文档介绍：第9章环境材料与 材料的长寿命化
北京大学环境科学与工程学院
张剑波
北京大学环境科学与工程学院
第9章环境材料与 材料的长寿命化
保证材料在使用时所必须具备的使用性能的前提下,尽可能地延长材料及相关制品寿命是环境材料研究的另一个重要方面。
消费品的长寿命化是减轻环境负荷的重要手段。材料的再生循环是为了将有限的资源在尽可能长时间内有效利用的一种手段。为了将资源长期、充分地使用,不仅可通过提高材料的再生循环性,也可以通过延长材料寿命得以实现。
从发电设备和化学设备等大规模的设施到汽车和家电产品等大量耐用消费品的长寿命化,对于减轻环境负荷都有很大的贡献。
延长材料使用寿命、实行减量化是解决环境问题的重要手段,把握好延长寿命与再生利用设计之间的度,二者不可偏废。
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金属材料
金属材料的高温强度特性
构成发电设备、化学设备和运输机械发动机的材料,由于在高温下使用,会产生蠕变现象。
蠕变是在高温条件下,材料在一定的外力作用下会随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。
蠕变强度高的材料,在相同的温度和应力条件下,具有较长的蠕变断裂寿命。
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对高温耐热合金材料的需求
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;即在超高温临界压力发电,效率就会提高。
以往,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,开发出了多种具有优异蠕变性能的高温耐热合金材料。
开发出长时间稳定、维持优良高温强度特性的材料,就可能建造发电效率高,使用寿命长的发电设备。类似的做法也可以适用于其它许多领域,比如开发出比强度高、使用寿命长的材料,可实现汽车的低油耗和长寿命。
长寿命的材料不仅通过延长设备使用寿命减轻环境负荷,而且在运行本身可提高产品的效率,从而节约能源、减少排放,减轻环境负荷,是与环境材料的概念完全一致的。
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高温耐热合金的两条设计准则:
第一,对于实用耐热钢基体蠕变强度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,此即所谓合金化概念;
第二,对于要求高于基本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,而且还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及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。
实际开发材料时,不仅要考虑蠕变强度特性,而且必须考虑抗氧化性、焊接性等多种材料特性,,必须将上述合金化的概念和准则以及重视材料长期稳定性的这种观点积极地引入到材料设计之中,以此为指导思想就可以推进传统材料的环境材料化。
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改善环境平衡
省合金化:即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。
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。其说明通过添加合金元素和热处理等,可以大幅度改变蠕变强度。
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省合金化设计
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。即在相当于设备实际服役条件,即低应力长时间条件下,钢种间的差别是没有高应力短时间那么大,这种现象是“省合金化”的基础。
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省合金化设计
在短时间,高应力下,蠕变强度因钢种不同有较大差异,添加合金元素和控制微观组织形态可提高蠕变强度;
但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。蠕变强度大的钢种之间的差别,随着向长时间一侧的推移而缩小。
当在高温条件下很长时间使用时,蠕变强度最终将不再取决于材料的微观组织形态,而达到一定的水平。这就是决定材料长时间蠕变强度的本征强度特征,即“基体蠕变强度”(其与微观组织形态无关)。