總前言
我國改革開放三十多年來, 材料的研究、開發、應用有了快速的發展,水泥、鋼鐵、有色金屬、稀土材料、織物等許多材料的產量多年居世界,我國已經成為世界上材料的生產、銷售和消費大國, 支撐著“中國制造” 的產品遍布世界、“中國建造” 的重大工程建設項目遍布全國, 促進了國家GDP連續高速發展, 中國已經成為世界上第二經濟大國。但是, 我國還不是材料強國, 我國的材料多處於中、低檔水平, 支撐起來的“中國制造” 的產品水平不高、價格太低、緣名牌; “中國建造” 的重大工程中的主要結構件、專用件、關鍵件和重要件許多還依賴進口; 我國在材料的選用、材料制成品的設計、加工、制造和材料保護等方面與先進國家相比還存在較大差距,導致材料制成品在制造環境、運行環境和自然環境的侵蝕下, 容易出現腐蝕、摩擦磨損磨蝕、斷裂(疲勞), 引發“中國制造”
的產品和“中國建造” 的重
大工程項目出現種種問題。
材料壽命是人類所用材料的核心。材料性能優良, 質量穩定, 使用安全、可靠、經濟, 是材料壽命的前提; 沒有使用安全、可靠、經濟, 就談不上使用壽命。材料壽命的延長表達了上述性能的全面提升; 材料延壽, 就是提高材料制成品使用的可靠性、安全性、經濟性和耐久性, 就是延長材料制成品的使用壽命, 就是節約了資源、能源、實施了低碳經濟、減少了環境污染、支持了人類可持續發展。
我國建國以來材料研究取得了顯著的成績, 在滿足經濟建設需求的同時,一大批材料研究、材料應用研究、材料加工研究和材料保護研究相繼發展壯大起來, 並為材料及其制成品的使用可靠性、安全性、經濟性和耐久性做了大量的工作, 積累了豐富的理論和實踐經驗, 在材料全生命周期中凝煉出一些重要的原則、技術和措施。
“材料延壽與可持續發展” 有兩方面的工作: 一是總結過去。總結繫統控制材料提前損傷、提前破壞和提前失效的因素的理論、原則、技術和措施,使各個行業的產品設計師, 制造、使用和管理工程師有所啟示、有所參考、有所作為、有所貢獻; 盡可能地延長材料的使用壽命, 提高材料制成品的可靠性、安全性、經濟性和耐久性。這項工作實質上是針對過去與現在, 總結現有成果, 及早服務於國家建設。
二是研究未來。面對未來, 材料的優質化、高性能化、高強化、長壽命化, 多品質、多規格化、標準化、傳統材料的綜合優化、新材料的不斷創新,由此促進我國從“材料生產、銷售、消費大國” 轉變為“材料強國”。為此,我們組織了“材料延壽與可持續發展” 的戰略研究, 在開展大量的調查研究基礎上, 從國家長遠發展的眼光提出一整套的理論、原則、政策和建議, 促使我國早日成為“材料強國”, 支持國家“節約資源、節能減排”、“可持續發展” 和“保衛地球” 戰略。
目前, 在中國科協和中國工程院的領導與支持下, 一批材料科學工作者在努力地開展工作, 提出研究報告, 編寫並出版發行《材料延壽與可持續發展》繫列圖書, 供相關方面領導和工作人員參考。
希望通過我們的努力, 既能為設計師、制造、使用和管理工程師提高其產品對環境抗力的理論、原則、技術和措施; 又為國家成為“材料強國”, 提出種種設想、原則、措施和政策建議。
由於我們水平有限, 不當之處, 敬請批評指正。
中國工程院 院士
中國工程院 副院長
前言
自2000年以來, 中國汽車工業發展進入“快車道”, 每年汽車產量幾乎全以百分比兩位數的速度增長, 並於2003年達到1364萬輛, 超過美國, 居世界首位。此後, 多年來中國的汽車產銷量一直居世界。2013年產量達到2211萬輛, 汽車保有量超過1.2億輛, 汽車工業的主營收入超過6.人民幣, 利稅已接近8.人民幣。汽車工業已成為中國的支柱產業,汽車與人們日常生活密切相關, 而汽車產業對相關產業的帶動作用以及由此產生的汽車文化: 汽車展覽、汽車賽事、汽車旅遊、汽車的現代科技等, 也是沒有任何一個產業可與之相比; 對影響如此之大的一個產業, 其用材和組成零部件的失效分析、預防和延壽自然是人們關注的重大課題。任何一個零件的失效原因的準確分析, 特別是對一些關鍵零部件的分析, 並提出延壽的措施, 對於體量如此之大的汽車產業, 不是一個單純的技術問題, 而是將會對整個產業的發展產生深刻的影響, 進而產生巨大的經濟效益, 並給一個新車型的發展帶來巨大的商機。這正是本書選擇這一主題的重要原因所在。
早期繫統的失效分析工作始於第二次世界大戰後人們對自由輪的斷裂分析, 由此產生了材料低溫韌性的評價參量, 同時也使人們認識到失效分析不僅僅是尋找一個技術問題的解決方式, 同時還涉及相關技術產業的發展和影響產業發展的新的科學問題的產生; 隨後美國金屬學會組織編寫了《金屬手冊———斷口金相與斷口圖譜》, 該手冊的第10卷為失效分析預防, 從而使失效分析成為一門新興科學。20世紀60年代以後, 這門新興學科迅速發展,對汽車零件的失效分析和材料的改進展示出了重要的意義。美國的這本手冊已經出版到第9版, 足見這一繫統的巨著對技術發展所起的重要作用和意義。我國曾於20世紀80年代中期, 由中國機械工程學會材料學會組織編寫了《機械產品失效分析叢書》, 該套叢書反映和總結了我國當時的失效分析技術水平、主要成果和經驗, 叢書的出版曾對我國失效分析預防工作發揮了重大作用, 為產品質量的提升做出了貢獻。
《汽車材料和典型零件失效分析與延壽》全面論述了汽車材料和零部件的失效分析技術和預防措施, 全書共分七章。
第1章概述了汽車工業發展的趨勢、汽車用材(包括高強度鋼、先進高強度鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等結構材料) 的新近發展和應用以及孕育中的第三次產業革命對汽車發展趨勢的影響(即電動化、智能化和輕量化), 綜述了汽車在服役過程中的材料和構件的失效模式和預防失效、延壽的重要意義。
腐蝕給國民經濟尤其是汽車工業帶來的巨大損失, 第2章基於本書編著者承擔的中國工程院、國家科技部資助的社會公益項目以及重慶市的國際合作項目所進行的大量的觀測, 收集了大量相關數據和試驗結果, 展示了車輛材料在潮濕和酸雨的典型環境下的腐蝕研究成果, 並提出了在這類環境中提升材料和構件腐蝕抗力的措施。
第3章論述了鍍層板的種類、特點、性能、未來的發展趨勢, 以及對汽車防腐抗力提升的作用, 並通過大量的應用研究結果, 提出了應用鍍層板提升汽車防腐抗力的設計方法。
第4章概述了排氣繫統的零件構成、用材演變和進展。基於排氣繫統的熱端和冷端的失效模式, 尤其是對冷端冷凝腐蝕的研究和分析, 提出了排氣繫統的熱端和冷端失效的評價方法和防腐性能提升的措施。本章由中信金屬公司尚成嘉和張偉提出初稿, 編著者根據全書的撰寫思路進行了修改和補充。
第5章首先論述了金屬材料疲勞的特點、疲勞失效和斷口特征、疲勞的種類及表征參量, 疲勞的試驗方法和數據處理, 試圖給讀者關於疲勞方面的準確概念, 並概述了影響疲勞的因素和提高疲勞性能的措施。
第6章以大量的汽車零部件臺架試驗和使用中的失效案例的分析論述了汽車零部件的多種失效模式, 多因素的分析和認識方法, 希望能給讀者進行汽車典型零部件進行失效分析時一個新的多維的思維; 本章由劉珂軍和編著者共同完成。不少案例是實際經驗的總結和提升, 可供讀者在分析失效原因時進行借鋻。
汽車中的摩擦磨損是重要的失效模式之一, 摩擦不僅消耗汽車發動機的有效功, 磨損還會引起零件的早期失效, 第7章首先介紹摩擦磨損的類型、汽車中的典型零件的摩擦磨損失效的案例, 並提出了減少摩擦和降低磨損失效的途徑。
現代的失效分析是一門新穎的多學科交叉的綜合性技術。做好汽車材料和零件的失效分析工作, 涉及機械設計、力學、物理、材料、工藝、管理、材料試驗和微觀分析等多學科以及多學科交叉的專業知識, 同時還要了解零件的制造歷史、服役歷史, 準確地找出失效原因並提出預防措施, 是一項繫統工程。本書正是本著這一思想對汽車構件的常見的失效方式(腐蝕、疲勞、磨損) 進行論述; 這三種失效模式又相互交叉和聯繫。因此書中各章也相互滲透, 互有聯繫, 但針對特定的失效模式, 又自成體繫, 可獨立閱讀! 應該說明, 由於電動化、智能化和輕量化的發展, 汽車電器、電子、電控等技術迅速發展及其在現代汽車上的用量也迅速增加, 失效概率也較前增多, 有關這方面的失效與預防將另有專著論述, 不在本書涉及範圍。
本書涉及多學科的廣泛領域, 限於作者水平, 書中不當之處難免, 熱情希望讀者加以指正。本書初稿曾承總編委會李金桂研究員審閱, 化學工業出版社責任編輯劉麗宏、段志兵、王清顥為本書的出版付出了許多辛勤勞動,他們所提出的寶貴意見已經采用於書中, 中國工程院為編寫此書專門立項並多次召開會議, 給予指導和支持, 編著者在此並致謝意。
編著者
