第1章　緒論

材料是指可以用來制造有用的構件、器件或物品的物質。人類發展離不開材料，國家建設離不開材料，人們的衣食住行離不開材料。

在“可持續發展戰略”中，材料是關鍵。材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，是人類社會進步的標志和里程碑，是社會不斷進步的先導，是可持續發展的支柱。

材料被制成產品、投入使用才有價值，在其使用過程中，材料不可避免要遭遇服役環境的作用，使其出現腐蝕、磨損或斷裂。所以，具有環境抗力的材料制品才擁有真正的使用價值，其價值在于材料制品具有好用和耐用的特征，好用就是使用安全與可靠，如果好用、耐用又經濟，就會受到人們的歡迎。“材料延壽與可持續發展戰略研究”的“材料延壽”就是追求材料及其制品使用的可靠性、安全性、經濟性和耐久性，其核心就是“壽命”，在使用安全與可靠的前提下，“壽命”越長越好（這里不包括技術進步導致的更新與淘汰）。

材料及其制品提前失效，會引發事故、造成危害，使國家和人民的生命財產遭受損失，導致能源資源浪費、環境污染，威脅國家的可持續發展。

材料及其制品在服役環境作用下的失效是一種自然現象，不可完全避免，但可以預防與控制其在環境作用下的提前損傷、提前破壞、提前失效。

1.1　材料的作用與貢獻

1.1.1　材料的作用、貢獻與推動力

為了滿足人類社會不斷增長的需求，適應生產力的發展和科學技術的進步，材料科學得到了快速的發展。例如，瓦特發明蒸汽機，推動了對“鍋爐鋼”的研究和開發，鍋爐鋼的研制成功，顯著減少了鍋爐爆炸事故的出現，進而，推動了火車、輪船和紡織業的規模化生產，有力地促進了第一次工業革命的進程。

二三百年來，尤其是近一百多年來，成千上萬種鋼鐵、有色金屬、有機高分子材料、無機非金屬材料和復合材料的出現，極大地推動了各個行業新產品、新工程項目的出現，有力地推動了汽車、輪船、火車、飛機、飛船、機電等產品，以及供水、供電、供熱、供油、供氣等工程項目的飛速發展。

我國已經成為“材料大國”，支撐“中國制造”的產品有數百項居世界第一位，僅機電產品就銷往224個國家。“中國制造”的產品遍布全球，“中國建造”的工程項目遍布全國，乃至世界上許多國家。從而支撐了中國發展成為世界上第二大經濟體、第二大綜合實力強盛的國家。

可見，“材料”在滿足了我國13億人口需求的同時、支撐著“中國制造”和“中國建造”的快速發展，確保了國家的經濟建設、國防建設和GDP的連續增長，并且維持了國家的持續發展，材料的作用、貢獻和推動力可參見圖1-1-1。

1930年，世界人口20億；1987年達到50億；2014年已超過70億。隨著人口的急劇增長，人類的衣食住行在數量和質量上的要求都明顯提高。

以高分子材料為例，可以理解材料的作用。

高分子材料為人類解決衣食住行開辟了新的途徑，為人類可持續發展做出了重大貢獻。高分子材料同金屬材料相比具有密度小、比強度低、比模量低、耐蝕性能好、成型工藝簡單、成本低等特點，在不到100年的發展史中，在顯著地滿足人類日益增長的要求的同時，為人類節約了生存和可持續發展的空間。

衣：到20世紀80年代，合成纖維已占人類全部衣著纖維的一半以上；目前已經占到2/3左右。不僅如此，電視機、電冰箱、洗衣機、VCD等家用電器的外殼，以及座椅、浴缸、窗簾、臉盆、梳子等日用品都與合成高分子材料有關。高分子材料為人類節約了數以億萬畝種植棉花的土地。（100畝地建造一個10萬噸合成纖維廠，可代替200多萬畝種植棉花的土地。）

食：塑料薄膜可提早播種季節，增產糧食。近年來開發研制的高分子保溫劑、高分子生長劑及除害劑等可使糧食產量大幅度提高。此外，科學家們正在努力研究人工合成蛋白，以達到人工合成糧食的目標。

住：合成高分子材料在建筑與裝飾領域的廣泛使用，改善了人類的居住條件，使人類的居住條件跨入新的時代。

行：以汽車車輪為例，一個年產10萬噸合成橡膠工廠相當于300萬畝橡膠林。僅中國2010年生產汽車1800萬輛，需要多少汽車輪胎，如果都是靠橡膠樹，能想象嗎？

然而，塑料的白色污染、廢舊輪胎的堆積如山，應該采用相應的措施，需要出臺相應的政策與建議。

1.1.2　材料是人類發展的里程碑

在人類歷史的發展過程中，材料成為人類進步的里程碑，人們曾采用“材料使用”來劃分社會發展時代（表1-1-1）。

（1）木石器并用時代。人類使用木矛、石塊、石片、石球與自然界作斗爭延續了300萬～400萬年，2萬年前出現弓箭打獵為生的種群。

（2）陶器時代。1萬年前，埃及和巴比倫一帶使用草料纖維加上黏土制成烘磚；5000年前中國用圓木立柱加草泥抹墻；4000年前印度制成磚，中國制造的青磚則提高了耐水度、致密度和強度。

（3）青銅器時代。5000多年前，人類從自然界存在的金、銅發現了金屬與礦石的關系，學會冶煉。冶銅技術極大地推動了生產力的發展，改進了工具，加快了農業的發展和生活的改善。

（4）鐵器時代。埃及、中國都在公元前8世紀中葉進入鐵器時代，尤其在2500年前發明生鐵以后，影響了世界農業和人口的分布、經濟和政治的發展。

（5）高分子材料時代。在20世紀30年代，高分子合成材料大量問世。按工業生產時間排序為：1931年為氯丁橡膠和聚氯乙烯，1933年為高壓法聚乙烯，1935年為丁腈橡膠和聚苯乙烯，1937年為丁苯橡膠，1939年為尼龍66。第二次世界大戰后石油化工技術繼續快速發展，1950年開發了腈綸，1953年開發了滌綸，1957年開發了聚丙烯。合成材料包括橡膠、纖維、塑料、高分子膠黏劑、高分子涂料和高分子基復合材料，極大地推動了現代工業的發展，提高了人類的生活水平。

（6）信息材料時代。20世紀下半葉，以硅為代表的一系列半導體等電子、微電子材料以及功能材料的出現和使用，劃時代地改造了現代工業和提高了人類的生活質量。

1.1.3　材料是國家建設的物質基礎

過去200多年里，發達國家先（英國）后（美國、法國、德國）完成了工業化，消耗了地球上大量的自然資源，特別是能源資源。當前，一些發展中國家正在步入工業化階段，資源能源消費增加是經濟社會發展的客觀必然。中國是當今世界上最大的發展中國家，發展經濟、擺脫貧困是中國政府和中國人民在相當長一段時期內的主要任務。

中國的發展符合當前世界發展的潮流。未來40年，是包括中國、印度、巴西在內的20億～30億人將為進入基本現代化行列而奮斗的時期，需要大量的材料滿足國家建設的需求。這符合世界大多數人追求現代化生活需求的愿望表達，也為城市化和人類文明進程注入了新的動力和活力。這么強大的建設要求沒有充足的材料是難以達到目的的。為了滿足國家建設的需求，我國已經成為“材料大國”，以鋼鐵為例，1950年我國鋼鐵生產量為15.8萬噸；1978年增長至3178萬噸；2008年超過5億噸，占全球總產量的3/5；2009年中國粗鋼產量達5.68萬億噸，是排名隨后四名的日本、俄羅斯、美國和印度粗鋼產量之和的2.2倍；鋼鐵、有色金屬、水泥、布匹等137項材料的產量居世界第一。

為了近14億人口建設國家的需求，完成“兩個百年”的奮斗目標，我國需要更多的材料，這里還以鋼鐵為例，冶金工業規劃研究院預測2015年我國8大行業鋼鐵的需求量為7.29億噸（表1-1-2），相應需要的水泥、有色金屬、煤炭、石油、電力都應該有相應的材料供應，沒有這些材料作為建設的物質基礎，是不可能達到我們預期目標的。而如果我們還想與世界各個國家做生意，擔當“世界加工廠”，那么，充分做好準備，提早打好這個基礎，就要“兵馬未動，糧草先行”。2008年全國紡織品服裝進出口2037.5億美元，增長7.3％，占全國貨物貿易總額的8.0％，出口服裝200多億件。如果我國的布料、設計、加工水平再提高一個檔次，發展為世界名牌，就可以摘掉“價格低廉”的帽子。

1.1.4　材料制品遭遇服役環境作用，損失重大

材料制成制品之后，在使用過程中，不可避免要遭遇服役環境的作用，包括自然環境、運行環境以及制造環境的作用。材料可能出現腐蝕、老化、磨損和斷裂（圖1-1-2、圖1-1-3）。

制造環境指的是在制造過程中因設計不當、制造不合理，使用的制造工藝損傷了材料固有的優良性能，埋下了提前失效的隱患。例如，江淮汽車公司因為車身結構上存在內表面涂裝不充分引起腐蝕，召回2008年11月至2011年12月生產的同悅汽車117072輛；2013年美國波音787客機由于電池問題在全球大面積停飛。

（1）中國工程院開展過“腐蝕調查”。1999年4月6日，中國工程院化工、冶金與材料學部常委擴大會議根據1998年8月柯偉、曹楚南院士等提出的建議和申請，決定正式啟動“中國工業與自然環境腐蝕問題調查與對策”咨詢項目。2003年10月柯偉院士在化學工業出版社出版了《中國腐蝕調查報告》，調查結果指出：①中國的腐蝕損失占GDP的5％（加上間接損失，2001年約為5000億元人民幣，2006年約為10596億元人民幣）；②如果能夠很好地宣傳普及現有的科學技術知識，可以挽回約1/3的腐蝕損失。

（2）中國工程院開展過“摩擦學調查”。中國工程院于2006年立項進行了“摩擦學科學及工程應用現狀與發展戰略研究”，參加咨詢項目的有16位院士和全國許多院外專家。按現狀調查和發展戰略研究兩個方面，分成11個分組，對選定的8個工業行業［大機械課題組（各行各業）、冶金課題組、能源及化工課題組、車輛課題組、空天課題組、船舶課題組、軍事裝備課題組和農業裝備課題組］開展工作，謝友柏院士編寫出版了《摩擦學科學及工程應用現狀與發展戰略研究》，調查結果指出：①2006年我國工業領域因摩擦磨損造成的損失約9700億元人民幣，歐美發達國家因摩擦磨損造成的損失約占其國民生產總值的2％～7％，目前我國的經濟發展模式還比較粗獷，資源浪費嚴重，該領域的損失遠高于歐美發達國家；②有的調查指出，摩擦消耗掉全世界1/3的一次性能源，約有80％的機器零部件都是因為磨損而失效；③如果能夠很好地宣傳普及現有的科學技術知識，可以挽回1/3的摩擦引發的損失。

（3）尚未見到斷裂、環境斷裂、疲勞和腐蝕疲勞的專門調查報告，泄漏是工業領域的重大損傷表現，也尚未見到專題調查研究報告，但是，已經有報告稱：80％的動部件是因為疲勞而失效。

1.1.5　材料失效嚴重威脅材料制品的使用安全、可靠與壽命

材料制品投入使用之后出現的材料提前損傷、提前破壞、提前失效，實際表現為材料腐蝕、磨損和斷裂，使材料制品失去使用可靠性、安全性和耐久性，失去使用壽命，提前退役，甚至引發事故。

（1）世界上最昂貴、最悲慘的十大事故給我們的啟示。2008年“新浪科技”公布了“世界上有史以來發生的十大損失最慘重的事故”，舉其中幾例如下所述。

①美國“挑戰者”號航天飛機“73秒”壽命。1986年1月28日美國“挑戰號”航天飛機升空爆炸。助推火箭筒節與節之間對接用的O形密封圈，不能適應嚴冬過冷的待飛環境，發生冷縮，失去彈塑性，喪失密封作用，設計部門沒有接受密封圈生產公司提出的不適宜發射建議，發射點火，火苗躥入助推火箭筒，發射后73s航天飛機于空中爆炸，損失55億美元，造成7名宇航員喪生（圖1-1-4）。

②美國“哥倫比亞”號航天飛機15天飛行壽命。為了保證橡膠圈能經受嚴寒環境，科研人員改進了設計，增加了保溫套。但是“哥倫比亞”號航天飛機起飛時海綿保溫套脫落，擊破高溫防護用的防熱瓦，在2003年2月1日返航經過大氣層時高溫防護層失效處的機翼在高溫下瞬間熔化引發爆炸，造成機毀人亡（圖1-1-5），損失120億美元，7名宇航員喪生。

據新華社2011年7月22日報道：美國東部時間21日清晨，“阿特蘭蒂斯”號航天飛機在肯尼迪航天中心安全著陸（7月8日起飛）。這次著陸為美國為期30年投資2000億美元的航天飛機項目正式畫上了句號。美國宣告航天飛機時代結束。俄羅斯成為唯一擁有能往返于地面和國際空間站的載人宇宙飛船的國家。

③切爾諾貝利核電站4號機組11個月使用壽命（圖1-1-6）。1986年4月26日切爾諾貝利核電站核泄漏：20萬人被迫撤離，之后因癌癥死亡的人數估計約12萬5千人。事故的清理、受害者遷居和補償的費用大約是2000億美元，烏克蘭廣大的地區受污染，170萬人受到直接影響，經查明，是“控制棒設計不當”引發了世界上最悲慘的事故。

④石油鉆井平臺0使用壽命。2010年4月20日美國路易斯安那州沿岸的一座石油鉆井平臺爆炸起火，歷時3個月（圖1-1-7），是美國有史以來最嚴重的油污災難，原油污染達150萬平方公里，“墨西哥海灣在長達10年的時間里將成為一片廢海”，旅游蕭條、鉆井停止、漁業荒廢、航空歇業、到處污染，造成的經濟損失將以數千億美元計。事故起因是為防止油氣在巨大壓力下上涌，要向油井套管中灌入水泥，但設計水泥用量過少，強度不足以平衡地平壓力，引發井噴造成的。

⑤1988年7月6日晚10點，阿爾法石油鉆井臺液化氣安全閥需要更換100個，但只更換了99個，忘記更換1個磨損了的安全閥，引發泄漏，發生著火爆炸，熊熊大火燃燒2小時，167名員工遇難、成套設備毀壞，損失34億美元（圖1-1-8）。

⑥2008年2月23日美國在關島的B-2“幽靈”隱身戰略轟炸機剛起飛就墜毀，原因是該飛機外部24個傳感器中有3個受潮，導致數據混亂引發失控墜毀，事后調查表明，是飛行員不知道應該定期打開加熱器，排除感應器的濕氣造成的。

從這些有史以來世界上發生的最為嚴重、最為昂貴、最為悲慘的事故中，可見，材料在運行環境作用下發生了提前失效，是“環境作用”引發了“提前腐蝕”“提前老化”“摩擦磨損磨蝕”“提前高溫防護失效”和“提前絕緣下降”，從而導致材料提前失效，引發了重大事故。

（2）我國材料失效引發的事故比發達國家嚴重。我國是一個發展中國家，新中國成立60多年來，我國的經濟建設獲得了空前的發展，尤其是近30年來，得到了爆發式的進展，一舉成為世界上第二大經濟體，成為世界“加工廠”。“中國制造”的產品遍布全球，“中國建造”的工程項目遍布全國。但是，產品和項目的水平、質量不如發達國家，例如我國油氣管道事故率為3次/1000公里年，美國為0.5次/1000公里年，歐洲為0.25次/1000公里年，俄羅斯為0.26次/1000公里年。事故模式為爆炸、斷裂、變形、表面損傷，以及第三方的破壞、腐蝕、管材質量、施工質量、突發性自然災害。儲罐的火災與爆炸是我國目前最常見、后果最嚴重的事故。2007～2012年我國有37座橋梁倒塌。在航空系統也曾經出現過飛行事故，例如，1972年飛機受力框架（GC11結構鋼制造）出現多次電鍍鋅不除氫或虛假除氫，誘發氫致開裂，援外飛機成批停在機場不能發出，成批量飛機返廠換件。

1.1.6　材料及其制品的生產是污染地球的主要根源

鋼鐵工業是資源能源消耗密集型產業，每生產1t鋼，需要消耗0.6～0.8t標準煤、1.5～1.55t鐵礦石、3～8t新水。即使最先進的工廠，每生產1t鋼也要排放1.7t左右的二氧化碳及大量的廢氣、廢渣、粉塵、污泥和其他污染物，技術落后的鋼鐵廠產生的廢棄物更多（表1-1-3）。

2005年，我國鋼鐵工業全行業能耗占全國總能耗的14.71％，耗水量占工業總量的14％，工業廢水排放量占工業排放總量的8.53％，二氧化硫排放量占全國的6.6％，工業粉塵排放量占工業排放總量的15.18％。

從表1-1-3可見，隨著鋼鐵產量的快速提升，能源、礦石消耗和CO2排放量顯著增加，2013年鋼鐵生產中，CO2排放量就等于2005年的1.49倍，幾乎增加了50％；等于2005年的2.88倍。2005年我國煤炭生產量為21.9億噸，由化石燃料燃燒引起的CO2排放總量為51億噸，占全球CO2排放總量的18.9％，僅次于美國，列世界第二，近幾年我國溫室氣體排放量增長趨勢明顯，2013年我國煤炭生產量為37億噸，消耗36.1億噸，煤炭燃料燃燒引起的CO2排放總量為84.07億噸。

目前我國單位GDP的廢水排放量比發達國家高4倍，單位工業產值產出的固體廢棄物比發達國家高10多倍，單位GDP二氧化硫和氮氧化物排放強度分別是經濟合作發展組織（OECD，由發達國家組成）國家的9倍和8倍。這就使我國的土地、淡水、能源、資源環境受到了嚴重的損壞，已經形成了對經濟發展的嚴重制約。

爆發式的生產、爆發式的污染排放，使我國的天空、土地、水源的污染已經不堪重負。逐步提出新的政策，已是刻不容緩的形勢。

我國30多年的進步是以“高投入、高消耗、高污染、低產出、低效益”得來的，付出了沉重的資源、生態、環境代價。今后，我們在相當長的一段時間內還處于現代化、城鎮化和農業機械化的建設階段，我們只有通過科學進步加以改進。①提高材料及其制品的“四性”，延長使用壽命，減少材料的消耗，減少環境污染；②在“中國制造”過程中，在金屬材料的冶煉、鍛造、鑄造、焊接、熱處理等零件預成型階段以及非金屬成型加工過程，采用先進制造技術，減少污染與排放，應該成為我國的國策。應加大技術改造的投入，而不是采用搬遷的政策，將污染源挪動到其他地方。

1.1.7　人類材料資源面臨耗竭

世界各國對主要礦產證實儲量的擁有百分比見表1-1-4，從現有的礦產探明儲量上，有15種礦產3/4的儲量集中在3個國家，有26種礦產3/4的儲量集中在5個國家。有12種礦產1/2以上的儲量集中在發達國家，有13種礦產1/2以上的儲量分布在發展中國家，占世界前三位的礦業大國是美國、俄羅斯和中國，它們也是世界的礦產資源大國。美國是世界上占第一位的礦業大國。

從圖1-1-9可以看出，經過近300年的開采，可供人類開采的資源、能源已經極其有限了，珍惜已經發現的礦藏、發掘新的礦藏成為各國政府的重要任務。

1.1.8　中國材料資源困難更嚴峻

中國的礦藏資源總量豐富，其中24種礦藏居世界第三位；鎢、錫、稀土等12種礦石居世界第一位；煤、釩、鉬、鋰等7種居第二位；汞、硫、磷等5種居第三位。但是按照人口平均，中國人均探明礦藏資源儲量占世界平均的58％，位居世界第53位，鋁土礦、銅礦、鐵礦、鎳礦、金礦分別相當于世界水平的14.2％、28.4％、70.4％、7.9％、20.7％，中國各類礦產人均擁有量均不到世界平均水平，礦產資源短缺現狀十分嚴重（圖1-1-10），按人口平均計算，中國是一個礦產資源貧窮的國家，這不僅是經濟發展問題，也是國家安全問題。

我國非金屬礦產十分豐富，品種很多，分布廣泛。已探明儲量的非金屬礦產有88種，占世界第一儲量的有石墨、硅灰石、自然硫與硫鐵礦、菱鎂礦、膨潤土、重晶石、芒硝、石膏，還有硅藻土、磷礦、螢石、云母、高嶺土、耐火黏土、硼礦、鉀鹽、大理石、花崗巖、滑石、寶玉石、石棉、水泥灰巖、玻璃硅質原料等也都十分豐富。

非金屬礦產的充分而有效的利用，可以為我國的經濟建設和節能減排做出重大貢獻。

1.2　材料及其制件應該具有盡可能長的使用壽命

1.2.1　需要環境適應性好的材料

任何產品和工程建設項目都需要“材料”才能“制造”，“材料”的作用一是能滿足設計的功能要求，二是能經受服役環境的侵害作用，兩者缺一不可取。例如，葡萄酒瓶蓋，采用什么材料制作，既能提供微量的空氣讓其繼續陳釀、更加醇香，又不會因為空氣過多使其氧化、出現酸味，在長時間的環境的作用下還不會“老化”或“生銹”，這在當時是一個很大的難題。經過大量的研究人們發現：栓皮櫟樹的樹皮制作的一種軟木塞就包含大約8億個細胞，里面83％都充滿了空氣，它質輕、有彈性、可被壓縮。當軟木塞塞入瓶口中，空氣不會通過瓶口進入瓶中，而且，隨著時間的推移，軟木塞里的少量空氣釋放出來還能促進葡萄酒更好地釀造，300多年過去了沒有發現更好的取代品，每年120億瓶葡萄酒都用它封口，為葡萄牙贏得1％GDP的收入，這就是“材料”既能服務于功能要求，又能適應服役環境作用，不遭損傷、不會失效的一個簡明實例。

又例如，制造一個螺絲刀，對材料的要求只是基本性能“五大指標”（σb、σ0.2、δ、ψ、αk），即擁有足夠的強度、硬度、韌性，在使用環境下耐腐蝕，就可以制造出好用的螺絲刀；如果需要制造鋼結構大橋，那么，除了“五大指標”外，還需要持久強度、疲勞性能（拉拉疲勞、拉壓疲勞、振動疲勞、腐蝕疲勞等），設計的靜強度要低于應力腐蝕門檻值、設計的動強度要低于疲勞極限，根據這些材料的腐蝕特性，只要設計合適的防護涂層體系。航空發動機的設計要求就更為苛刻了，1980年以后，發動機設計在斷裂力學基礎上，提出了損傷容限設計、概率設計，對材料性能要求越來越多、越來越高，除基本性能外，還要求有統計性能、使用性能、斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速率等。設計部門根據現代發動機的特性提出：渦輪葉片材料必須具有6種溫度下的短時力學性能（σ0.1、σ0.2、σb、δ、ψ、σ-ε、σbH、τ0.3、τb）、4種溫度下的持久曲線（L-M、σ-t）和蠕變曲線（ε-N、σ-ε）以及斷裂韌性（KICda/dn）等97項指標，以及冶金結構、物理性能、化學性能數據等都合格，才能為設計所接受，成為符合渦輪葉片服役環境要求的材料，設計出滿足功能，符合“四性”的零件。

從第一次工業革命蒸汽機生產得以規模化的鍋爐鋼開始，短短300多年，滿足服役環境要求的材料逐步形成了今天的規模，工具鋼、齒輪鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐候鋼、耐酸鋼、軌道鋼、埋地管道鋼、橋梁鋼等大量的適應環境需求的材料不斷涌現，滿足了各個行業發展的需求，為了適應更高的要求，還曾研究適應更苛刻環境需求的新的材料、新的工藝、新的技術。

有了環境適應性材料，還需要設計、制造、使用、維護維修的全過程全員全方位共同努力，制約所有引發材料制品提前失效的因素，才能達到使用安全、可靠、耐久和盡可能延長使用壽命的目的，這些因素可參見表1-1-5。

1.2.2　需要從設計開始的系統控制

腐蝕從表面開始、摩擦磨損在表面進行，疲勞壽命因表面完整性的損傷而明顯降低。要提高材料使用的可靠性，從而提高材料制成品使用的可靠性、安全性、經濟性和耐久性，關鍵就在于預防與控制環境作用下材料所出現的腐蝕、摩擦磨損磨蝕、環境斷裂（主要是疲勞和腐蝕疲勞）。為此，需要設計、制造、使用、維護、維修全方位進行全員參與的全過程協同工作，共同努力，達到精心設計、精心制造、精心維護、精心管理，才可望獲得滿意的結果，這是一個系統工程。

（1）設計師精心設計。一個產品，設計是靈魂，簡化說來設計師有兩大任務：一是滿足人們生活需求、提高人民生活質量，設計出人們需要的物件、設備、裝備和公共設施；二是使這些物件、設備、裝備和公共設施具有足夠的環境抗力，使其在所運行的服役環境條件下，能安全、可靠、耐久，具有盡可能長的使用壽命。

研制和生產公司需要根據使用方對產品或重大建設工程項目的技術指標與使用要求、使用環境與使用壽命以及可能投入的研制經費與成品價格，分析可能遭遇的環境侵害下可能出現的腐蝕、摩擦磨損磨蝕、環境斷裂的具體細節，做出總體設想。按照這個總體設想，制定：①腐蝕控制設計指南；②摩擦副匹配設計指導；③耐久性設計指南；④不同金屬接觸設計；⑤環境密封設計；⑥通風排水結構設計；⑦材料選用指南；⑧涂鍍層技術規范與選用指南。在這些技術文件的指導下，進行精心設計。

設計時，根據整機的需求、考慮部件的裝配、再根據具體零件可能遭遇的使用環境（溫度、濕度、轉速、應力、界面摩擦等）和停機環境［濕度、空氣（或水）污染、溫度等］，進行結構設計、耐久性設計（尤其對承受動載荷零件）、摩擦副匹配設計（對于相對運動出現摩擦的零件）腐蝕控制設計，進行材料及其加工工藝的選擇，在整體設計的同時進行施加表面保護層設計，通過模擬試驗，確定設計方案，投入部件裝配試驗，再投入整機試驗，以證明達到了精心設計的目的。

（2）制造工程師精心制造。一個產品，制造是關鍵，制造工程師有兩大任務：一是按照設計的要求，嚴格復制出設計所期望的實物；二是在制造過程中，不損傷材料固有的優良性能。為此他們需要制定和擁有：①制造過程控制指南；②制造工藝、標準與試驗方法；③無損檢測標準與檢測技術；④質保系統控制規范；⑤材料損傷處理手冊。

制造過程中所使用的各項加工工藝都必須通過試驗證明不損傷材料固有的優良性能的工藝或是類似產品應用過的優良工藝才可以。通過現代表面工程技術的應用，施加表面保護層，有利于提高材料抗腐蝕、耐磨損、抗疲勞的性能，而不是損傷這些性能。

（3）使用維護與管理工程師的精心維護。一個產品，使用是目的，維護保養是保障。材料制造成制品，經過運輸、儲存、進入現場，投入使用，要遭遇現場自然環境（陽光、雨、露、溫度、濕度、污染等）的作用，運行時還要遭遇運行環境（載荷、溫度、壓力、速度等）的作用，這是一個極其復雜的作用環境，使用維護和管理工程師需要精心管理和精心維護，才可望獲得真正的使用可靠性、安全性和耐久性。例如武漢長江大橋，1955年開工，1957年投入使用。由于蘇聯專家不了解武漢地區自然環境條件及其作用的惡劣程度，沒有能夠提出大橋的設計壽命。但是，大橋管理局1957年開始堅決執行蘇專家每年涂刷一次保護涂料的規定，保持了10年，1967年由于鐵道科學研究院研制成功抗老化性能更好的涂料，改為每5年涂刷一次，90年代改為每10年涂刷一次，使用維護工程師始終保持了鋼結構大橋表面的涂料完好，武漢長江大橋現在使用了近六十年，情況良好。我國鋼結構大橋的設計壽命也從沒有確定發展到120年的設計壽命，是幾十年科學發展與實踐應用相結合的結果。

又例如，公共場所大型建筑物上，往往掛有大鐘，這些大鐘的壽命很不相同，幾十年、十幾年甚至幾年就報廢了的比比皆是。也有超過百年還在使用的，青島江蘇路教堂大鐘已經102年運行良好，其秘訣就是每周上兩次機油，既增加了潤滑性，防止了磨損，又覆蓋了鋼齒輪的表面、防止了生銹。2008年2月23日美國在關島的B-2隱身轟炸機剛起飛就墜毀，原因就是沒有對24個傳感器（其中僅有3個受潮）進行例行的除濕操作（僅按動開關即可）。

我國軍標GJB-4239《裝備環境工程通用要求》，列舉了許多環境引發的事故，累計表明，環境引起電子電器產品的故障數占裝備總故障數的52％左右，而各種環境引起的故障占環境引起的故障率為：溫度40％，振動27％，濕度19％，沙塵6％，鹽霧4％，高度2％，沖擊2％。可見，在環境引起的故障中主要是溫度、振動和濕度。

在使用過程中如果能嚴格遵照設計與制造部門提供的該工程項目的《維護保養手冊》和《暫時性保護手冊》，精心執行：①日常維護保養管理規定；②材料損傷維護說明書；③材料損傷修理指南，就有可能使其隨時處于優良的使用狀態或待命狀態，提高其使用可靠性、安全性、經濟性和耐久性。

（4）組織落實與人員培訓。重大建設工程項目材料使用可靠性的提升，是制造業的一項系統工程，它涉及腐蝕、摩擦磨損磨蝕、環境斷裂（主要是指疲勞與腐蝕疲勞、蠕變）的預防與控制相關的設計師、制造工程師、制造工人以及他們的領導，有理論可指導、有工藝可執行、有文件作依據、有標準可遵循、有崗位可立足、有規章可監督，這就需要成立一個“材料損傷預防和控制咨詢委員會”，根據用戶的技術、環境和壽命的要求，制定和統一“××工程材料失效設計指南”“××工程制造文件編制指南”和“材料損傷預防和控制培訓大綱”，以及相應的各種制造工藝文件、試驗與檢驗方法、標準、質保體系的種種規定，在它的領導下成立的以制造工廠副廠長為領導的“工廠材料損傷控制執行小組”，和以用戶為領導的“訂貨方材料損傷監督小組”。

在組織保證的前提之下，對所有從事該工程項目建設的所有人員按照“材料損傷預防和控制培訓大綱”進行培訓，實行嚴格的持證上崗制定，讓各個環節的工作人員能在制造過程中把住可能埋下“腐蝕”“摩擦磨損”“疲勞”的潛在危害排除在外。

1.3　系統工程及其管理在國內外已經取得成效

1.3.1　在工程建設項目中實施系統控制工程及其管理是大勢所趨

為了提高材料及其制品使用的可靠性、安全性和耐久性，先進國家都采取了相應的措施。

美國20世紀50年代中期在各種彈道導彈系統研發過程中形成了系統工程管理的理念，確立了系統的全壽命期，在項目立項到系統被廢棄（退役）的整個時間周期內包括方案探索、論證與確認、全面研發、制造、使用和保障。通過推行系統管理的理念成功實施了阿波羅登月計劃和F-16、F-18、F-117飛機和B-2隱形戰略轟炸機的研制。美國系統工程管理科學家Booz.Allen&.Hamilton Inc在《系統工程指南》（System Engineering Management Guide）一書中指出：只有在型號研制中采用系統工程的原理和方法，才能使工程技術人員和管理人員在給定的任務要求和資源約束條件下，合理地確定系統的技術要求，選擇出最優的技術狀態，全面地管理工程的研發，正確地驗證系統的技術性能；并使設計出來的系統順利地投入生產；使生產出來的系統得到經濟而又有效的保障。現在，美國已經將其應用于各種軍事和民用大型工程系統，超過250多種專業。

我國系統工程管理的思想出現在20世紀60～70年代。為了發展“兩彈一星”，我國采用了“全國一盤棋”戰略和“共產主義大協作”的精神，強調通過集體智慧“把零金碎玉變成大器”，所以在國力和科研實力比較薄弱的情況下，發展了我國的原子彈、氫彈和人造衛星，顯著地提高了我國在國際上的地位。錢學森開創了我國系統科學與系統工程學的研究，任務是：確立工程開發目標，分析工程開發的環境，設計出工程組態與社會環境和自然環境相融合的總體方案，控制最少的物質、人工和時間的均衡投入。大至國家重大工程項目的建設，中至行業的發展（火車、汽車、飛機、輪船等）都有系統工程運行與管理的問題。

20世紀90年代，腐蝕控制系統工程的理念及其理論、原則、技術和措施開始進入飛機的設計、制造和使用過程，工程師們共同編寫的《軍用飛機腐蝕控制設計細則》以指令性和指導性文件規定用于我國殲-××殲擊機的設計、制造和使用，開創了我國殲擊機使用20年飛行5000h不出現重大腐蝕故障的先河。后來，這一理念又在埋地鋼質管道和鋼結構大橋上得到了推廣應用，鋼結構大橋從沒有設計壽命逐步達到了70年、100年甚至120年的設計壽命水平。

如果通過全面推廣材料失效的系統預防與控制系統工程及其管理，減少腐蝕、磨損和斷裂造成損失的1/3是可能的，按照2013年我國GDP為568845億元人民幣計算，可以減少的損失是相當可觀的。

1.3.2　在我國工業領域實施系統工程及其管理的建議

在我國工業領域實施材料失效預防與控制系統工程及其管理，以求我國的工業產品具有“可靠、安全、耐用”的高質量特征，以及具有“經濟”特征，逐步使我國發展成為“材料強國”和“制造強國”，實現中華民族復興夢想。

首先，在我國系統龐大、技術密集、高投入、高風險的領域，例如航空母艦工程、電子電器工程、高鐵工程、核電工程、管道工程、基礎設施工程等，對材料及其制品在服役環境作用下產生的腐蝕、磨損和斷裂引發的提前失效實施預防與控制的系統工程管理；然后，再逐步擴大，讓所有的工業建設行為都在系統工程的標準控制之下進行。

其實質是從設計抓起，實施“設計是靈魂、材料是基礎、工藝是關鍵、檢測是保證、維護是保障”的責任制，各就其位，各司其職。重拾并發揚我國曾經提倡的“做老實人、說老實話、辦老實事”和“嚴肅、嚴密、嚴格、嚴謹”的“三老四嚴”的精神。并在每一個環節突出細則，進行精心設計、精心制造和精心維護，使“中國制造”不僅要做大，更要做強。

“系統控制”就是從設計入手，在設計、制造、運輸、儲存、使用、維護、維修全過程中，實施全方位、全員參與的對材料及其制品失效預防與控制的系統工程，達到提高其使用可靠性、安全性、經濟性和耐久性，盡可能延長其使用壽命的目的。“系統管理”就是從設計開始，通過設計、制造、使用全過程進行全面的技術檢查、監控、評估，實施預知性維護，確保全壽命周期可靠使用，直到產品退役的管理程序。

具體做法是：材料科學與技術工作者與設計師、制造、使用、維護維修和管理工程師結合起來，運用系統工程學、腐蝕科學、腐蝕控制系統工程學、摩擦學、斷裂力學、疲勞科學、表面完整性理論與技術、表面工程學等相關的科學與技術，提高材料及其制品的使用可靠性、安全性、耐久性和經濟性。研究材料及其制品失效預防與控制的章程、規范與工藝技術，使設計、制造、使用、維護工程師有理論可指導、有原則可遵循、有技術可使用、有措施可實施。也就是將預防與控制材料及其制品失效的理論變為可操作的工藝技術、可執行的具體規范、可遵循的實際章程，逐步形成完整、系統的指令性或指導性標準。

為此，我們建議組建一個國家級的專門（中介）機構，負責在我國工業領域實施材料失效預防與控制系統工程及其管理工作。