第4章　世界性的课题及材料延寿工程技术

4.1　材料延寿是世界性的共同课题

18世纪，锅炉钢的出现推动了蒸汽机的规模化生产，推动了第一次工业革命，给人类提供了巨大的物质文明。但是，越来越多的蒸汽锅炉爆炸事件，让人们提心吊胆。同时，更广泛的材料及制品服役环境下的腐蚀、老化、磨损和断裂，导致重大灾难性事故，带来巨大的经济损失和人员伤亡。以下仅举几例世界最悲惨重大灾难性事故。

（1）两次美国航天飞机爆炸。“挑战号”是由于助推火箭筒节与节之间的橡胶密封圈遇冷环境冷缩失弹，密封性能降低，导致火苗蹿入以致爆炸。“哥伦比亚号”返航时爆炸，是为给密封圈保温增加的海绵保温套在发射中脱离掉块，击破高温保护防热瓦，使飞机左翼高温保护失效，在高温作用下发生瞬间熔化，引发事故，造成机毁人亡，总损失大约2000亿美元。

（2）前苏联切尔诺贝利核电站核泄漏，宣布为“控制棒设计不当”，控制棒腐蚀或控制棒受热变形而引发的失效。造成损失是：估计因癌症死亡约12万5千人，清理、补偿费用2000亿美元，乌克兰广大地区受污染，170万人受到直接影响。

（3）英国在美国阿拉斯加油田因输油管道发生腐蚀，造成漏油26.7万多加仑，污染了1.9英亩土地，清理费用达600万美元；英国在墨西哥海湾的石油钻井，因向油井套管灌入水泥量过少，强度不足以平衡地平压力，而引发井喷平台爆炸起火，燃烧历时3个月，原油污染达150万平方公里，经济损失以数千亿美元计。

（4）世界上最大的法国帕尔珀·阿尔法石油钻塔，应定期检查、更换的100个液化气安全阀中漏换了1个，导致气泵泄漏着火爆炸。90多米高钻塔被大火吞没，167名工人遇难，损失34亿美元。

（5）俄罗斯“质子-M”火箭发射后在垂直上升阶段偏离轨道坠落爆炸，携带的3颗“格洛纳斯-M”导航卫星随之损毁。为避免有毒液体推进剂泄漏，发射场关闭。另一枚“质子-M”火箭未能将3颗“格洛纳斯-M”导航卫星送入轨道。还有Geo-IK-2军用卫星发射失败、号称俄罗斯最先进的“Express-AM4”通信卫星升空失踪、Soyuz-U火箭的发动机意外熄火。M-12M货运飞船无法进入国际空间站轨道，和一颗军用通信卫星坠毁在西伯利亚。

材料是物质，材料制作成制品仍然是物质。物质一个本质的特性是受各种环境作用，会产生腐蚀、老化、磨损和断裂而导致失效、破坏以至酿成严重事故，这是材料的共性问题。因此，研究预防和控制这个共性问题的发生和发展，就成了世界性的共同课题。

人类正是在总结这些事故惨痛的教训中，推动了材料延寿的萌生和发展。1862年，英国建立了世界上第一个蒸汽锅炉监察局，对蒸汽锅炉材料、结构进行检测，并把失效分析作为仲裁事故的法律准则和提高产品质量的技术手段。使锅炉钢得到不断改进和提高，形成了当今安全运行、可靠、经久耐用的锅炉钢系列。在人类漫长的发展过程中，提高材料制品使用安全性、可靠性、延长使用寿命越来越成为广泛共识，实践越来越自觉、有效。1948年美国设计制造的B-52H型大型战略轰炸机，已经使用半个多世纪，还没有淘汰，还在通过“再制造”提高其使用可靠性、安全性和使用寿命，现在计划还要延长到2030年。军用设备尚且如此，何况民用设施。这就不断推动、成就了材料延寿科学技术的研究与发展。

4.2　材料延寿工程技术和措施

4.2.1　材料失效预防、控制系统工程

材料及其制品的材料选用、结构设计、生产制造以及储存、运输和使用全过程、全方位、全员参与的失效预防与控制系统工程，要求设计合理选用耐环境抗力材料；实施合理的结构设计（环境密封设计，预防与控制腐蚀、老化、磨损和断裂失效设计，不同金属接触偶设计，预防应力集中设计等）；采用表面工程技术等提高使用可靠性和耐久性的设计；实施保证设计方案的制造，不损伤材料或结构性能；使用维护保养工程严格执行设计“使用维护”要求，并定期向设计、制造部门反馈可靠性和耐久性的信息。这在我国已应用于军用飞机设计、钢结构大桥使用寿命设计、埋地管线和大型建筑工程设计，取得了可观的延寿效果。大力推行失效预防与控制系统工程是极其有效的延寿措施。

4.2.2　表面工程技术

表面工程是利用表面改性技术、薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望拥有的性能的系统工程。表面工程的基本特征是综合、交叉、复合、优化，它以材料的“表面”为研究对象，以改变表面的成分、形态、结构与组织为条件，以改变其力学性能、电磁性能、光学性能、耐蚀性能、摩擦学性能和装饰性能为目的，提高产品的腐蚀抗力、疲劳抗力和摩擦副的匹配能力，显著提高材料制品使用可靠性、装潢性、安全性、经济性和耐久性。

腐蚀从表面开始、摩擦在表面进行、装潢在表面展开，疲劳寿命因表面完整性的提高而延长，所以，表面是产品设计首要和必经的内容。任何产品或工程项目在进行设计和制造的同时，必须进行表面的设计与制造，即将材料表面与基体作为一个整体系统进行设计与制造，可以明显提高可靠性，延长材料使用寿命。例如，“西气东输”天然气输送管道，在管道运行路线设计和材料选用的同时，进行“表面涂层系统和阴极保护”的设计与施工，确保服役安全与使用寿命。又如，钢结构大型桥梁、国家体育馆、国家大剧院及毛主席纪念堂等大型建筑建造的同时，“表面设计”都已经进入其设计与制造工程之中。

4.2.3　表面完整性技术

表面完整性就是材料表面不存在微观的隐含的缺陷与瑕疵。表面不完整性来源于：铸造孔洞、裂纹、残缺与夹杂；锻造裂纹、折叠、流线不完整；热处理脱碳、过热、过烧、组织不均匀、淬火裂纹；机械加工导致的拉应力、烧伤和裂纹；焊接裂纹、残余应力；涂镀覆层的微观裂纹、残余应力、改性层厚度和组织的不均匀等。此外，在服役过程中，构件表面与外界环境相接触不断发生的腐蚀、氧化、磨损或微裂纹。这些缺陷形成的表面不完整性，在结构件受力的情况下，会造成构件承受应力的不均匀性，表现为表面拉应力、扭应力、应力集中等受力的差异，引发疲劳性能下降，降低材料机械疲劳、腐蚀疲劳和应力腐蚀的抗力。

表面完整性技术就是通过现代加工技术，例如精密铸造技术、精密锻造技术、精密热处理技术、热等静压技术、广义表面改性技术（表面形变强化技术、表面相变强化技术、表面成分改变强化技术和涂镀膜层技术等）、表面应力分析与避免应力集中设计等来提高材料制件的表面完整性，提高其抗疲劳、抗腐蚀、抗磨损能力，显著提高材料使用可靠性，减少事故的发生，延长材料使用寿命。

4.2.4　腐蚀控制技术

在服役环境作用下，材料的腐蚀是最普遍最常见的失效模式，包括：①金属腐蚀中的均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢脆、磨蚀、腐蚀疲劳及高温腐蚀等；②高分子材料老化中的塑料、橡胶的降解、肿胀、鼓泡、开裂等；③无机非金属材料退化中的风化、退色、粉化等。

腐蚀控制技术包括：①研究、开发和选用在该环境条件下耐腐蚀性能好的材料；②采用密封设计控制有害环境的进入；③采用合理的结构设计，避免进入和排除侵蚀介质、避免不同金属的接触腐蚀、回避结构件的受力不均匀性，尤其防止应力集中；④采用阴极保护设计，以牺牲阳极保护主要结构件的使用寿命；⑤采用表面工程技术，提高其服役环境的抗力，满足各种性能要求，延长使用寿命。

4.2.5　表面耐磨、减摩和润滑技术

凡是有相对运动的地方就存在摩擦与磨损、失效。材料作为摩擦副物质构件在摩擦学系统中服役时，在摩擦副的配副接触表面之间相对运动、相互作用，产生摩擦表面材料的磨损、损耗。统计表明：摩擦消耗掉全世界1/3的一次能源。约有80％的机器零部件都是因磨损而失效。50％以上机械装备的恶性事故都起因于润滑失效和过度磨损。

摩擦学设计和利用耐磨、减摩、润滑技术以控制、减少磨损，其控制技术、措施包括以下几方面。

（1）正确选择摩擦副材料。根据不同磨损类型设计来选择耐磨损合适的摩擦副材料。

（2）采用先进的润滑材料及技术。润滑材料有：润滑油脂类、固体润滑涂层材料、气相沉积润滑和耐磨薄膜、类金刚石硬质耐磨薄膜和金属基聚合物、陶瓷基自润滑复合材料及自润滑滑动轴承，最新、最先进的新型合成润滑油和固体非油脂特种润滑技术，以及分子级纳米润滑技术和纳米润滑材料。

（3）摩擦表面改性技术。即表面形变强化（包括喷丸、滚压、挤压等）、表面热处理（感应、火焰、激光加热表面淬火）、表面化学热处理（渗碳、碳氮共渗、氮化、软氮化、渗硼、渗硫等多元共渗，碳化物覆盖、离子注入等）、表面涂层和表面热喷涂等技术。

（4）金属及非金属耐磨、减摩材料设计技术。形成摩擦表面保护膜、均匀摩擦压力、散失摩擦热、防止磨屑、磨粒、灰尘和杂物进入。

4.2.6　暂时性保护技术

金属材料从原材料到产品退役的整个过程，都要遭遇制造环境、自然环境和运行环境的作用，金属材料在每个环节都会生锈，引发事故，成批的导弹生锈不能出厂；美国海运至越南武器电子元器件、线路腐蚀、长霉而损坏失效，电子设备月损坏37％；我国库存武器腐蚀、老化、脆断、开裂，17.3％装备不合格，甚至大部分报废。

采用防锈油、防锈脂、气相防锈材料（纸）处理称为暂时性保护技术，即采用这些防锈材料进行防腐蚀包装、防潮包装，投入使用运行时，需要将包装和防锈油脂去除。

防锈、封存与包装材料技术包括以下几方面。

（1）防锈切削液。在金属零部件切削加工中起防锈、冷却、润滑、清洗和防护作用。

（2）防锈油脂。有溶剂型防锈油、石油油脂型防锈油、置换型防锈油和钢丝绳表面防锈脂等。

（3）气相防锈包装材料。有多功能通用气相防锈剂、高效低毒气相防锈剂、混合型多组分气相防锈剂、气相防锈膜和气相防锈涂料。

（4）固体防锈薄膜。专门用于电子电器接插件、电接触件防锈、润滑、耐磨和导电的电接触固体薄膜保护剂。

4.2.7　材料检测技术的研发和应用

设计、选材和制造是产品研制生产的三大技术环节，检测技术是这三大技术环节的支柱。正如师昌绪院士所说：“设计是灵魂、材料是基础、工艺是关键、检测是保证”。

贯穿全过程的检测内容包括：材料全面性能数据；自然环境作用下退化和变质的数据；各种环境作用下使用可靠性、安全性和耐久性的适应性评估；材料损伤、变质及出现事故的检测、评价；材料制件模拟试验的检测。其检测技术有以下几种。

（1）分析化学技术。探索材料成分、组织、结构、缺陷及其对材料物理、化学、力学行为的影响。有化学分析和仪器分析；无机分析和有机分析；定性分析、定量分析和结构分析；常量组分、微量组分和痕量组分分析；例行分析和仲裁分析等。

（2）物理检测技术。是利用材料的物理、化学、电子特性，进行组织形貌观察、晶体结构确定、化学成分分析检测和表面纹理、表面冶金质量检测。

（3）力学性能表征与寿命预测技术。包括材料静强度试验、冲压试验、扭转试验、持久或蠕变试验、疲劳试验及多功能高度集成试验。

（4）无损检测技术。发现材料及结构表面或内部缺陷和异常状态，评价质量或损伤程度的无损检测技术。常用的有超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测、红外热像检测和激光错位散斑检测。

4.2.8　材料性能与自然环境适应性数据的积累

材料性能测试内容广泛，例如铸造高温合金的性能测试包括：①金属化学成分的测定，主量、微量和痕量元素的分析、调整与定型；②物理性能、数据测试，包括合金密度、热导率、热扩散率、线膨胀系数、电阻率等；③化学性能，包括高温抗氧化性能与抗热腐蚀性能；④力学性能，包括室温至高温拉伸性能、扭转性能、冲击韧性，硬度值，高温持久性能，高温蠕变性能，高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、热机械疲劳、疲劳蠕变交互作用、疲劳裂纹扩展速率、断裂韧度，弹性性能，模拟性能（叶片热冲击性能、叶片振动疲劳试验、叶片服役后的性能）；⑤工艺性能，包括铸造性能、焊接性能、涂层性能、机加工性能、热处理性能。

材料环境适应性基础数据技术研究的关键，是要保证材料（制品）在自然环境中腐蚀数据和基础性试验记录的准确性、可靠性、完整性。为此，材料环境适应性体系试验站网建设能覆盖各种环境，数据库技术队伍要稳定；测试设备精良；试验典型环境和材料种类齐全，测试项目完备；测试时间充分；测试数据精确、完整、系统。我国离上述要求相差甚远，如现用材料牌号在1万种以上，投入试验站的试样仅有353种，包含有效基础数据和可靠实用性能数据的《材料手册》和指导性指南，还不够多。

4.2.9　电子电器产品的环境适应性的实验与研究

电子电器产品的环境适应性就是其抵抗环境作用的能力，对其环境适应性与可靠性、耐久性的研究，称为环境工程，所涉及的内容包括环境测量和分析、环境设计和环境防护、环境试验和环境管理等。环境工程工作与上述产品的耐环境能力（环境适应性）与可靠性、耐久性密切相关，是设计和制造上述产品、满足环境和可靠性耐久性要求的基本保证。它包括：①研究产品现场环境，确定环境条件；②研究环境对产品的影响和失效机理，提出各种环境防护措施从而达到根据产品设计任务书和技术指标等初始资料确定产品寿命期，根据产品的任务剖面确定任务环境剖面，确定设计和试验用的环境条件。

各种装备（飞机、导弹、火车、轮船等）上所载电子电器设备无论多少，都必须保证满足环境适应性要求，都要在一定环境条件下考核和发挥其效能，都要通过环境适应性这一关来论证上述所提及装备的性能、可靠性、可维修性、生存性、电磁兼容性、安全性、保障性。这也就是电子电器产品的环境工程长期存在和发展的原因。

环境工程是可靠性工程的依据和基础，是提高产品环境适应性和可靠性、耐久性的重要环节。在产品设计中，为了保证产品能在使用环境条件下正常工作并且具有合同规定的可靠性与耐久性，必须首先了解产品的使用环境条件和环境设计要求，并根据这一要求对产品进行可靠性与耐久性设计，建立有效的科学与试验体系。

4.2.10　循环经济

循环经济是以资源高效、循环利用为核心，以“减量化、再利用、资源化”为原则，以低消耗、低排放、高效率为特征，对“大量生产、大量消费、大量废弃”增长模式进行的变革。循环经济主要是实施“减量化”“再制造”和再回收、再利用。

（1）中低档材料实施“减量化”。一是完成淘汰落后过剩产能计划。重点是完成国家“十二五”规划期间淘汰炼铁、炼钢、焦炭、铁合金、电石、电解铝、铜（含再生铜）冶炼、铅（含再生铅）冶炼、锌（含再生锌）冶炼、水泥（含熟料及磨机）、平板玻璃、造纸、酒精、味精、柠檬酸、制革、印染、化纤、铅蓄电池等19个重点材料行业落后产能目标。二是实行产品轻量化和包装简易化设计。

（2）推进“再制造”产业发展。实践表明：再制造、再利用成本仅为新品的50％、节能60％、节材大于70％。“再制造”在美国、日本、欧盟国家已经形成巨大的产业。1996年美国再制造产业涉及8个领域、46种主要产品，年销售额超过530亿美元，接近当年美国钢铁产业的年销售额560亿美元。

我国“再制造”正处于起步和试点阶段，在济南和上海两家企业汽车发动机推行再制造的基础上，2011年、2013年又分别批准了14家和28家企业入围“再制造”试点，并已列入军队和国家有关规划实施，不断发展、扩大。

大力发展并推广代表我国再制造技术水平的研究创新成果，主要有：热喷涂技术；自动化表面工程技术；纳米表面工程技术；再制造熔覆快速成形技术和应急维修技术。

（3）再回收、再利用、修旧利废。2000年我国达到标准应报废汽车210万辆，2010年前后年均汽车报废量在300万辆以上；电视机社会保有量达3.5亿台，冰箱、洗衣机、电脑、手机分别达1.3亿台、1.7亿台、2000万台、1.9亿部。自2003年，电冰箱、洗衣机、电视机年均报废量超过1500万台，有500万台电脑和上千万部手机进入淘汰期，修旧利废空间巨大。

中国工程院《废旧机电产品资源化》，提出电器再回收、再冶炼、再提炼、再利用，节约资源原则。国家组建了128个家用电器的分解拆卸工厂，支持全面综合利用，发扬我国“修旧利废”优良传统，实行畅通的“四再”修旧利废系统管理。