材料的生态设计

第七讲 符合生态设计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
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材料生态设计概念
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生态设计的概念
测定与评价固溶原子排列无序性的技术。
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固溶合金研究开发的方向
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。
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。
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新型汽车钢材的开发遵循简单合金的原理
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的基础上再添加微量的Nb、V、Ti等碳 氮物形成元素，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是微量范围的，如非调质结构钢中一般加入量在0.02—0.06%，
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。所以通用合 金即易于再生循环，成分变化对材料特性影响明显的合金系。
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在此过程中的材料科学现象有:
● 在加热炉中高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。
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2.3 对组成变化不太敏感的合金
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。
曲轴锻件均采用非调质钢制造。 我国在非调质钢的研制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, 是现代钢铁工业中的主力产品之一。
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§2
符合生态设计概念的材料科学与工程
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2.1 生态设计概念提出的背景
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的水平，能通过定量计算对最 终结果作预测的工作极少，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。
境和社会效益的和谐统一。
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生态设计的基本原则
1. 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；
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。在实验技术方面，也需要确立由X射线漫散射等方法
计和生产的重要前提。
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微合金非调质钢的发展应用现状与趋势
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
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Fe-Ni-Cr系
合金化对钢铁材料性能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
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有更大的变化，可适应许多场合。
务，而不是鼓励兴建热处理车间；发展更方便的公共交通服务，而不是鼓励拥有私车…
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生态设计 ——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：３ 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。
固溶体成分（0-100；100-0）可连续转变示意图
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固溶体的结构与设计指导原则
以往在处理固溶合金问题时，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，
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，在最初的材
料设计阶段，就应考虑材料的再生循环设计。
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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。
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§3
依据数据库的柔性材料生产技术
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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： ① 再生循环； ② 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。
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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, T8…T12A 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。
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，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，达到经济、环
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、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）