金屬材料在工業(yè)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對
——材料服役安全大科學(xué)設(shè)施介紹

供稿|梁治國

內(nèi)容導(dǎo)讀

材料作為人類改造世界的物質(zhì)基礎(chǔ)，在人類社會的每個階段都對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起著決定性作用。金屬材料因其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)與性能，在當(dāng)今世界中依舊是主要的結(jié)構(gòu)材料和重要的功能材料。隨著工業(yè)產(chǎn)品與工程設(shè)施越來越呈現(xiàn)出尺度超大化、工況環(huán)境極端化等特點，對其中關(guān)鍵核心材料的服役性能提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，以服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)核心戰(zhàn)場的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——重大工程材料服役安全研究評價設(shè)施建立實施，為推動關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域材料服役性能評價提供了有效的技術(shù)與裝備條件。通過突破大尺寸超大荷載下多場耦合等一大批核心技術(shù)，建成6 套大型實體科學(xué)裝置群和2 套支撐系統(tǒng)，對國家和行業(yè)重大需求的重要支撐推動作用日益顯現(xiàn)。

金屬材料在我國社會主義建設(shè)過程中，始終起著至關(guān)重要的作用。時至今日，金屬材料作為最主要的結(jié)構(gòu)材料和重要的功能材料，依舊持續(xù)不斷發(fā)揮著重要的推動作用。核電火電、石油石化、道路交通、市政設(shè)施等都以前所未有的速度被建造并投入使用，核心關(guān)鍵部件如果出現(xiàn)嚴(yán)重的材料失效，可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果和巨額的經(jīng)濟(jì)損失，而重大裝備和工程設(shè)施的核心零部件往往采用金屬材料加工制造而成，材料及構(gòu)件服役性能的可靠性評價與提升將成為一個工業(yè)制造部門必須積極解決的重大共性問題[1]。

金屬材料使用過程中面臨的工程挑戰(zhàn)

金屬材料具有光澤性強、延展性好、容易導(dǎo)電、傳熱性佳等性質(zhì)。根據(jù)元素周期表金屬可以分為堿金屬、堿土金屬、鑭系元素、錒系元素等；根據(jù)市場價值金屬可以分為：貴金屬、賤金屬、稀有金屬等；而在工業(yè)領(lǐng)域，一般分為黑色金屬和有色金屬兩種。黑色金屬包括鐵、鉻、錳等，其中鋼鐵是基本的結(jié)構(gòu)材料，稱為“工業(yè)的骨骼”，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種新型化學(xué)材料和新型非金屬材料的廣泛應(yīng)用，使鋼鐵的代用品不斷增多，對鋼鐵的需求量相對下降。根據(jù)應(yīng)用場景和所起的作用分類，金屬可以分為金屬結(jié)構(gòu)材料和金屬功能材料，金屬結(jié)構(gòu)材料主要是用于支撐、傳遞和承載負(fù)載，在應(yīng)用場景中側(cè)重于發(fā)揮其力學(xué)性能，而金屬功能材料更側(cè)重于在實際應(yīng)用場景中所具有的獨特性質(zhì)和功能，比如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁性等。

金屬結(jié)構(gòu)材料

我國國民經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展階段，超大型海上油氣平臺、西氣東輸工程、超大型橋梁、高鐵列車與輪軌、國產(chǎn)新一代核電站等一大批重大裝備與大戰(zhàn)略工程設(shè)施相繼建設(shè)和投入運行。大量裝備和工程設(shè)施的主結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵核心結(jié)構(gòu)、傳動部件基本上都是金屬材料，不難看出，尺寸大型化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、服役環(huán)境極端化、失效形式多樣化幾乎成為各行業(yè)必須面對的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于在很多工業(yè)領(lǐng)域，我國走的是“引進(jìn)—消化—吸收—再創(chuàng)新”的發(fā)展路徑，核心關(guān)鍵材料和部件的制造技術(shù)往往依靠國外進(jìn)口，隨著我國制造業(yè)發(fā)展的自主可控要求不斷明確以及很多超級工程的啟動建造，核心材料和設(shè)計數(shù)據(jù)越來越難以通過國際合作獲得，而且很多工況環(huán)境與載荷要求，國外也沒有先例，必須由我國企業(yè)來自主解決制約我國先進(jìn)材料開發(fā)和高端裝備核心部件制造的瓶頸問題。聚焦核心零部件制造開發(fā)環(huán)節(jié)，我國的材料設(shè)計和加工制造技術(shù)往往還是以傳統(tǒng)實驗室小尺寸標(biāo)準(zhǔn)試樣在單一或簡單實驗環(huán)境中獲取的服役性能數(shù)據(jù)作為設(shè)計依據(jù)。由于金屬材料的各向異性，真實的結(jié)構(gòu)性能存在顯著的尺寸效應(yīng)，尤其是實際服役工況是一個復(fù)雜的力學(xué)、化學(xué)等多因素耦合環(huán)境，大尺寸材料或全尺寸構(gòu)件、裝備在實際服役工況多因素耦合作用環(huán)境下，將呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)實驗室標(biāo)準(zhǔn)材料試樣不同的失效行為規(guī)律。在實際工程中，金屬結(jié)構(gòu)材料或構(gòu)件往往結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，很多重型裝備核心關(guān)鍵部件都需要將不同尺寸、不同性質(zhì)的工程材料或構(gòu)件連接在一起，構(gòu)成更大的或者整體性的結(jié)構(gòu)。因此工程材料的種類、尺寸，構(gòu)件的幾何形式，構(gòu)件的連接方法等對工程材料的服役性能、使用壽命都將產(chǎn)生重要的影響。工業(yè)產(chǎn)品從設(shè)計開發(fā)到工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，整個鏈條存在著很多影響因素，致使出現(xiàn)設(shè)計壽命與實際壽命嚴(yán)重不符的情況，這將導(dǎo)致金屬部件因存在安全風(fēng)險而缺乏真實的服役性能數(shù)據(jù)而無法順利投入使用[2-4]。

金屬功能材料

金屬功能材料過去是金屬材料的一個小分支，但是，近年來，隨著全球功能材料研究的飛速發(fā)展，金屬功能材料也有了重要進(jìn)展，已經(jīng)成為一類不可忽視的功能材料。它們包含金屬磁性材料、金屬能源材料、金屬催化材料、形狀記憶合金和機敏金屬材料、金屬電子材料等。聚焦應(yīng)用環(huán)節(jié)，金屬功能材料往往需要面向全新應(yīng)用場景和需求，開展新型功能的研發(fā)與產(chǎn)品化，雖然相對于結(jié)構(gòu)材料而言，其結(jié)構(gòu)承載能力不作為其主要性能，但如果功能材料在實際服役過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失效，無法正常實現(xiàn)其設(shè)計功能，將給整個部件甚至裝備設(shè)施帶來巨大的風(fēng)險和事故隱患。隨著先進(jìn)功能材料和先進(jìn)制備技術(shù)的發(fā)展，金屬功能材料也逐步呈現(xiàn)出材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化的開發(fā)制備趨勢，材料構(gòu)件的構(gòu)型、內(nèi)應(yīng)力分布、材料成分的均勻性以及雜質(zhì)的分布等也將對工程材料的服役性能、使用壽命以及實際強度產(chǎn)生重要影響[5-6]。盡管常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)材料試樣的服役性能數(shù)據(jù)有一定的科學(xué)技術(shù)價值，但大量事實表明它不足以作為評價工程材料或構(gòu)件的性能依據(jù)[7]。

金屬功能材料的服役過程受到應(yīng)力應(yīng)變場、溫度場、化學(xué)環(huán)境場、電場、磁場等多場耦合作用，實驗室單一環(huán)境或簡單環(huán)境與實際服役工況環(huán)境存在一定的差別，簡單環(huán)境和復(fù)雜多因素耦合環(huán)境下功能材料服役性能的時變特性表現(xiàn)不一，隨時間的變化規(guī)律不盡相同。依據(jù)簡化條件和基于簡單環(huán)境試驗所建立的失效理論往往難以描述多場耦合作用下失效規(guī)律和失效機理。

重大工程材料服役安全研究評價設(shè)施建設(shè)與運行情況

針對重大工程材料服役安全評價這一重大問題，國家發(fā)改委積極探索大科學(xué)裝置服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新模式，批復(fù)由北京科技大學(xué)牽頭建設(shè)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“重大工程材料服役安全研究評價設(shè)施”。該項目是首個直接面向國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的大科學(xué)設(shè)施，同時也是首個教育部直屬高校牽頭承建的大科學(xué)設(shè)施。項目建設(shè)地點位于北京市昌平區(qū)未來科學(xué)城，于2022 年11 月通過了國家驗收，現(xiàn)已全面投入運行。圖1 是設(shè)施正門俯瞰圖。

圖1 國家材料服役安全科學(xué)中心正門及主樓俯瞰圖

項目建設(shè)團(tuán)隊堅持“團(tuán)結(jié)務(wù)實、科學(xué)管理、專家決策、集智創(chuàng)新”的理念，面向國家戰(zhàn)略與行業(yè)重大需求，經(jīng)過數(shù)百次的現(xiàn)場調(diào)研、方案論證，創(chuàng)建“在真實服役工況環(huán)境下實時研究真實工程材料的真實失效過程”4R 試驗方法論，引領(lǐng)試驗評價研究范式從簡單環(huán)境小樣品實驗向多場耦合工況環(huán)境大尺寸材料/全尺寸構(gòu)件試驗的變革，創(chuàng)新突破了以162 項專利為代表的“尺度—環(huán)境—時間”多尺度多維度工程材料服役安全評價系列關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建起六大類自主可控的工程材料服役安全評價關(guān)鍵技術(shù)體系，大幅提升了我國工程材料服役安全評價能力和水平。建成世界一流、公共性、通用性、開放共享的大型科學(xué)試驗裝置，其中包括多相流、高溫高壓、自然大氣、特殊地域、力學(xué)化學(xué)多場耦合、極端多因素等6 套大型實體試驗裝置群，仿真和開放共享2 套支撐系統(tǒng)，裝置群于2021 年12 月通過CNAS（China national accreditation service for conformity assessment）體系認(rèn)證。目前已有4 套物理裝置經(jīng)國際評估，建設(shè)水平和綜合試驗?zāi)芰?yōu)于國內(nèi)外同類裝置。該設(shè)施各試驗裝置構(gòu)成示意圖如圖2。

圖2 重大工程材料服役安全研究評價設(shè)施各試驗裝置構(gòu)成示意圖

多相流環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置

聚焦我國工業(yè)管道壽命預(yù)測和可靠性評價的核心難題，建成具有國際領(lǐng)先水平的4 英寸工業(yè)級多相流管道腐蝕試驗環(huán)路，能夠精準(zhǔn)模擬油、氣、水、固等多相介質(zhì)共存的工業(yè)管道服役工況，實現(xiàn)流型流態(tài)可視化和腐蝕失效過程的全信息監(jiān)測與研究，圖3 是該裝置群實景圖。目前，該裝置已承擔(dān)長慶油田、國家戰(zhàn)略儲氣庫、延長油田等單位委托的科研實驗任務(wù)。

圖3 多相流環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置實景圖

高溫高壓水汽環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置

聚焦我國核電、火電等能源裝備關(guān)鍵核心構(gòu)件的服役壽命和可靠性評價難題，建成的高溫高壓水汽環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置在國際上首次實現(xiàn)高溫高壓雙回路與管道加載耦合工況，首次實現(xiàn)火電站超超臨界環(huán)境與管道加載耦合工況，超大試驗空間包含國際最大的280 L 高壓釜和流速最高循環(huán)回路，實現(xiàn)對全尺寸、多形狀構(gòu)件的復(fù)雜模式加載，3 套核心裝置能夠分別覆蓋目前所有的第二代和第三代壓水堆核電站參數(shù)及現(xiàn)有和正在建設(shè)的所有超超臨界火電站設(shè)計參數(shù)要求，綜合試驗?zāi)芰?yōu)于國內(nèi)外同類裝置，圖4 是該裝置群中亞臨界高流速管道腐蝕加載試驗裝置實景圖。該裝置已承擔(dān)國產(chǎn)核電站關(guān)鍵管道、火電站新一代耐熱鋼、國產(chǎn)燃?xì)廨啓C渦輪葉片關(guān)鍵材料等測試評價與科研任務(wù)。

圖4 亞臨界高流速管道腐蝕加載試驗裝置實景圖

自然大氣環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置

針對我國特殊大氣環(huán)境及其效應(yīng)特性，圍繞工業(yè)和城市基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域中工程材料與構(gòu)件在自然環(huán)境中存在的腐蝕、老化失效問題，建成涵蓋溫度、濕度、淋雨、鹽霧、全光譜輻照、紫外、污染氣氛、浪涌等多環(huán)境因素耦合大型步入式環(huán)境模擬試驗裝置，結(jié)合一系列中小型配套設(shè)備、監(jiān)檢測系統(tǒng)及先進(jìn)仿真評價能力，形成了具有多環(huán)境耦合的大型試驗研究評價平臺，綜合試驗?zāi)芰?yōu)于國內(nèi)外同類裝置，圖5 是其中的大型步入式環(huán)境模擬試驗裝置實景圖。裝置已承擔(dān)北京冬奧會主會場活動關(guān)鍵保障系統(tǒng)、核電站乏燃料貯存關(guān)鍵材料與結(jié)構(gòu)等多項國家重大試驗與研究任務(wù)。

圖5 自然大氣環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置

特殊地域環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置

針對路面工程，模擬高速公路、橋梁、機場道路等交通設(shè)施在不同環(huán)境因素和車輛載荷耦合作用下的長期服役行為，為路面結(jié)構(gòu)的性能檢測、損傷機理、壽命預(yù)測等基礎(chǔ)性和應(yīng)用基礎(chǔ)性研究提供工作平臺，已建成封閉式直線試驗系統(tǒng)和開放式環(huán)道系統(tǒng)，在世界上首次實現(xiàn)覆蓋全域，高低溫、強降雨、強紫外、高地下水位等極端環(huán)境與各種重載車輛荷載的耦合控制，綜合試驗?zāi)芰?yōu)于國內(nèi)外同類裝置，圖6 是其中封閉式直線加速加載試驗裝置實景圖和環(huán)道加載裝置實景圖。

圖6 封閉式直線加速加載試驗裝置實景圖(a)和環(huán)道加載裝置實景圖(b)

力學(xué)-化學(xué)多場耦合環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置

建成國內(nèi)最大的2000 t 疲勞、3000 t 靜載的集中加載試驗系統(tǒng)，26 通道多點協(xié)調(diào)加載試驗系統(tǒng)、6 自由度復(fù)合加載系統(tǒng)、超長時蠕變試驗機群、環(huán)境模擬復(fù)合加載系統(tǒng)及遠(yuǎn)程混合試驗系統(tǒng)等大型裝置，可開展多場耦合環(huán)境下大尺寸、全尺寸構(gòu)件等效加速試驗，大大提升我國大型關(guān)鍵核心構(gòu)件與結(jié)構(gòu)服役評價的實驗測試能力，圖7 是該裝置主要設(shè)備實景圖。建設(shè)水平優(yōu)于國內(nèi)外同類裝置。已承擔(dān)國產(chǎn)重型燃?xì)廨啓C主軸、國產(chǎn)下一代16 MW 風(fēng)電、天眼饋源支撐鋼纜、北京冬奧會國家速滑館頂部索網(wǎng)系統(tǒng)、北京城市排水主管道、極地采油裝備關(guān)鍵部件、國產(chǎn)高鐵主承重結(jié)構(gòu)等重大裝備關(guān)鍵部件的試驗與研究任務(wù)。

圖7 力學(xué)-化學(xué)多場耦合環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗裝置實景圖：(a)可實現(xiàn)2000 t 疲勞載荷、3000 t 靜載荷臥式拉壓試驗機；(b)超長時金屬高溫蠕變試驗機群；(c)試驗裝置全景圖

極端/多因素耦合環(huán)境材料損傷試驗裝置

建成國內(nèi)首套實現(xiàn)原位觀測的核電站極端/多因素環(huán)境試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度、壓力、水化學(xué)參數(shù)精確模擬及動、靜態(tài)載荷控制，通過耦合光學(xué)、光譜、電化學(xué)、聲發(fā)射等原位分析技術(shù)實現(xiàn)對極端復(fù)雜環(huán)境下材料失效機理的精細(xì)化研究。與高溫高壓試驗裝置功能互補，形成系統(tǒng)化、全覆蓋、規(guī)?；母邷馗邏核h(huán)境材料損傷研究與評價體系，圖8是該試驗裝置部分設(shè)備實景圖。

圖8 極端/多因素耦合環(huán)境材料損傷試驗裝置部分設(shè)備實景圖

工程結(jié)構(gòu)材料損傷仿真試驗系統(tǒng)

建成超越極端環(huán)境和時間/空間尺度限制的集成化、協(xié)同化數(shù)字仿真試驗平臺，開展面向材料失效全過程的多尺度仿真試驗，與物理試驗裝置相結(jié)合，大大拓展裝置的整體能力，圖9 是該系統(tǒng)視景室。系統(tǒng)已承擔(dān)長貯裝備性能評估、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱-力-氧化多場耦合環(huán)境失效等仿真分析研究任務(wù)。

圖9 工程結(jié)構(gòu)材料損傷仿真試驗系統(tǒng)視景室

開放共享配套設(shè)施

運用實驗網(wǎng)、知識圖譜、人工智能等先進(jìn)的信息化手段，建成集成化的開放共享配套設(shè)施，實現(xiàn)裝置試驗服務(wù)、仿真試驗研究、科學(xué)數(shù)據(jù)和安全評價方法的開放共享，圖10 為該設(shè)施實景圖。設(shè)施已承擔(dān)我國深海極端環(huán)境鈦合金、大型壓水堆核電站關(guān)鍵材料、重型燃機高溫合金、大型風(fēng)電葉片等重大工程數(shù)據(jù)建模與安全評價研究任務(wù)。

圖10 開放共享配套設(shè)施實景圖

結(jié)束語

針對我國重大工程和設(shè)施服役過程中的尺度域、環(huán)境域、時間域和安全評價等科學(xué)問題開展試驗研究，是為我國重大裝備開發(fā)制造和工程設(shè)施安全服役的必然技術(shù)支撐。通過匯聚形成一支由國內(nèi)外院士、國家特聘教授領(lǐng)銜的高水平科研試驗團(tuán)隊，積極開展國內(nèi)外合作，建立統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為建設(shè)我國自主可控的中國式現(xiàn)代化保駕護(hù)航。未來，國家科學(xué)中心及材料服役安全大科學(xué)設(shè)施將堅持“四個面向”，聚焦我國重大需求，緊盯終端應(yīng)用場景，加強產(chǎn)教融合，以服務(wù)我國工業(yè)核心技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，打造世界一流的科學(xué)研究機構(gòu)。