材料的生态设计

1、第七讲 符合生态设计(shj)概念的材料科学与工程1 生态设计概念2 符合生态设计概念的材料科学与工程3 依据(yj)数据库的柔性材料生产技术4 材料复合技术与再生循环设计5 材料的长寿命化设计6 对材料热处理工艺技术发展的影响7/27/20221共五十九页1 材料(cilio)生态设计概念7/27/20222共五十九页生态设计的概念(ginin) 生态设计以一切事物为对象，就产品（包括服务）开发而言，它是指在评价其整个生命周期中给环境造成影响的基础上，提高产品综合价值的全新的设计思想。它既是一种具体的设计方法，又是一种普遍的设计思想和原则。 生态设计（Eco-design）又叫环境协调性设计

2、，即在产品或材料设计中，在考虑成本、功能（或性能）、质量、外观等使用性能指标的同时，充分考虑产品或材料的环境性能，达到(d do)经济、环境和社会效益的和谐统一。7/27/20223共五十九页生态设计的基本原则使用资源丰富的材料，有效利用可再生资源；2. 使用物质集约度（MI）更小的材料与物品，比如通用钢材等；3. 选择材料环境影响值（Eco-indicator）更低的物品；4. 尽可能选择可再生材（因为它的环境影响值一般都比新材的小）；5. 产品长寿命的原则；6. 从生态学观点出发给产品设定适当的寿命；7. 对于在使用状态下环境负荷大的产品要力求采取彻底减轻环境负荷的措施（尤其像汽车、家电、

3、建筑等）；8. 尽可能不用有毒物质，不得已而使用时必须做到完全循环再生；有害情况不明的化学物质，在未查清、解除疑团之前不使用（彻底贯彻预防为主的原则）9. 推进非物质化，以服务换产品（性能销售），减少物质化的建设项目。例如，推行专业化热处理服务，而不是鼓励(gl)兴建热处理车间；发展更方便的公共交通服务，而不是鼓励(gl)拥有私车7/27/20224共五十九页生态(shngti)设计 小 结生态设计是功能设计、舒适性（包括美学）设计和环境设计的完美结合。生态设计是以环境评价和高新技术为基础，在产品设计和生产中力求做到：R（减量化、再利用、再生循环）；驱除或替代有害物质；节能和寻求清洁能源以及(

4、yj)生产过程中的零排放和清洁生产等。所以，生态设计就是高新技术在产品（材料）和社会服务体系的整个生命周期中科学、经济、巧妙而有效的应用。7/27/20225共五十九页 符合生态(shngti)设计概念的材料科学与工程 27/27/20226共五十九页在节能减排和全球化背景下，作为材料(cilio)工作者，第二个问题更为重要。 环境材料概念确立之后，材料科学工作者面临两大课题： 一是如何建立和发展再生循环体系这一社会性的课题； 二是最低限度地减少不可再生矿产资源采掘量并最大限度地提供高质量的工程材料这一技术性的课题。 虽然钢铁材料的研究积累丰富，但大多停留于定性认识和实验结果(ji gu)的水

5、平，能通过定量计算对最终结果(ji gu)作预测的工作极少，至今许多仍在采用的trial-and-error方法开发的钢铁材料品种，充其量也只发挥了理论强度的 20% 左右。人们还远远未能将这种材料的潜力发挥出来。2.1 生态设计概念提出的背景7/27/20227共五十九页 但迄今为止材料研究者一直(yzh)在致力于研究和开发更强、更韧、能在更严酷、更极端的环境下使用的具有更高或特殊性能的材料。结果是不断有各种各样化学组成的材料被开发出来，但节约资源及如何作到易于再生循环的观念仍然淡薄。现在，这种观念正在不断改变中。 现在从节能减排和环境材料的高度来看，除了对材料成分-过程-性能的精确掌控之外

6、，在最初(zuch)的材料设计阶段，就应考虑材料的再生循环设计。7/27/20228共五十九页2.2 通用合金 从提高金属材料的再生循环性这一观点来看，金属制品的全部部件由单一合金体系制造是最理想的，而且所用合金元素的种类越少，再生循环时就越容易对过程进行有效控制。从这个角度考虑，通用合金就是新思维。即是合金种类最少，而且能满足多种用途要求的标准体系合金。 能够满足通用特性(比如部件对强度和韧度、耐磨性、耐蚀性等具体性能要求的不同进行分类)的合金系，即在同一合金系中仅变化成分配比而制得(通用合金)。 这样，在再生循环时，废料的品位一致，避免了由于杂质混入而造成的成分变化。所以(suy)通用合金

7、即易于再生循环，成分变化对材料特性影响明显的合金系。7/27/20229共五十九页 从上述概念来讲，传统的Fe-C合金系列就是很好的通用合金。 Fe-C系碳钢系列有： 结构钢：（从低碳到高碳系列）10，20,30,40,45 弹簧钢：70 工模具钢：T7, T8T12A 如果合金钢从来就没有出现，问题早就解决了。因为若果真如此，在再生循环时，充其量只是不同碳含量的钢材混在一起，按冶金技术，对含碳量的控制是轻而易举(qng r y j)的，从而又可得到不同用途的钢。即便存在Si-Mn-S-P等这些常规元素，现代冶金原理也不难调整其成分。7/27/202210共五十九页Fe-Ni-Cr系 合金化对

8、钢铁材料性能(xngnng)带来的巨大改变莫过于Cr的介入，以及随后其他固溶元素的介入，包括易控制元素如钒的添加，从而形成了由有限的元素构成、通过改变其配比可在更大范围内改变其性能(xngnng)的合金系。如Fe-Ni-Cr系: 改变Fe，Ni，Cr的相对含量（当然包括C），可得到铁素体钢到不锈钢等一系列钢种，这些钢的组织及性能(xngnng)有更大的变化，可适应许多场合。7/27/202211共五十九页结构钢：20Cr 40Cr 30CrNi3 40CrNi 45CrNi 弹簧钢：50CrNi 50CrVA渗碳钢：12CrNi2 12CrNi3 12Cr2Ni4 20CrNi3 轴承钢：GC

9、r15，G20Cr2Ni4 F/A不锈钢：1Cr17Ni7 1Cr18Ni9 0Cr19Ni9 00Cr19Ni11 1Cr18Ni12 0Cr13Ni13 0Cr25Ni20 M不锈钢：1Cr17Ni2 2Cr13 3Cr13 耐热钢： Cr30Ni20 2Cr23Ni13 2Cr25Ni20 1Cr16Ni35炉用耐热钢：1Cr23Ni13 1Cr23Ni18电热体用钢：Cr20Ni80 上述钢种，由于成分、组织的差异，性能有很大的不同(b tn)，应用于许多场合，但在化学成分上，却只有C-Fe-Cr-Ni，其中碳是易控制元素，其余皆为全保留元素，所以是值得研究的符合通用合金概念的合金体系

10、。7/27/202212共五十九页 作为合金的强化机制，常用的有马氏体相变及第二相的析出等相变现象，这些相变或析出现象受化学组成影响的程度比固溶强化作用更大，当偏离某一合金成分时，相变或析出现象有可能完全不发生。即合金行为对成分构成过于敏感，这将影响这些合金体系的工程价值。与此相反，固溶强化与合金组成的关系是比较平缓而连续的，再生循环造成的杂质(zzh)及合金元素量的变动对性能的影响较小，因此，固溶合金可以作为有前途的再生循环备选材料。固溶体成分(chng fn)（0-100；100-0）可连续转变示意图2.3 对组成变化不太敏感的合金7/27/202213共五十九页 以往在处理固溶合金问题时

11、，认为原子排列是完全无序的，但随着近年合金学的发展，发现在固溶体中存在短程有序结构。这种无序的不完全性有可能对以往的固溶强化现象产生影响，溶质原子分布的起伏未被定量地测定，也还没有找到适当的方法。因此，关于固溶合金结构与特性的关系，过去的认识尚不够充分。今后必须进行系统的研究，这是一个有可能发现材料科学新现象的领域。 作为处理这种短程有序固溶体问题的统计热力学理论，有集团变分法，已从理论上成功地导出了Ni-Al相图。但是，有关Ti、Zr等复杂结构现在尚不能定量计算。此外，用于这种计算的精确的原子间相互作用势的问题等等，都需要进一步研究。在实验(shyn)技术方面，也需要确立由X射线漫散射等方法

12、测定与评价固溶原子排列无序性的技术。固溶体的结构(jigu)与设计指导原则7/27/202214共五十九页关于合金元素的种类与含量对固溶合金无序性(或短程有序)的影响、冷却速度或热处理等制造及加工工艺的影响及其应用；通过采用集团变分法等统计热力学理论及X射线漫散射等测试(csh)技术实现固溶合金的结构控制；通过分析有序、无序性与物理、化学性能以及力学性能之间的关系来确定开发合金的指导原则。Au-Cu合金(hjn)的有序排列固溶合金研究开发的方向7/27/202215共五十九页 简单合金的设计原则可再生循环设计 在合金学中，通过添加合金元素的配比、晶粒度等微观组织的控制等，以谋求合金的高性能。但

13、在再生循环时，组成复杂，分选与分离就困难。 简单组成有以下含意: 使合金规格简单化，容易分选; 原则上不添加现在尚不能精炼脱除的元素。 所有的合金最终都要成为(chngwi)可再生循环设计的对象。这是因为考虑到对环境影响的大小，及其直接效应的大小，大量消费或大量生产的材料具有组成本来就不复杂的优点。所以，首先应该将大量消费的材料作为目标（目前虽然有许多成分复杂的新材料，但因用量少，未成影响环境的祸首）。 但是，环境材料也强调：单纯赋予材料以再生循环性还不能生产出支撑现代发达技术的材料，必须同时充分满足高强度、高可靠性、舒适性等方面的要求。另外，对于脱除元素的收集和再生循环利用也应在考虑之列。2

14、.4 简单(jindn)合金7/27/202216共五十九页 强韧微合金非调质钢 微合金化钢：（Micro-alloyed steel） 微合金化是一个笼统的概念，通常指在原有主加合金元素(yun s)的基础上再添加微量的Nb、V、Ti等碳氮物形成元素(yun s)，或对力学性能有影响、或对耐蚀性、耐热性起有利作用、添加量随微合金化的钢类及品种的不同而异，相对于主加合金元素(yun s)是微量范围的，如非调质结构钢中一般加入量在0.020.06%，在耐热钢和不锈钢中加入量在0.5%左右，而在高温合金中加入量高达13%。 微合金化钢首先限定在热轧低碳和超低碳范围，公认的基本属性： 添加的碳氮化物

15、形成元素，在钢的加热和冷却过程中通过溶解一析出行为影响钢的力学性能。 由于元素加入量少，强化机制主要是细化晶粒和沉淀硬化。 控轧控冷技术对微合金钢有重要意义。钢的微合金化和控轧控冷技术的结合是微合金化钢设计和生产的重要前提。 新型汽车钢材的开发(kif)遵循简单合金的原理7/27/202217共五十九页 非调质钢最早于1972年由德国蒂森特钢公司开发成功, 代表钢种为49MnVS3。由于其具有节能、节材和降低成本的优点, 得到了迅速发展及推广, 尤其在汽车工业中获得广泛应用。近几年对日本、德国、 瑞典大量用非调质钢制造汽车零件。据统计目前除少数高性能赛车外, 几乎80%以上的汽车曲轴锻件均采用

16、非调质钢制造。 我国在非调质钢的研制(ynzh)与应用方面取得了一系列成果; 近年来规模化、批量地将非调质钢及其控锻-控冷技术应用到实际生产, 已建立了相应的控制冷却生产线，分别用以生产轿车曲轴、连杆。产品质量和性能稳定, 取得显著的经济、社会效益。近年来随着计算机技术、控制技术、传感技术及精密测量技术等当代高科技与传统钢铁工业、制造业的结合, 微合金钢的开发应用获得了新的进展, 除汽车工业外, 应用范围涉及到建筑用材、重型工程结构(起重机、载重车辆)、高压输送管道、桥梁、高压容器、集装箱、船舶等。而这些用途钢材一般占社会对钢材总需求量的60%左右。所以非调质钢应用前景广阔, 是现代钢铁工业中

17、的主力产品之一。 微合金非调质钢的发展(fzhn)应用现状与趋势7/27/202218共五十九页依据数据库的柔性材料(cilio)生产技术 37/27/202219共五十九页 3.1 材料性能预测数据库 计算机可以进行辅助材料预测技术，特别是将一些理论上暂时不能解释的现象提取模型(mxng)后，可以方便地数值化，并成功地制造出高性能材料。 当用户在预定某一性能的材料时，生产厂家的材料技术人员能在考虑： 再生循环； 节约稀有金属的基础上；选择化学组成；设计制备工艺；并组织生产。 关键是材料成分、工艺与性能的数据库的建设。7/27/202220共五十九页 在此过程中的材料科学现象有: 在加热炉中高

18、温相奥氏体晶粒的长大规律及均匀化程度控制; 冷却过程中由奥氏体向铁素体、珠光体、贝氏体以及(yj)马氏体的相变（CCT图）主要涉及冷却过程（控冷）; ( 控轧): 热轧过程中加工硬化及其回复、再结晶; 随盘卷时的温度不同而发生析出或低温相变等 当上述综合定量预测研究成果付诸应用实际生产的时候，将进一步认识到基础理论研究与实际应用相结合的重要性。 今后的研究课题 一些已模型化、数值化的而又含意模糊的或不理想的部分，期望将来基础理论发展后再给予替换或修正。7/27/202221共五十九页在钢材的组织控制技术方面取得显著进步 控冷控轧，与连铸连轧相结合，形成(xngchng)了钢铁柔性热轧生产线，实

19、际上就形成(xngchng)了计算机辅助材料生产技术。 在目前连铸连轧技术下，有可能实现同一成分，通过控制冷却控制轧制得到不同性能的材料。例如： 如图所示，用转炉熔化的（100t左右）钢水被连续浇铸，在适当的长度切断送入加热炉。其后经几次轧制延伸变细变薄，冷却后盘卷。3.2 柔性（Flexible）轧钢生产 一种(y zhn)成分，多种产品7/27/202222共五十九页3.3 发展趋势3.3.1 根据热力学和反应动力学，将上述许多现象综合归纳成理论上可以计算的模型，从而预测最终的微观(wigun)组织(组织预测)。 过去有关钢铁的丰富的研究积累以及热力学数据的整理是很重要的。其他新材料的研制

20、也必须从整理这些数据的实验开始做起。3.3.2 由预测的微观组织和化学成分推断出材料的各种力学性能。 关于强度及延伸率，人们已作出了推断各个数据之间相互关系的回归公式，需要进一步考虑的方法：应力-应变曲线，这是最简单明了表示形变特性的基础，据此可以综合、系统地推断材料的各种力学性能(性能预测)。7/27/202223共五十九页3.3.3 综合上述基本要素，建立预测模型。 从而，不用做实验就可以预测一定化学成分的钢水(gngshu)，在给定的条件下轧制、冷却，能得到特定性质的钢材。根据用户定货要求将同一炉钢水(gngshu)（一个成分）在中途改变轧制、冷却工艺从而实现小批量多品种（flexibl

21、e）生产。 最终，根据用户预定的材料的实际特性，反馈过来后，进一步修正化学成分和制备条件，由此可以在节省资源和节能的同时，通过尽可能单一组分化而提高废旧钢铁的再生循环利用效率。7/27/202224共五十九页材料复合技术与再生循环(xnhun)设计47/27/202225共五十九页4.1 复合材料的环境材料化变革 复合材料是具有特殊综合性能的材料新技术，但从循环经济来说，它有许多不利。 要充分满足高强度、高可靠性等方面的要求，只从成分组成方面赋予材料以使用性能还不能生产出支撑现代发达技术的材料。一般而言，仅从材料成分来说，强度和延性(ynxng)、韧性，强度和其他的物理性能(减振性、导电性等)

22、难于兼容：强度越高越脆，强度越高电导率越低。要想在同一材料上使难以兼容的性能共存，只有采用“复合化”设计才能实现。然而，传统的复合材料是通过将不同的材料组合起来，利用组合材料各自所具有的性能，这与简单组成和易解体结构的再生循环要求是违背的。7/27/202226共五十九页 从环境材料出发，复合材料设计应有如下考虑，即: 强度(也包括疲劳强度等)，韧性（或其他需要复合的性能）体现复合的优势先进性； 组成简单化，易解体结构环境协调性; 功能兼容，或更多功能性维持原设计思想舒适性。 所以，在环境材料设计思想中，对复合材料提出了“可再生循环复合”这一变革。即合金是简单组元的情况下也有可能通过(tngg

23、u)工艺控制来自由地构造它的组织和结构。7/27/202227共五十九页4.2 双相钢符合复合材料概念 双相钢，是通过（控冷控轧）工艺控制使铁素体与马氏体这两种不同的相交替共存。与回火马氏体钢相比，在同样的强度下，其延性可得到大幅度改善。这种双相钢已被成功地用于某些原来使用回火马氏体钢的部件。在合金尤其是钢铁中有可能(knng)相当自由地实现对多相组合的控制。7/27/202228共五十九页 众所周知，不用合金化而用细化晶粒的办法也可以强化金属，此外同时(tngsh)应考虑： 超细化； 多相共存时各相的比例； 形状和分布状态等等对强度、延性、韧性、疲劳强度等力学性能和导电性、减振性等物理性能都

24、有很大影响，因此用这种方法研究开发出可再生循环、高性能合金的可能性是很大的。7/27/202229共五十九页材料(cilio)的长寿命化设计57/27/202230共五十九页5.1 材料的长寿命化与减轻(jinqng)环境负荷 再生循环是一种将资源长期、充分使用的一种手段。但也可以通过延长材料的寿命得以解决。7/27/202231共五十九页 材料(cilio)的长寿命化是实现“节能减排”、“可持续发展”的最容易理解的方略。 在满足构件使用性能（强硬度与塑韧性基本属性）的前提下，影响材料使用寿命的主要考虑（消耗性指标下列任一情况的发生都将导致零件寿命的终结）： 耐磨性 硬度/磨损机制 表面强化

25、耐蚀性 （化学）环境/温度 表面涂层 耐疲劳性 交变载荷类型/环境 防止裂纹(li wn)起源 耐蠕变性 温度/应力 正确的合金设计7/27/202232共五十九页 许多材料，由于在高温下使用，会产生(chnshng)通常在室温情况下不成问题的蠕变现象。 蠕变是在高温条件下，材料在一定的外力作用下随着时间的推移慢慢地产生变形，直至最后发生断裂的一种现象，如图所示。蠕变强度意味着在相同的温度和应力条件下，具有较长的蠕变断裂寿命者。 现有的火力发电设备，一般发电效率充其量不过 40%左右。为了提高发电效率，就需要开发可在更高的蒸汽(zhn q)压力和温度条件下服役的耐热金属材料。5.2 省合金化设

26、计理念与高温强度特性7/27/202233共五十九页 通过添加各种合金元素、调整化学成分和通过热处理控制微观组织形态，可开发多种具有优异蠕变性能的高温耐热合金材料。省合金化发电设备(shbi)和化学设备(shbi)中使用的从低合金0.5钼钢到高合金12Cr1Mo1W0.3V钢等10种实用铁素体耐热钢的蠕变特性7/27/202234共五十九页 图中横坐标Larson-Miller参数是温度和蠕变断裂寿命的函数，其数值越大，意味着蠕变强度特性越好。在高应力区，数据分布范围宽，依钢种不同，蠕变断裂强度相差很大，最强的钢和最弱的钢的蠕变寿命相差达数万倍。这说明通过添加合金元素和热处理等，可以大幅度改善

27、蠕变强度。 但在低应力区，所有的数据收敛于狭窄的范围内，表明钢种间的蠕变强度差有减小的倾向。由此可知，在相当于设备实际服役条件，即低应力长时间条件下，钢种间的差别没有高应力短时间那样大。 这种现象可用“基体蠕变强度”概念来解释。因短时蠕变强度因钢种不同而有较大差异，故可以通过添加合金元素和控制微观组织形态来提高蠕变强度。可是由于微观组织在高温下不稳定，随着时间的延长，其组织形态逐渐变化，从而引起蠕变强度的降低。因此，在高应力区的短时一侧，蠕变强度大的钢种之间的差别，随着向长时间侧的推移(tuy)而缩小。7/27/202235共五十九页高温耐热合金可以得出以下的设计准则： 1，对基体蠕变强度水平

28、即可满足使用要求(yoqi)的构件，在进行材料设计时，只添加为了发挥基体蠕变强度所需的最低限度的合金元素，此即所谓省合金化概念。 2，对于要求高于基体蠕变强度水平以上的高强度构件的材料设计，不仅要考虑短时蠕变强度特性，而且要在着眼于获得长时强度稳定性的同时，从材料高强度化所引起的环境负荷增大与由于使用材料时提高效率、延长使用寿命带来的环境负荷减轻这两方面的效应是否平衡的观点进行评价。 为了改善材料的环境平衡，必须将上述省合金化的概念和准则及重视材料长期稳定性的评价方法引入到材料设计之中，依此为指导思想推进材料的环境材料化。7/27/202236共五十九页5.3先进陶瓷材料的长寿命化不太受资源制

29、约的先进陶瓷 陶瓷是地球表面含量丰富的硅、铝、镁等元素的氧化物、碳化物、氮化物，是受资源制约小的高克拉克指数(Clark Number地壳中元素丰度)材料。与金属、高分子相比的陶瓷，化学性质很稳定，即使在高温和腐蚀极限环境中也可以保证部件的长寿命。 陶瓷具有高强度、高硬度、高熔点等特点，作为耐热结构材料被广泛利用。例如，燃烧气体温度在1000C以下的汽车涡轮充电器，用氮化硅制作的部件在80年代中期(zhngq)就已应用。还有，汽车发动机，发电用陶瓷燃气轮机等的研究开发正在向着实用化方向努力。主要部件用SiC、Si3N4制造的、燃烧温度1350C级的陶瓷燃气轮机热效率可达42%。但是，由于发电站

30、及飞机的燃气轮机的热效率随燃烧温度的上升而提高，因此，今后必然会从实现燃烧温度1500C级的燃气轮机或燃烧温度达2000C的燃氢发动机，进行超高温材料为目标的开发。7/27/202237共五十九页 将陶瓷作为高温发动机部件的尝试以欧美70年代的研究计划为开端，自此之后，陶瓷材料的性能不断提高。氧化物系陶瓷室温强度超过了2000MPa，氮化硅的临界使用温度以1200C为目标，但近年已开发出了耐热温度高达1400C的材料。 碳化硅到1600C时高温强度不降低，但到2000C附近，非氧化物陶瓷达到其抗氧化性的临界点，因此，需要采用(ciyng)氧化物系陶瓷。 以高温结构陶瓷长寿命为目标的材料设计，其

31、第一阶段是搞清控制材料性能的因素。影响陶瓷机械性能的三大因素: 1)抗氧化性; 2)晶界滑移(hu y)和气孔; 3)断裂韧性。7/27/202238共五十九页提高抗氧化性能固体的热力学稳定性(蒸发(zhngf)和分解)决定物质的极限使用温度。ZrO2的临界温度是2500C，Al3O2是2072C。氮化硅没有氧化物稳定，在大气中从表面开始发生的氧化反应如图所示氮化硅的氧化机制 在氮化硅晶界上有一层薄的氮氧化物玻璃相，它是氧化反应时向烧结体内部扩散氧的通道，并且，玻璃相自身蒸发会引起沿晶界的龟裂。如果能通过控制组分(zfn)提高氮氧化物玻璃相的抗氧化能力，那么，预计氮化硅的理论耐热临界温度可达到

32、1500C的水平。 碳化硅由于氧化，在表面形成一层SiO2薄膜，起到阻止进一步氧化的保护膜的作用。但在1600C以上时，由于发生释放CO气体的氧化反应，导致SiO2膜发泡而使保护层破坏，从而加速氧化过程的进行。7/27/202239共五十九页防止晶界迁移和空洞在高温、应力条件下，多晶体由于晶界迁移而产生空洞。晶界存在玻璃相时氮化硅的高温破坏(phui)模型： 随着晶界迁移，在三叉晶界处发生应力集中，由此产生空洞的核心，而空洞的连细则导致(dozh)微裂纹生长，主裂纹与裂纹前沿的微裂纹的连结导致(dozh)裂纹进一步扩展。7/27/202240共五十九页 陶瓷在高温、高压下的缓慢破断，可以用内部

33、裂纹的缓慢生长(S.C.G.)来说明。裂纹扩展速度(V)和应力强度因子(KI)间有下式关系: V=AKIn 式中n是指数。当达到产生裂纹的临界裂纹长度时，将发生断裂。断裂所需要的时间可以通过这个基本公式计算，因此(ync)可以进行部件的寿命预测。另一方面，在更高温度、低应力下的破坏一般认为受空洞产生的内损伤积累的控制，而内在裂纹的扩展则是相对次要的原因。7/27/202241共五十九页设想的热压氮化硅的断裂原理图。表示非断裂区域(qy)和蠕变断裂区域(qy)(由内部损伤积累控制的破坏)边界的实线，对应于l万小时的安全寿命。 金属材料和陶瓷高温断裂机理的重要区别在于，伴随空洞生长而引起的周围晶体

34、的变形机制不同。在金属当中，通过位错攀移引起晶粒变形，可以调节空洞的长大，因此，空洞生长和母体材料的蠕变有关。断裂寿命(shumng)(tf)和最小蠕变速度（）之间遵从Monkman-Grant法则，即: tf = MG 式中MG 是临界应变。与金属相比，陶瓷中晶粒自身难以变形，然而单轴拉伸试验获得的蠕变断裂数据可知，氮化硅的断裂寿命也可以用Monkman-Grant法则很好地描述。7/27/202242共五十九页 在超细微粒陶瓷中发现的超塑性现象，在认识陶瓷的高温断裂和变形机制方面带来了新的观点。由于在超塑性状态下，伴随晶界迁移导致的孔洞形成和裂纹扩展被抑制了，因此，超塑性陶瓷才有可能产生达

35、百分之几百的变形而不发生断裂。 由于原料中含有微量氧化硅和金属(jnsh)杂质，所以在多数陶瓷的晶界上存在厚约l nm的玻璃相。比如氮化硅，当作为烧结助剂添加金属(jnsh)氧化物时，工艺过程中残留的玻璃相将聚集于三叉晶界处。陶瓷的高温机械性能与时间有关，并受玻璃相的粘度控制，而玻璃相的粘度随玻璃相的化学组成和结构发生显著变化。作为烧结助剂添加的稀土元素离子半径越小，则氮化硅的高温强度越高，这一点已经被人们所认识。 之所以如此，是因为玻璃相中的稀土元素离子和氧离子的结合强度与离子周围的电场梯度有关，从而提高了玻璃相的耐热性能。另外，通过热处理使晶界玻璃相晶化，是提高陶瓷高温强度的有效方法。7/

36、27/202243共五十九页提高断裂韧性 未来陶瓷材料的开发方向，可从过去50年耐热合金开发的历史中得到启示。在普通的铸造合金中，很难避免多晶晶界和空洞导致的高温强度下降。为了减少有害的晶界，开发了用定向结晶控制合金和单晶合金制造的涡轮叶片。如果陶瓷也能制造出单晶部件，一定会发挥出更优异的高温特性。然而，陶瓷单晶在室温时承受解理断裂破坏的能力弱是一个(y )问题。 作为工业材料的结构陶瓷，其最大的课题是提高室温断裂韧性。与陶瓷同样存在脆性问题的金属间化合物，通过添加微量元素控制晶界的电子结构以克服晶界脆性，改善其室温延性。作为陶瓷弱点的解理脆性，其本质源于原子间的结合，正因如此，解决起来更加困

37、难。7/27/202244共五十九页 提高陶瓷韧性的实际方法(fngf)是通过控制多晶体的界面结合力以追求强韧性，为此所采取的微结构控制技术可例举如下: 1)自生ln-Site复合材料; 2)长纤维强化复合材料; 3)纳米复合材料。 使长柱状-氮化硅晶粒在氮化硅基体中长大的自生复合材料，其强度和断裂韧性都比原来的材料成倍增加。作为进一步提高韧性的途径，长纤维强化复合材料是很有希望的。人们期待开发出以氮化硅、碳化硅为基体的、性能更加优异的长纤维强化复合材料。7/27/202245共五十九页陶瓷长寿命化的梦想 构成地球的岩石可以说是巨大的陶瓷，数万年以来它仍能在通常的环境下稳定存在。发电站设备的使

38、用时间充其量几十年，而涡轮机部件在1000C以上的苛刻环境下使用。如果(rgu)能实现陶瓷的长寿命化，那么可以使用几代人的超高温燃气轮机也就不再是个梦想了。7/27/202246共五十九页陶瓷耐热涂层材料的开发 近来，人类消费的能量日益增加，大量消费有限的地球资源带来了温室效应等现实的地球环境问题。作为解决这个(zh ge)问题的一个方向，人们尝试通过开发耐热材料等途径实现机器的长寿命和高性能化，以谋求节省能源、节省资源。随着能源产业、宇航产业等领域日趋高温化的趋势，从耐热性、耐高温腐蚀性、耐高温摩擦性等方面，对开发新型耐热材料提出了更为迫切的要求。 作为结构材料所要求的主要性能有强度、弹性、

39、断裂韧性等，从有效利用能源的角度考虑，还要求优异的耐热性能。7/27/202247共五十九页 一般，金属材料具有优良的机械性能，而将耐热性好的陶瓷用作结构材料的研究现在很盛行。尽管近年来关于陶瓷的研究开发取得了显著结果，但对作为结构部件材料的实用研究尚未取得大的进展，这是由于(yuy)陶瓷存在成本高、缺乏延展性、脆性大以及机械性能分散性大等问题的缘故。 由于单一材料不能同时满足机械性能和耐热性能两方面的要求，所以，灵活运用金属材料和陶瓷材料特性的复合材料得到人们的重视。 这就是:作为提高材料耐热性、耐蚀性和耐磨性等性能的方法，人们尝试开发在机械性能优良的金属材料表面涂覆一层耐热性能优异的陶瓷材

40、料的复合技术(陶瓷涂层)。陶瓷涂层的断面构成和内部各种性能变化的示意图：7/27/202248共五十九页 6对材料热处理工艺技术发展(fzhn)的影响7/27/202249共五十九页6.1 生态设计要求在材料工程中贯彻节能、环保、节约资源的原则，由此诱导材料热处理工艺技术的四大发展趋势 复合热处理提高热处理效率，直接-间接法 精密热处理提高产量质量(zhling)和档次，间接法 节能热处理减少能源消耗 修复热处理减少不可再生资源的消耗量，长寿命法则的另版7/27/202250共五十九页6.2 简约热处理：以非调质(dio zh)钢为代表 有利于再生循环的新型结构钢非调质钢的应用不断增加，并可实

41、现制造过程的大量节能。 (1)普通用钢，用于不需感应加热淬火的零件。主要(zhyo)用于引进汽车国产化生产用钢。这些钢要控制的元素种类多、范围窄，对由于考虑再生循环而被视为残余元素如Cr、Ni、Mo的控制很严。35MnV为基本钢号。 (2)感应加热淬火用钢，这种钢的碳含量较高，以保证表面淬火硬度。如40MnV用于制造汽车半轴、花键轴等；48MnV用于制造发动机曲轴。 （3）热锻空冷低碳贝氏体钢，如12Mn2VB，也是有前途的新型钢材，有的将其归入另一类非调质钢。7/27/202251共五十九页6.3 兼并(jinbng)热处理：BH（Baking Hardening）钢板 BH（Baking

42、Hardening）钢板，即烤漆硬化钢。 圆满地解决了汽车抗凹陷性和生产过程中成型性对屈服强度不同要求的矛盾，同时将热处理时效处理与烤漆合二为一。BH钢在交货状态屈服强度低，易于成型，而当零件进行烤漆时，所处温度相当于高温时效，硬度升高可达40MPa以上，既简化工艺，又节省能源，而且也易于再生(zishng)循环。这实际上也是微合金化在结构钢上开发的一个典范。7/27/202252共五十九页6.4 在线热处理： 现代化工业生产正在形成无人工厂、无光工厂，零库存生产，在线热处理的应用将越来越多： 在线热处理目前主要应用于原材料生产和一些特殊产品的生产上。如前述各种用途的钢材的在线控制冷却技术；载

43、重车辆用螺旋弹簧的在线感应调质热处理；石油工业用焊管的焊缝热处理；时速300公里的高速铁路钢轨的热处理； 热处理质量的在线控制技术中温度、时间和炉气成分是最基本的控制参数。目前计算机控制的在线热处理线材已涉及(shj)几乎所有的碳素钢、低合金钢、微合金钢、易切削钢、弹簧钢等。7/27/202253共五十九页6.5 热处理设备的发展必须适应生态设计理念6.5.1热处理生产(shngchn)要求不断开发长寿命、清洁、高效、节能、精确的热处理技术和相应的设备，实现优质高效低消耗的生产(shngchn)，不断节约能耗和资源、降低成本、提高劳动生产(shngchn)率，向热处理生产(shngchn)的零污染和质量的零分散度目标迈进。7/27/202254共五十九页6.5.2 少无氧化热处