第4章　世界性的課題及材料延壽工程技術

4.1　材料延壽是世界性的共同課題

18世紀，鍋爐鋼的出現推動了蒸汽機的規?；a，推動了第一次工業革命，給人類提供了巨大的物質文明。但是，越來越多的蒸汽鍋爐爆炸事件，讓人們提心吊膽。同時，更廣泛的材料及制品服役環境下的腐蝕、老化、磨損和斷裂，導致重大災難性事故，帶來巨大的經濟損失和人員傷亡。以下僅舉幾例世界最悲慘重大災難性事故。

（1）兩次美國航天飛機爆炸?！疤魬鹛枴笔怯捎谥苹鸺补澟c節之間的橡膠密封圈遇冷環境冷縮失彈，密封性能降低，導致火苗躥入以致爆炸。“哥倫比亞號”返航時爆炸，是為給密封圈保溫增加的海綿保溫套在發射中脫離掉塊，擊破高溫保護防熱瓦，使飛機左翼高溫保護失效，在高溫作用下發生瞬間熔化，引發事故，造成機毀人亡，總損失大約2000億美元。

（2）前蘇聯切爾諾貝利核電站核泄漏，宣布為“控制棒設計不當”，控制棒腐蝕或控制棒受熱變形而引發的失效。造成損失是：估計因癌癥死亡約12萬5千人，清理、補償費用2000億美元，烏克蘭廣大地區受污染，170萬人受到直接影響。

（3）英國在美國阿拉斯加油田因輸油管道發生腐蝕，造成漏油26.7萬多加侖，污染了1.9英畝土地，清理費用達600萬美元；英國在墨西哥海灣的石油鉆井，因向油井套管灌入水泥量過少，強度不足以平衡地平壓力，而引發井噴平臺爆炸起火，燃燒歷時3個月，原油污染達150萬平方公里，經濟損失以數千億美元計。

（4）世界上最大的法國帕爾珀·阿爾法石油鉆塔，應定期檢查、更換的100個液化氣安全閥中漏換了1個，導致氣泵泄漏著火爆炸。90多米高鉆塔被大火吞沒，167名工人遇難，損失34億美元。

（5）俄羅斯“質子-M”火箭發射后在垂直上升階段偏離軌道墜落爆炸，攜帶的3顆“格洛納斯-M”導航衛星隨之損毀。為避免有毒液體推進劑泄漏，發射場關閉。另一枚“質子-M”火箭未能將3顆“格洛納斯-M”導航衛星送入軌道。還有Geo-IK-2軍用衛星發射失敗、號稱俄羅斯最先進的“Express-AM4”通信衛星升空失蹤、Soyuz-U火箭的發動機意外熄火。M-12M貨運飛船無法進入國際空間站軌道，和一顆軍用通信衛星墜毀在西伯利亞。

材料是物質，材料制作成制品仍然是物質。物質一個本質的特性是受各種環境作用，會產生腐蝕、老化、磨損和斷裂而導致失效、破壞以至釀成嚴重事故，這是材料的共性問題。因此，研究預防和控制這個共性問題的發生和發展，就成了世界性的共同課題。

人類正是在總結這些事故慘痛的教訓中，推動了材料延壽的萌生和發展。1862年，英國建立了世界上第一個蒸汽鍋爐監察局，對蒸汽鍋爐材料、結構進行檢測，并把失效分析作為仲裁事故的法律準則和提高產品質量的技術手段。使鍋爐鋼得到不斷改進和提高，形成了當今安全運行、可靠、經久耐用的鍋爐鋼系列。在人類漫長的發展過程中，提高材料制品使用安全性、可靠性、延長使用壽命越來越成為廣泛共識，實踐越來越自覺、有效。1948年美國設計制造的B-52H型大型戰略轟炸機，已經使用半個多世紀，還沒有淘汰，還在通過“再制造”提高其使用可靠性、安全性和使用壽命，現在計劃還要延長到2030年。軍用設備尚且如此，何況民用設施。這就不斷推動、成就了材料延壽科學技術的研究與發展。

4.2　材料延壽工程技術和措施

4.2.1　材料失效預防、控制系統工程

材料及其制品的材料選用、結構設計、生產制造以及儲存、運輸和使用全過程、全方位、全員參與的失效預防與控制系統工程，要求設計合理選用耐環境抗力材料；實施合理的結構設計（環境密封設計，預防與控制腐蝕、老化、磨損和斷裂失效設計，不同金屬接觸偶設計，預防應力集中設計等）；采用表面工程技術等提高使用可靠性和耐久性的設計；實施保證設計方案的制造，不損傷材料或結構性能；使用維護保養工程嚴格執行設計“使用維護”要求，并定期向設計、制造部門反饋可靠性和耐久性的信息。這在我國已應用于軍用飛機設計、鋼結構大橋使用壽命設計、埋地管線和大型建筑工程設計，取得了可觀的延壽效果。大力推行失效預防與控制系統工程是極其有效的延壽措施。

4.2.2　表面工程技術

表面工程是利用表面改性技術、薄膜技術和涂鍍層技術，使材料表面獲得材料本身沒有而又希望擁有的性能的系統工程。表面工程的基本特征是綜合、交叉、復合、優化，它以材料的“表面”為研究對象，以改變表面的成分、形態、結構與組織為條件，以改變其力學性能、電磁性能、光學性能、耐蝕性能、摩擦學性能和裝飾性能為目的，提高產品的腐蝕抗力、疲勞抗力和摩擦副的匹配能力，顯著提高材料制品使用可靠性、裝潢性、安全性、經濟性和耐久性。

腐蝕從表面開始、摩擦在表面進行、裝潢在表面展開，疲勞壽命因表面完整性的提高而延長，所以，表面是產品設計首要和必經的內容。任何產品或工程項目在進行設計和制造的同時，必須進行表面的設計與制造，即將材料表面與基體作為一個整體系統進行設計與制造，可以明顯提高可靠性，延長材料使用壽命。例如，“西氣東輸”天然氣輸送管道，在管道運行路線設計和材料選用的同時，進行“表面涂層系統和陰極保護”的設計與施工，確保服役安全與使用壽命。又如，鋼結構大型橋梁、國家體育館、國家大劇院及毛主席紀念堂等大型建筑建造的同時，“表面設計”都已經進入其設計與制造工程之中。

4.2.3　表面完整性技術

表面完整性就是材料表面不存在微觀的隱含的缺陷與瑕疵。表面不完整性來源于：鑄造孔洞、裂紋、殘缺與夾雜；鍛造裂紋、折疊、流線不完整；熱處理脫碳、過熱、過燒、組織不均勻、淬火裂紋；機械加工導致的拉應力、燒傷和裂紋；焊接裂紋、殘余應力；涂鍍覆層的微觀裂紋、殘余應力、改性層厚度和組織的不均勻等。此外，在服役過程中，構件表面與外界環境相接觸不斷發生的腐蝕、氧化、磨損或微裂紋。這些缺陷形成的表面不完整性，在結構件受力的情況下，會造成構件承受應力的不均勻性，表現為表面拉應力、扭應力、應力集中等受力的差異，引發疲勞性能下降，降低材料機械疲勞、腐蝕疲勞和應力腐蝕的抗力。

表面完整性技術就是通過現代加工技術，例如精密鑄造技術、精密鍛造技術、精密熱處理技術、熱等靜壓技術、廣義表面改性技術（表面形變強化技術、表面相變強化技術、表面成分改變強化技術和涂鍍膜層技術等）、表面應力分析與避免應力集中設計等來提高材料制件的表面完整性，提高其抗疲勞、抗腐蝕、抗磨損能力，顯著提高材料使用可靠性，減少事故的發生，延長材料使用壽命。

4.2.4　腐蝕控制技術

在服役環境作用下，材料的腐蝕是最普遍最常見的失效模式，包括：①金屬腐蝕中的均勻腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、氫脆、磨蝕、腐蝕疲勞及高溫腐蝕等；②高分子材料老化中的塑料、橡膠的降解、腫脹、鼓泡、開裂等；③無機非金屬材料退化中的風化、退色、粉化等。

腐蝕控制技術包括：①研究、開發和選用在該環境條件下耐腐蝕性能好的材料；②采用密封設計控制有害環境的進入；③采用合理的結構設計，避免進入和排除侵蝕介質、避免不同金屬的接觸腐蝕、回避結構件的受力不均勻性，尤其防止應力集中；④采用陰極保護設計，以犧牲陽極保護主要結構件的使用壽命；⑤采用表面工程技術，提高其服役環境的抗力，滿足各種性能要求，延長使用壽命。

4.2.5　表面耐磨、減摩和潤滑技術

凡是有相對運動的地方就存在摩擦與磨損、失效。材料作為摩擦副物質構件在摩擦學系統中服役時，在摩擦副的配副接觸表面之間相對運動、相互作用，產生摩擦表面材料的磨損、損耗。統計表明：摩擦消耗掉全世界1/3的一次能源。約有80％的機器零部件都是因磨損而失效。50％以上機械裝備的惡性事故都起因于潤滑失效和過度磨損。

摩擦學設計和利用耐磨、減摩、潤滑技術以控制、減少磨損，其控制技術、措施包括以下幾方面。

（1）正確選擇摩擦副材料。根據不同磨損類型設計來選擇耐磨損合適的摩擦副材料。

（2）采用先進的潤滑材料及技術。潤滑材料有：潤滑油脂類、固體潤滑涂層材料、氣相沉積潤滑和耐磨薄膜、類金剛石硬質耐磨薄膜和金屬基聚合物、陶瓷基自潤滑復合材料及自潤滑滑動軸承，最新、最先進的新型合成潤滑油和固體非油脂特種潤滑技術，以及分子級納米潤滑技術和納米潤滑材料。

（3）摩擦表面改性技術。即表面形變強化（包括噴丸、滾壓、擠壓等）、表面熱處理（感應、火焰、激光加熱表面淬火）、表面化學熱處理（滲碳、碳氮共滲、氮化、軟氮化、滲硼、滲硫等多元共滲，碳化物覆蓋、離子注入等）、表面涂層和表面熱噴涂等技術。

（4）金屬及非金屬耐磨、減摩材料設計技術。形成摩擦表面保護膜、均勻摩擦壓力、散失摩擦熱、防止磨屑、磨粒、灰塵和雜物進入。

4.2.6　暫時性保護技術

金屬材料從原材料到產品退役的整個過程，都要遭遇制造環境、自然環境和運行環境的作用，金屬材料在每個環節都會生銹，引發事故，成批的導彈生銹不能出廠；美國海運至越南武器電子元器件、線路腐蝕、長霉而損壞失效，電子設備月損壞37％；我國庫存武器腐蝕、老化、脆斷、開裂，17.3％裝備不合格，甚至大部分報廢。

采用防銹油、防銹脂、氣相防銹材料（紙）處理稱為暫時性保護技術，即采用這些防銹材料進行防腐蝕包裝、防潮包裝，投入使用運行時，需要將包裝和防銹油脂去除。

防銹、封存與包裝材料技術包括以下幾方面。

（1）防銹切削液。在金屬零部件切削加工中起防銹、冷卻、潤滑、清洗和防護作用。

（2）防銹油脂。有溶劑型防銹油、石油油脂型防銹油、置換型防銹油和鋼絲繩表面防銹脂等。

（3）氣相防銹包裝材料。有多功能通用氣相防銹劑、高效低毒氣相防銹劑、混合型多組分氣相防銹劑、氣相防銹膜和氣相防銹涂料。

（4）固體防銹薄膜。專門用于電子電器接插件、電接觸件防銹、潤滑、耐磨和導電的電接觸固體薄膜保護劑。

4.2.7　材料檢測技術的研發和應用

設計、選材和制造是產品研制生產的三大技術環節，檢測技術是這三大技術環節的支柱。正如師昌緒院士所說：“設計是靈魂、材料是基礎、工藝是關鍵、檢測是保證”。

貫穿全過程的檢測內容包括：材料全面性能數據；自然環境作用下退化和變質的數據；各種環境作用下使用可靠性、安全性和耐久性的適應性評估；材料損傷、變質及出現事故的檢測、評價；材料制件模擬試驗的檢測。其檢測技術有以下幾種。

（1）分析化學技術。探索材料成分、組織、結構、缺陷及其對材料物理、化學、力學行為的影響。有化學分析和儀器分析；無機分析和有機分析；定性分析、定量分析和結構分析；常量組分、微量組分和痕量組分分析；例行分析和仲裁分析等。

（2）物理檢測技術。是利用材料的物理、化學、電子特性，進行組織形貌觀察、晶體結構確定、化學成分分析檢測和表面紋理、表面冶金質量檢測。

（3）力學性能表征與壽命預測技術。包括材料靜強度試驗、沖壓試驗、扭轉試驗、持久或蠕變試驗、疲勞試驗及多功能高度集成試驗。

（4）無損檢測技術。發現材料及結構表面或內部缺陷和異常狀態，評價質量或損傷程度的無損檢測技術。常用的有超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測、紅外熱像檢測和激光錯位散斑檢測。

4.2.8　材料性能與自然環境適應性數據的積累

材料性能測試內容廣泛，例如鑄造高溫合金的性能測試包括：①金屬化學成分的測定，主量、微量和痕量元素的分析、調整與定型；②物理性能、數據測試，包括合金密度、熱導率、熱擴散率、線膨脹系數、電阻率等；③化學性能，包括高溫抗氧化性能與抗熱腐蝕性能；④力學性能，包括室溫至高溫拉伸性能、扭轉性能、沖擊韌性，硬度值，高溫持久性能，高溫蠕變性能，高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、熱機械疲勞、疲勞蠕變交互作用、疲勞裂紋擴展速率、斷裂韌度，彈性性能，模擬性能（葉片熱沖擊性能、葉片振動疲勞試驗、葉片服役后的性能）；⑤工藝性能，包括鑄造性能、焊接性能、涂層性能、機加工性能、熱處理性能。

材料環境適應性基礎數據技術研究的關鍵，是要保證材料（制品）在自然環境中腐蝕數據和基礎性試驗記錄的準確性、可靠性、完整性。為此，材料環境適應性體系試驗站網建設能覆蓋各種環境，數據庫技術隊伍要穩定；測試設備精良；試驗典型環境和材料種類齊全，測試項目完備；測試時間充分；測試數據精確、完整、系統。我國離上述要求相差甚遠，如現用材料牌號在1萬種以上，投入試驗站的試樣僅有353種，包含有效基礎數據和可靠實用性能數據的《材料手冊》和指導性指南，還不夠多。

4.2.9　電子電器產品的環境適應性的實驗與研究

電子電器產品的環境適應性就是其抵抗環境作用的能力，對其環境適應性與可靠性、耐久性的研究，稱為環境工程，所涉及的內容包括環境測量和分析、環境設計和環境防護、環境試驗和環境管理等。環境工程工作與上述產品的耐環境能力（環境適應性）與可靠性、耐久性密切相關，是設計和制造上述產品、滿足環境和可靠性耐久性要求的基本保證。它包括：①研究產品現場環境，確定環境條件；②研究環境對產品的影響和失效機理，提出各種環境防護措施從而達到根據產品設計任務書和技術指標等初始資料確定產品壽命期，根據產品的任務剖面確定任務環境剖面，確定設計和試驗用的環境條件。

各種裝備（飛機、導彈、火車、輪船等）上所載電子電器設備無論多少，都必須保證滿足環境適應性要求，都要在一定環境條件下考核和發揮其效能，都要通過環境適應性這一關來論證上述所提及裝備的性能、可靠性、可維修性、生存性、電磁兼容性、安全性、保障性。這也就是電子電器產品的環境工程長期存在和發展的原因。

環境工程是可靠性工程的依據和基礎，是提高產品環境適應性和可靠性、耐久性的重要環節。在產品設計中，為了保證產品能在使用環境條件下正常工作并且具有合同規定的可靠性與耐久性，必須首先了解產品的使用環境條件和環境設計要求，并根據這一要求對產品進行可靠性與耐久性設計，建立有效的科學與試驗體系。

4.2.10　循環經濟

循環經濟是以資源高效、循環利用為核心，以“減量化、再利用、資源化”為原則，以低消耗、低排放、高效率為特征，對“大量生產、大量消費、大量廢棄”增長模式進行的變革。循環經濟主要是實施“減量化”“再制造”和再回收、再利用。

（1）中低檔材料實施“減量化”。一是完成淘汰落后過剩產能計劃。重點是完成國家“十二五”規劃期間淘汰煉鐵、煉鋼、焦炭、鐵合金、電石、電解鋁、銅（含再生銅）冶煉、鉛（含再生鉛）冶煉、鋅（含再生鋅）冶煉、水泥（含熟料及磨機）、平板玻璃、造紙、酒精、味精、檸檬酸、制革、印染、化纖、鉛蓄電池等19個重點材料行業落后產能目標。二是實行產品輕量化和包裝簡易化設計。

（2）推進“再制造”產業發展。實踐表明：再制造、再利用成本僅為新品的50％、節能60％、節材大于70％?！霸僦圃臁痹诿绹⑷毡?、歐盟國家已經形成巨大的產業。1996年美國再制造產業涉及8個領域、46種主要產品，年銷售額超過530億美元，接近當年美國鋼鐵產業的年銷售額560億美元。

我國“再制造”正處于起步和試點階段，在濟南和上海兩家企業汽車發動機推行再制造的基礎上，2011年、2013年又分別批準了14家和28家企業入圍“再制造”試點，并已列入軍隊和國家有關規劃實施，不斷發展、擴大。

大力發展并推廣代表我國再制造技術水平的研究創新成果，主要有：熱噴涂技術；自動化表面工程技術；納米表面工程技術；再制造熔覆快速成形技術和應急維修技術。

（3）再回收、再利用、修舊利廢。2000年我國達到標準應報廢汽車210萬輛，2010年前后年均汽車報廢量在300萬輛以上；電視機社會保有量達3.5億臺，冰箱、洗衣機、電腦、手機分別達1.3億臺、1.7億臺、2000萬臺、1.9億部。自2003年，電冰箱、洗衣機、電視機年均報廢量超過1500萬臺，有500萬臺電腦和上千萬部手機進入淘汰期，修舊利廢空間巨大。

中國工程院《廢舊機電產品資源化》，提出電器再回收、再冶煉、再提煉、再利用，節約資源原則。國家組建了128個家用電器的分解拆卸工廠，支持全面綜合利用，發揚我國“修舊利廢”優良傳統，實行暢通的“四再”修舊利廢系統管理。