材料的生态设计讲解材料.ppt

5.1 材料的长寿命化与减轻环境负荷 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。 材料的长寿命化是实现“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 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—— 防止裂纹起源 耐蠕变性—— 温度/应力 —— 正确的合金设计 许多材料，由于在高温下使用，会产生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压力和温度条件下服役的耐热金属材料。 5.2 省合金化设计理念与高温强度特性 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 发电设备和化学设备中使用的从低合金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 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而缩小。 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即可满足使用要求的构件，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。 5.3先进陶瓷材料的长寿命化 ●不太受资源制约的先进陶瓷 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1000oC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1350oC级的陶瓷燃气轮机热效率可达42%。但是，由于发电站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1500oC级的燃气轮机或燃烧温度达2000oC的燃氢发动机，进行超高温材料为目标的开发。 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1200oC为目标，但近年已开发出了耐热温度高达1400oC的材料。 碳化硅到1600oC时高温强度不降低，但到2000oC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)晶界滑移和气