些理論上暫時(shí)不能解釋的現(xiàn)象提取模型后，可以方便地?cái)?shù)值化，并成功地制造出高性能材料。

當(dāng)用戶在預(yù)定某一性能的材料時(shí)，生產(chǎn)廠家的材料技術(shù)人員能在考慮：①再生循環(huán)；②節(jié)約稀有金屬的基礎(chǔ)上；選擇化學(xué)組成；設(shè)計(jì)制備工藝；并組織生產(chǎn)。

關(guān)鍵是材料成分、工藝與性能的數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。2/4/202320在此過程中的材料科學(xué)現(xiàn)象有:●在加熱爐中高溫相奧氏體晶粒的長大規(guī)律及均勻化程度控制;

●冷卻過程中由奧氏體向鐵素體、珠光體、貝氏體以及馬氏體的相變（CCT圖）——主要涉及冷卻過程（控冷）;(——控軋):

●熱軋過程中加工硬化及其回復(fù)、再結(jié)晶;

●隨盤卷時(shí)的溫度不同而發(fā)生析出或低溫相變等當(dāng)上述綜合定量預(yù)測研究成果付諸應(yīng)用實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)候，將進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要性。今后的研究課題——一些已模型化、數(shù)值化的而又含意模糊的或不理想的部分，期望將來基礎(chǔ)理論發(fā)展后再給予替換或修正。2/4/202321在鋼材的組織控制技術(shù)方面取得顯著進(jìn)步——控冷控軋，與連鑄連軋相結(jié)合，形成了鋼鐵柔性熱軋生產(chǎn)線，實(shí)際上就形成了計(jì)算機(jī)輔助材料生產(chǎn)技術(shù)。在目前連鑄連軋技術(shù)下，有可能實(shí)現(xiàn)同一成分，通過控制冷卻控制軋制得到不同性能的材料。例如：如圖所示，用轉(zhuǎn)爐熔化的（100t左右）鋼水被連續(xù)澆鑄，在適當(dāng)?shù)拈L度切斷送入加熱爐。其后經(jīng)幾次軋制延伸變細(xì)變薄，冷卻后盤卷。3.2柔性（Flexible）軋鋼生產(chǎn)——

一種成分，多種產(chǎn)品2/4/2023223.3發(fā)展趨勢3.3.1根據(jù)熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，將上述許多現(xiàn)象綜合歸納成理論上可以計(jì)算的模型，從而預(yù)測最終的微觀組織(組織預(yù)測)。過去有關(guān)鋼鐵的豐富的研究積累以及熱力學(xué)數(shù)據(jù)的整理是很重要的。其他新材料的研制也必須從整理這些數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)開始做起。3.3.2由預(yù)測的微觀組織和化學(xué)成分推斷出材料的各種力學(xué)性能。關(guān)于強(qiáng)度及延伸率，人們已作出了推斷各個(gè)數(shù)據(jù)之間相互關(guān)系的回歸公式，需要進(jìn)一步考慮的方法：應(yīng)力-應(yīng)變曲線，這是最簡單明了表示形變特性的基礎(chǔ)，據(jù)此可以綜合、系統(tǒng)地推斷材料的各種力學(xué)性能(性能預(yù)測)。2/4/2023233.3.3綜合上述基本要素，建立預(yù)測模型。從而，不用做實(shí)驗(yàn)就可以預(yù)測一定化學(xué)成分的鋼水，在給定的條件下軋制、冷卻，能得到特定性質(zhì)的鋼材。根據(jù)用戶定貨要求將同一爐鋼水（一個(gè)成分）在中途改變軋制、冷卻工藝從而實(shí)現(xiàn)小批量多品種（flexible）生產(chǎn)。最終，根據(jù)用戶預(yù)定的材料的實(shí)際特性，反饋過來后，進(jìn)一步修正化學(xué)成分和制備條件，由此可以在節(jié)省資源和節(jié)能的同時(shí)，通過盡可能單一組分化而提高廢舊鋼鐵的再生循環(huán)利用效率。2/4/202324材料復(fù)合技術(shù)與再生循環(huán)設(shè)計(jì)§42/4/2023254.1復(fù)合材料的環(huán)境材料化變革

復(fù)合材料是具有特殊綜合性能的材料新技術(shù)，但從循環(huán)經(jīng)濟(jì)來說，它有許多不利。要充分滿足高強(qiáng)度、高可靠性等方面的要求，只從成分組成方面賦予材料以使用性能還不能生產(chǎn)出支撐現(xiàn)代發(fā)達(dá)技術(shù)的材料。一般而言，僅從材料成分來說，強(qiáng)度和延性、韌性，強(qiáng)度和其他的物理性能(減振性、導(dǎo)電性等)難于兼容：強(qiáng)度越高越脆，強(qiáng)度越高電導(dǎo)率越低。要想在同一材料上使難以兼容的性能共存，只有采用“復(fù)合化”設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。然而，傳統(tǒng)的復(fù)合材料是通過將不同的材料組合起來，利用組合材料各自所具有的性能，這與簡單組成和易解體結(jié)構(gòu)的再生循環(huán)要求是違背的。2/4/202326

從環(huán)境材料出發(fā)，復(fù)合材料設(shè)計(jì)應(yīng)有如下考慮，即:

強(qiáng)度(也包括疲勞強(qiáng)度等)，韌性（或其他需要復(fù)合的性能）——體現(xiàn)復(fù)合的優(yōu)勢——先進(jìn)性；

組成簡單化，易解體結(jié)構(gòu)——環(huán)境協(xié)調(diào)性;

功能兼容，或更多功能性——維持原設(shè)計(jì)思想——舒適性。

所以，在環(huán)境材料設(shè)計(jì)思想中，對(duì)復(fù)合材料提出了“可再生循環(huán)復(fù)合”這一變革。即合金是簡單組元的情況下也有可能通過工藝控制來自由地構(gòu)造它的組織和結(jié)構(gòu)。2/4/2023274.2雙相鋼——符合復(fù)合材料概念雙相鋼，是通過（控冷控軋）工藝控制使鐵素體與馬氏體這兩種不同的相交替共存。與回火馬氏體鋼相比，在同樣的強(qiáng)度下，其延性可得到大幅度改善。這種雙相鋼已被成功地用于某些原來使用回火馬氏體鋼的部件。在合金尤其是鋼鐵中有可能相當(dāng)自由地實(shí)現(xiàn)對(duì)多相組合的控制。2/4/202328

眾所周知，不用合金化而用細(xì)化晶粒的辦法也可以強(qiáng)化金屬，此外同時(shí)應(yīng)考慮：①超細(xì)化；②多相共存時(shí)各相的比例；③形狀和分布狀態(tài)等等對(duì)強(qiáng)度、延性、韌性、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能和導(dǎo)電性、減振性等物理性能都有很大影響，因此用這種方法研究開發(fā)出可再生循環(huán)、高性能合金的可能性是很大的。2/4/202329材料的長壽命化設(shè)計(jì)§52/4/2023305.1材料的長壽命化與減輕環(huán)境負(fù)荷

再生循環(huán)是一種將資源長期、充分使用的一種手段。但也可以通過延長材料的壽命得以解決。2/4/202331

材料的長壽命化是實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”、“可持續(xù)發(fā)展”的最容易理解的方略。在滿足構(gòu)件使用性能（強(qiáng)硬度與塑韌性——基本屬性）的前提下，影響材料使用壽命的主要考慮（消耗性指標(biāo)——下列任一情況的發(fā)生都將導(dǎo)致零件壽命的終結(jié)）：

耐磨性——硬度/磨損機(jī)制——表面強(qiáng)化耐蝕性——（化學(xué)）環(huán)境/溫度——表面涂層耐疲勞性——交變載荷類型/環(huán)境——防止裂紋起源耐蠕變性——溫度/應(yīng)力——正確的合金設(shè)計(jì)2/4/202332許多材料，由于在高溫下使用，會(huì)產(chǎn)生通常在室溫情況下不成問題的蠕變現(xiàn)象。蠕變是在高溫條件下，材料在一定的外力作用下隨著時(shí)間的推移慢慢地產(chǎn)生變形，直至最后發(fā)生斷裂的一種現(xiàn)象，如圖所示。蠕變強(qiáng)度意味著在相同的溫度和應(yīng)力條件下，具有較長的蠕變斷裂壽命者。

現(xiàn)有的火力發(fā)電設(shè)備，一般發(fā)電效率充其量不過

40%左右。為了提高發(fā)電效率，就需要開發(fā)可在更高的蒸汽壓力和溫度條件下服役的耐熱金屬材料。5.2省合金化設(shè)計(jì)理念與高溫強(qiáng)度特性2/4/202333通過添加各種合金元素、調(diào)整化學(xué)成分和通過熱處理控制微觀組織形態(tài)，可開發(fā)多種具有優(yōu)異蠕變性能的高溫耐熱合金材料。省合金化發(fā)電設(shè)備和化學(xué)設(shè)備中使用的從低合金0.5鉬鋼到高合金12Cr1Mo1W0.3V鋼等10種實(shí)用鐵素體耐熱鋼的蠕變特性2/4/202334

圖中橫坐標(biāo)Larson-Miller參數(shù)是溫度和蠕變斷裂壽命的函數(shù)，其數(shù)值越大，意味著蠕變強(qiáng)度特性越好。在高應(yīng)力區(qū)，數(shù)據(jù)分布范圍寬，依鋼種不同，蠕變斷裂強(qiáng)度相差很大，最強(qiáng)的鋼和最弱的鋼的蠕變壽命相差達(dá)數(shù)萬倍。這說明通過添加合金元素和熱處理等，可以大幅度改善蠕變強(qiáng)度。

但在低應(yīng)力區(qū)，所有的數(shù)據(jù)收斂于狹窄的范圍內(nèi)，表明鋼種間的蠕變強(qiáng)度差有減小的傾向。由此可知，在相當(dāng)于設(shè)備實(shí)際服役條件，即低應(yīng)力長時(shí)間條件下，鋼種間的差別沒有高應(yīng)力短時(shí)間那樣大。這種現(xiàn)象可用“基體蠕變強(qiáng)度”概念來解釋。因短時(shí)蠕變強(qiáng)度因鋼種不同而有較大差異，故可以通過添加合金元素和控制微觀組織形態(tài)來提高蠕變強(qiáng)度?？墒怯捎谖⒂^組織在高溫下不穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長，其組織形態(tài)逐漸變化，從而引起蠕變強(qiáng)度的降低。因此，在高應(yīng)力區(qū)的短時(shí)一側(cè)，蠕變強(qiáng)度大的鋼種之間的差別，隨著向長時(shí)間側(cè)的推移而縮小。2/4/202335高溫耐熱合金可以得出以下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

1，對(duì)基體蠕變強(qiáng)度水平即可滿足使用要求的構(gòu)件，在進(jìn)行材料設(shè)計(jì)時(shí)，只添加為了發(fā)揮基體蠕變強(qiáng)度所需的最低限度的合金元素，此即所謂省合金化概念。

2，對(duì)于要求高于基體蠕變強(qiáng)度水平以上的高強(qiáng)度構(gòu)件的材料設(shè)計(jì)，不僅要考慮短時(shí)蠕變強(qiáng)度特性，而且要在著眼于獲得長時(shí)強(qiáng)度穩(wěn)定性的同時(shí)，從材料高強(qiáng)度化所引起的環(huán)境負(fù)荷增大與由于使用材料時(shí)提高效率、延長使用壽命帶來的環(huán)境負(fù)荷減輕這兩方面的效應(yīng)是否平衡的觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

為了改善材料的環(huán)境平衡，必須將上述省合金化的概念和準(zhǔn)則及重視材料長期穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法引入到材料設(shè)計(jì)之中，依此為指導(dǎo)思想推進(jìn)材料的環(huán)境材料化。2/4/2023365.3先進(jìn)陶瓷材料的長壽命化●不太受資源制約的先進(jìn)陶瓷陶瓷是地球表面含量豐富的硅、鋁、鎂等元素的氧化物、碳化物、氮化物，是受資源制約小的高克拉克指數(shù)(ClarkNumber——地殼中元素豐度)材料。與金屬、高分子相比的陶瓷，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，即使在高溫和腐蝕極限環(huán)境中也可以保證部件的長壽命。陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)等特點(diǎn)，作為耐熱結(jié)構(gòu)材料被廣泛利用。例如，燃燒氣體溫度在1000oC以下的汽車渦輪充電器，用氮化硅制作的部件在80年代中期就已應(yīng)用。還有，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電用陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)等的研究開發(fā)正在向著實(shí)用化方向努力。主要部件用SiC、Si3N4制造的、燃燒溫度1350oC級(jí)的陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)熱效率可達(dá)42%。但是，由于發(fā)電站及飛機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率隨燃燒溫度的上升而提高，因此，今后必然會(huì)從實(shí)現(xiàn)燃燒溫度1500oC級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)或燃燒溫度達(dá)2000oC的燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行超高溫材料為目標(biāo)的開發(fā)。2/4/202337將陶瓷作為高溫發(fā)動(dòng)機(jī)部件的嘗試以歐美70年代的研究計(jì)劃為開端，自此之后，陶瓷材料的性能不斷提高。氧化物系陶瓷室溫強(qiáng)度超過了2000MPa，氮化硅的臨界使用溫度以1200oC為目標(biāo)，但近年已開發(fā)出了耐熱溫度高達(dá)1400oC的材料。碳化硅到1600oC時(shí)高溫強(qiáng)度不降低，但到2000oC附近，非氧化物陶瓷達(dá)到其抗氧化性的臨界點(diǎn)，因此，需要采用氧化物系陶瓷。以高溫結(jié)構(gòu)陶瓷長壽命為目標(biāo)的材料設(shè)計(jì)，其第一階段是搞清控制材料性能的因素。影響陶瓷機(jī)械性能的三大因素:

1)抗氧化性;

2)晶界滑移和氣孔;

3)斷裂韌性。2/4/202338●提高抗氧化性能固體的熱力學(xué)穩(wěn)定性(蒸發(fā)和分解)決定物質(zhì)的極限使用溫度。ZrO2的臨界溫度是2500oC，Al3O2是2072oC。氮化硅沒有氧化物穩(wěn)定，在大氣中從表面開始發(fā)生的氧化反應(yīng)如圖所示氮化硅的氧化機(jī)制

在氮化硅晶界上有一層薄的氮氧化物——玻璃相，它是氧化反應(yīng)時(shí)向燒結(jié)體內(nèi)部擴(kuò)散氧的通道，并且，玻璃相自身蒸發(fā)會(huì)引起沿晶界的龜裂。如果能通過控制組分提高氮氧化物——玻璃相的抗氧化能力，那么，預(yù)計(jì)氮化硅的理論耐熱臨界溫度可達(dá)到1500oC的水平。

碳化硅由于氧化，在表面形成一層SiO2薄膜，起到阻止進(jìn)一步氧化的保護(hù)膜的作用。但在1600oC以上時(shí)，由于發(fā)生釋放CO氣體的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致SiO2膜發(fā)泡而使保護(hù)層破壞，從而加速氧化過程的進(jìn)行。2/4/202339●防止晶界遷移和空洞在高溫、應(yīng)力條件下，多晶體由于晶界遷移而產(chǎn)生空洞。晶界存在玻璃相時(shí)氮化硅的高溫破壞模型：

隨著晶界遷移，在三叉晶界處發(fā)生應(yīng)力集中，由此產(chǎn)生空洞的核心，而空洞的連細(xì)則導(dǎo)致微裂紋生長，主裂紋與裂紋前沿的微裂紋的連結(jié)導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。2/4/202340陶瓷在高溫、高壓下的緩慢破斷，可以用內(nèi)部裂紋的緩慢生長(S.C.G.)來說明。裂紋擴(kuò)展速度(V)和應(yīng)力強(qiáng)度因子(KI)間有下式關(guān)系:V=AKIn

式中n是指數(shù)。當(dāng)達(dá)到產(chǎn)生裂紋的臨界裂紋長度時(shí)，將發(fā)生斷裂。斷裂所需要的時(shí)間可以通過這個(gè)基本公式計(jì)算，因此可以進(jìn)行部件的壽命預(yù)測。另一方面，在更高溫度、低應(yīng)力下的破壞一般認(rèn)為受空洞產(chǎn)生的內(nèi)損傷積累的控制，而內(nèi)在裂紋的擴(kuò)展則是相對(duì)次要的原因。2/4/202341設(shè)想的熱壓氮化硅的斷裂原理圖。表示非斷裂區(qū)域和蠕變斷裂區(qū)域(由內(nèi)部損傷積累控制的破壞)邊界的實(shí)線，對(duì)應(yīng)于l萬小時(shí)的安全壽命。

金屬材料和陶瓷高溫?cái)嗔褭C(jī)理的重要區(qū)別在于，伴隨空洞生長而引起的周圍晶體的變形機(jī)制不同。在金屬當(dāng)中，通過位錯(cuò)攀移引起晶粒變形，可以調(diào)節(jié)空洞的長大，因此，空洞生長和母體材料的蠕變有關(guān)。斷裂壽命(tf)和最小蠕變速度（ε˙）之間遵從Monkman-Grant法則，即:

ε˙tf=εMG

式中εMG

是臨界應(yīng)變。與金屬相比，陶瓷中晶粒自身難以變形，然而單軸拉伸試驗(yàn)獲得的蠕變斷裂數(shù)據(jù)可知，氮化硅的斷裂壽命也可以用Monkman-Grant法則很好地描述。2/4/202342在超細(xì)微粒陶瓷中發(fā)現(xiàn)的超塑性現(xiàn)象，在認(rèn)識(shí)陶瓷的高溫?cái)嗔押妥冃螜C(jī)制方面帶來了新的觀點(diǎn)。由于在超塑性狀態(tài)下，伴隨晶界遷移導(dǎo)致的孔洞形成和裂紋擴(kuò)展被抑制了，因此，超塑性陶瓷才有可能產(chǎn)生達(dá)百分之幾百的變形而不發(fā)生斷裂。由于原料中含有微量氧化硅和金屬雜質(zhì)，所以在多數(shù)陶瓷的晶界上存在厚約lnm的玻璃相。比如氮化硅，當(dāng)作為燒結(jié)助劑添加金屬氧化物時(shí)，工藝過程中殘留的玻璃相將聚集于三叉晶界處。陶瓷的高溫機(jī)械性能與時(shí)間有關(guān)，并受玻璃相的粘度控制，而玻璃相的粘度隨玻璃相的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。作為燒結(jié)助劑添加的稀土元素離子半徑越小，則氮化硅的高溫強(qiáng)度越高，這一點(diǎn)已經(jīng)被人們所認(rèn)識(shí)。之所以如此，是因?yàn)椴Ａ嘀械南⊥猎仉x子和氧離子的結(jié)合強(qiáng)度與離子周圍的電場梯度有關(guān)，從而提高了玻璃相的耐熱性能。另外，通過熱處理使晶界玻璃相晶化，是提高陶瓷高溫強(qiáng)度的有效方法。2/4/202343●提高斷裂韌性

未來陶瓷材料的開發(fā)方向，可從過去50年耐熱合金開發(fā)的歷史中得到啟示。在普通的鑄造合金中，很難避免多晶晶界和空洞導(dǎo)致的高溫強(qiáng)度下降。為了減少有害的晶界，開發(fā)了用定向結(jié)晶控制合金和單晶合金制造的渦輪葉片。如果陶瓷也能制造出單晶部件，一定會(huì)發(fā)揮出更優(yōu)異的高溫特性。然而，陶瓷單晶在室溫時(shí)承受解理斷裂破壞的能力弱是一個(gè)問題。作為工業(yè)材料的結(jié)構(gòu)陶瓷，其最大的課題是提高室溫?cái)嗔秧g性。與陶瓷同樣存在脆性問題的金屬間化合物，通過添加微量元素控制晶界的電子結(jié)構(gòu)以克服晶界脆性，改善其室溫延性。作為陶瓷弱點(diǎn)的解理脆性，其本質(zhì)源于原子間的結(jié)合，正因如此，解決起來更加困難。2/4/202344提高陶瓷韌性的實(shí)際方法是通過控制多晶體的界面結(jié)合力以追求強(qiáng)韌性，為此所采取的微結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可例舉如下:1)自生ln-Site復(fù)合材料;2)長纖維強(qiáng)化復(fù)合材料;3)納米復(fù)合材料。使長柱狀β-氮化硅晶粒在氮化硅基體中長大的自生復(fù)合材料，其強(qiáng)度和斷裂韌性都比原來的材料成倍增加。作為進(jìn)一步提高韌性的途徑，長纖維強(qiáng)化復(fù)合材料是很有希望的。人們期待開發(fā)出以氮化硅、碳化硅為基體的、性能更加優(yōu)異的長纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。2/4/202345●陶瓷長壽命化的夢想

構(gòu)成地球的巖石可以說是巨大的陶瓷，數(shù)萬年以來它仍能在通常的環(huán)境下穩(wěn)定存在。發(fā)電站設(shè)備的使用時(shí)間充其量幾十年，而渦輪機(jī)部件在1000oC以上的苛刻環(huán)境下使用。如果能實(shí)現(xiàn)陶瓷的長壽命化，那么可以使用幾代人的超高溫燃?xì)廨啓C(jī)也就不再是個(gè)夢想了。2/4/202346●陶瓷耐熱涂層材料的開發(fā)

近來，人類消費(fèi)的能量日益增加，大量消費(fèi)有限的地球資源帶來了溫室效應(yīng)等現(xiàn)實(shí)的地球環(huán)境問題。作為解決這個(gè)問題的一個(gè)方向，人們嘗試通過開發(fā)耐熱材料等途徑實(shí)現(xiàn)機(jī)器的長壽命和高性能化，以謀求節(jié)省能源、節(jié)省資源。隨著能源產(chǎn)業(yè)、宇航產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域日趨高溫化的趨勢，從耐熱性、耐高溫腐蝕性、耐高溫摩擦性等方面，對(duì)開發(fā)新型耐熱材料提出了更為迫切的要求。作為結(jié)構(gòu)材料所要求的主要性能有強(qiáng)度、彈性、斷裂韌性等，從有效利用能源的角度考慮，還要求優(yōu)異的耐熱性能。2/4/202347一般，金屬材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能，而將耐熱性好的陶瓷用作結(jié)構(gòu)材料的研究現(xiàn)在很盛行。盡管近年來關(guān)于陶瓷的研究開發(fā)取得了顯著結(jié)果，但對(duì)作為結(jié)構(gòu)部件材料的實(shí)用研究尚未取得大的進(jìn)展，這是由于陶瓷存在成本高、缺乏延展性、脆性大以及機(jī)械性能分散性大等問題的緣故。由于單一材料不能同時(shí)滿足機(jī)械性能和耐熱性能兩方面的要求，所以，靈活運(yùn)用金屬材料和陶瓷材料特性的復(fù)合材料得到人們的重視。這就是:作為提高材料耐熱性、耐蝕性和耐磨性等性能的方法，人們嘗試開發(fā)在機(jī)械性能優(yōu)良的金屬材料表面涂覆一層耐熱性能優(yōu)異的陶瓷材料的復(fù)合技術(shù)(陶瓷涂層)。陶瓷涂層的斷面構(gòu)成和內(nèi)部各種性能變化的示意圖：2/4/202348§6對(duì)材料熱處理工藝技術(shù)發(fā)展的影響2/4/2023496.1生態(tài)設(shè)計(jì)要求在材料工程中貫徹節(jié)能、環(huán)保、節(jié)約資源的原則，由此誘導(dǎo)材料熱處理工藝技術(shù)的四大發(fā)展趨勢

▲復(fù)合熱處理——提高熱處理效率，直接-間接法

▲精密熱處理——提高產(chǎn)量質(zhì)量和檔次，間接法

▲節(jié)能熱處理——減少能源消耗

▲修復(fù)熱處理——減少不可再生資源的消耗量，長壽命法則的另版2/4/2023506.2簡約熱處理：——以非調(diào)質(zhì)鋼為代表

有利于再生循環(huán)的新型結(jié)構(gòu)鋼——非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用不斷增加，并可實(shí)現(xiàn)制造過程的大量節(jié)能。

(1)普通用鋼，用于不需感應(yīng)加熱淬火的零件。主要用于引進(jìn)汽車國產(chǎn)化生產(chǎn)用鋼。這些鋼要控制的元素種類多、范圍窄，對(duì)由于考慮再生循環(huán)而被視為殘余元素如Cr、Ni、Mo的控制很嚴(yán)。35MnV為基本鋼號(hào)。

(2)感應(yīng)加熱淬火用鋼，這種鋼的碳含量較高，以保證表面淬火硬度。如40MnV用于制造汽車半軸、花鍵軸等；48MnV用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。

（3）熱鍛空冷低碳貝氏體鋼，如12Mn2VB，也是有前途的新型鋼材，有的將其歸入另一類非調(diào)質(zhì)鋼。2/4/202351

6.3兼并熱處理：BH（BakingHardening）鋼板

BH（BakingHardening）鋼板，即烤漆硬化鋼。圓滿地解決了汽車抗凹陷性和生產(chǎn)過程中成型性對(duì)屈服強(qiáng)度不同要求的矛盾，同時(shí)將熱處理時(shí)效處理與烤漆合二為一。BH鋼在交貨狀態(tài)屈服強(qiáng)度低，易于成型，而當(dāng)零件進(jìn)行烤漆時(shí)，所處溫度相當(dāng)于高溫時(shí)效，硬度升高可達(dá)40MPa以上，既簡化工藝，又節(jié)省能源，而且也易于再生循環(huán)。這實(shí)際上也是微合金化在結(jié)構(gòu)鋼上開發(fā)的一個(gè)典范。2/4/2023526.4在線熱處理：

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)正在形成無人工廠、無光工廠，零庫存生產(chǎn)，在線熱處理的應(yīng)用將越來越多：

在線熱處理目前主要應(yīng)用于原材料生產(chǎn)和一些特殊產(chǎn)品