材料的生态设计.
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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
2018/10/18
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§1
材料生态设计概念
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生态设计的概念
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。
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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。
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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。
0Cr13Ni13 0Cr25Ni20 …
M不锈钢：1Cr17Ni2 2Cr13 3Cr13 … 耐热钢： Cr30Ni20 2Cr23Ni13 2Cr25Ni20 1Cr16Ni35 … 炉用耐热钢：1Cr23Ni13 1Cr23Ni18… 电热体用钢：Cr20Ni80… 上述钢种，由于成分、组织的差异，性能有很大的不同，应用于许多场合，但在化学成分上， 却只有C-Fe-Cr-Ni，其中碳是易控制元素，其余皆为全保留元素，所以是值得研究的符合通用合金 概念的合金体系。
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结构钢：20Cr 40Cr 30CrNi3 40CrNi 45CrNi …
弹簧钢：50CrNi 50CrVA 渗碳钢：12CrNi2 12CrNi3 12Cr2Ni4 20CrNi3 … 轴承钢：GCr15，G20Cr2Ni4 … F/A不锈钢：1Cr17Ni7 1Cr18Ni9 0Cr19Ni9 00Cr19Ni11 1Cr18Ni12
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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§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Βιβλιοθήκη Baidu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。
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）
9. 推进非物质化，以服务换产品（性能销售），减少物质化的建设项目。例如，推行专业化热处理服
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；
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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在节能减排和全球化背景下，作为材料工作者，第二个问题更为重要。
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但迄今为止材料研究者一直在致力于研究和开发更强、更韧、能在更严酷、更极端的环境下使用的
具有更高或特殊性能的材料。结果是不断有各种各样化学组成的材料被开发出来，但节约资源及如何作 到易于再生循环的观念仍然淡薄。现在，这种观念正在不断改变中。
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
§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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§1
材料生态设计概念
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生态设计的概念
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。
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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。
9
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。
0Cr13Ni13 0Cr25Ni20 …
M不锈钢：1Cr17Ni2 2Cr13 3Cr13 … 耐热钢： Cr30Ni20 2Cr23Ni13 2Cr25Ni20 1Cr16Ni35 … 炉用耐热钢：1Cr23Ni13 1Cr23Ni18… 电热体用钢：Cr20Ni80… 上述钢种，由于成分、组织的差异，性能有很大的不同，应用于许多场合，但在化学成分上， 却只有C-Fe-Cr-Ni，其中碳是易控制元素，其余皆为全保留元素，所以是值得研究的符合通用合金 概念的合金体系。
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结构钢：20Cr 40Cr 30CrNi3 40CrNi 45CrNi …
弹簧钢：50CrNi 50CrVA 渗碳钢：12CrNi2 12CrNi3 12Cr2Ni4 20CrNi3 … 轴承钢：GCr15，G20Cr2Ni4 … F/A不锈钢：1Cr17Ni7 1Cr18Ni9 0Cr19Ni9 00Cr19Ni11 1Cr18Ni12
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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§2
符合生态设计概念的材料科学与工程
2018/10/18
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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Βιβλιοθήκη Baidu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。
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）
9. 推进非物质化，以服务换产品（性能销售），减少物质化的建设项目。例如，推行专业化热处理服
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；
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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在节能减排和全球化背景下，作为材料工作者，第二个问题更为重要。
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但迄今为止材料研究者一直在致力于研究和开发更强、更韧、能在更严酷、更极端的环境下使用的
具有更高或特殊性能的材料。结果是不断有各种各样化学组成的材料被开发出来，但节约资源及如何作 到易于再生循环的观念仍然淡薄。现在，这种观念正在不断改变中。
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