本文介紹了材料環境適應性工程的基本概念，指出環境適應性工程由專業知識維、工程邏輯維和組織管理維組成，材料環境適應性工程以系統科學為方法，把材料環境適應性相關的各類專業知識進行綜合集成，為復雜產品（裝備）的研制和使用提供支持，為提高產品的質量提供支撐。最后給出了材料環境適應性工程的案例。

 

 

    文| 蔡健平　中國航天標準化與產品保證研究院

 

 

      材料是現代人類社會發展的三大支柱之一，材料對現代各類裝備的發展的作用越來越大。例如在航空航天工業中，人們常說“一代材料，一代飛機”，“沒有長壽命的材料，就沒有長壽命的航天裝備”。因此應重視材料科學和工程的相關技術在裝備中的應用。但是隨著現代產品（裝備） 功能和性能的要求日益提高，其服役環境日益惡劣和復雜。材料在現代產品（裝備） 服役環境中的表現已經成為裝備研制和使用中高風險的重要來源。例如1986 年1 月28 日，美國“挑戰者”號航天飛機在發射時發生爆炸，事故直接原因是低溫下右側助推器下端殼體接頭密封圈的橡膠性能變差所致。當時了解O 形橡膠圈的技術人員對發射風險提出了警告，但是NASA 的管理人員還是根據自己的經驗和解釋對發射進行了決策。現代產品（裝備）出現的大量的事故表明：材料工程應用中出現的風險不僅僅來源于材料本身的復雜性，也來源于服役環境的復雜性，還涉及到人的因素。因此現代武器裝備全壽命周期過程中， 急需組織材料研制和應用各個專業的工程技術團隊，并綜合考慮技術因素和管理因素，對材料全壽命周期的各個環節實施全面控制，以延長裝備的壽命，并提高裝備的經濟性，這就需要在裝備的全壽命周期中實施材料環境適應性工程。
 

    圖1　密封圈低溫性能差導致“挑戰者” 號航天飛機爆炸
 

  材料環境適應性工程的方法論和基本概念

 

 

    材料環境適應性工程的方法論

 

 

       由于材料在現代產品（裝備）的服役環境中所表現出的復雜性，過去簡單地通過“補窟窿”、“頭疼醫頭，腳疼醫腳” 的解決問題的方式，已經不適應現代裝備發展要求，而需要將各種技術方法和管理手段進行綜合集成，形成一張“恢恢天網”， 對現代裝備中材料環境適應性問題進行有效控制，這就需要新的方法論。

 

 

       傳統的解決問題的思路實際上是一種還原論方法，它把復雜問題分解為可分析的部分，認為知道初始條件就可以知道未來，追求簡單性和決定性。所以在解決材料環境適應性問題時，往往把相關問題歸結為某一方面技術或者管理問題，認為解決了這些“根本原因”，問題似乎就解決了， 但是對于具有復雜性的問題來說，這種解決問題的方法往往是“按下了葫蘆，浮起了瓢”，這就嚴重制約了裝備的發展。

 

 

       由于還原論在復雜的高技術產品、復雜的工程組織中越來越暴露出局限性，從上世紀上半葉開始，從古典科學中不斷生長出來的耗散結構論、協同學、突變論、控制論等新理論開始針對復雜系統形成了所謂的“復雜性科學”。“美國圣菲研究所認為，復雜性科學是21 世紀的科學，不是哪一門科學的前沿，而是整個科學的前沿。在我國，代表性的復雜性科學來源于系統工程論，它是”中國航天之父“錢學森在開創我國航天事業的過程中，逐步形成的將還原論方法和整體論方法結合起來， 從定性到定量綜合集成的方法，這種方法論既具有普遍意義也具有中國特色，這種方法論也是指導材料環境適應性工程的方法論。

 

 

    研究復雜系統的一般原則如下：

 

 

    （1） 定性判斷和定量計算相結合方法復雜系統由于存在多層次、非線性等特點，因此往往難以建立精確的數學模型進行定量描述，所以采用定量描述是遠遠不夠的，必須將定性判斷和定量計算結合起來。

 

 

    （2） 微觀分析和宏觀綜合相結合的方法

 

 

      由于整體由局部構成，局部由受到整體的約束支配。因此將微觀分析和宏觀綜合結合起來，更能發現系統的特征。

 

 

    （3） 還原論和整體論相結合的方法

 

 

     采用還原論便于研究的精細化，而整體論有助于從整體上把握系統，所以還原論方法和整體論方法相結合可以互補方法上的不足。

 

 

    （4） 確定性和不確定性描述相結合

 

 

     復雜系統內存在著確定的量和不確定的量，通過確定性和不確定性描述相結合才能真正體現系統的特征。

 

 

    （5） 科學推理和哲學思辨相結合

 

 

       科學推理有一定的合理性，但是由于客觀世界的復雜性，對于復雜系統可能會出現一些雜亂性的”奇異的現象“，這需要通過哲學思辨來把握研究方向。

 

 

    （6） 計算機模擬和專家智能相結合。

 

 

       復雜系統一般都難以建立精確的數學模型，所以專家的經驗十分重要，同時計算機的強大的模擬能力有利于解放腦力勞動，因此計算機模擬和專家智能相結合也是復雜系統研究的重要方法。

 

 

    圖2 是研究復雜系統的一般原則。
 

 
  圖1　密封圈低溫性能差導致“挑戰者” 號航天飛機爆炸
 

    材料環境適應性工程中的基本概念

 

 

       任何材料必然會在一定環境條件服役，因此材料的環境適應性是材料的通用特性。以系統工程的觀點，按照用戶的要求以工程手段實現材料的環境適應性，就形成了材料環境適應性工程。在材料環境適應性工程中，存在著下列概念：

 

 

    （1） 環境

 

 

      按照美國軍方的定義，環境指在任一時刻和任一地點產生或者存在的自然環境條件（如溫度、濕度、鹽霧、光照等）和誘發條件（如振動、疲勞、沖擊等）的綜合體。它是一個整體性概念，是裝備所面臨的外部條件的綜合。

 

 

    （2） 材料的環境適應性：指材料在其預計可能遇到的各種環境作用和時間長度下， 滿足裝備質量要求的能力；材料的環境適應性也可以定義為材料在服役環境作用下能夠實現其滿足裝備質量要求（如功能、性能、安全性、經濟性等）的能力，材料環境適應性是材料在環境作用下的通用特性，至于材料的特殊功能如隱身性能、導電性能則不是材料的環境適應性通用特性。

 

 

     （2） 材料環境適應性工程：指將各種科學技術和工程實踐用于提高材料的環境適應性的一門工程學科。材料環境適應性工程在實踐上是一項工程活動，作為工程學科是一項對各方面科學技術和工程實踐進行綜合集成的理論。

 

 

    材料環境適應性工程的理論架構

 

 

       按照所處理的系統問題的性質和方法本身的特性，系統論方法可分為硬系統方法論（HSM）和軟系統方法（SSM）。硬系統方法論以一個目標明確、系統可用清晰模型（或數學）能夠描述的情況為處理對象。但在實際情況下問題本身及其相關系統往往都不清晰，這時往往采用的方法稱為軟系統的方法。

 

 

       這里為了理論討論的方便，采用硬系統方法論將材料環境適應性工程的理論分成專業知識維、工程技術維和組織管理維，形成的三維結構示意圖見圖3。

 

 

    現將圖3 簡單介紹如下。

 

圖3　材料環境適應性工程的理論結構
 

    材料環境適應性工程目標

 

 

       材料環境適應性工程的目標是為了滿足裝備質量的要求。常見的目標有延長裝備耗損壽命、提高裝備使用的經濟性等定量的指標，也包含一些非定性的要求如易于維護，方便使用等。

 

 

    專業知識維

 

 

       專業知識維構成材料環境適應性工程的知識維度，它與專業知識研究密切相關， 基礎研究所獲得的專業知識對材料環境適應性工程有極大的支撐作用。專業知識維由下列部分組成。

 

 

    （1） 材料學

 

 

      材料學提供材料的結構和成分、性質、合成與加工、使用性能之間知識，在材料環境適應性工程中，這些知識是開展材料環境適應性工作的出發點。表1 列出了航空航天用高性能材料的種類和性質。
 

 

    （2） 材料環境損傷理論

 

 

      材料使用過程中，由于環境的作用導致其物理化學等質量特性的變化，從而導致材料的環境損傷。材料的環境損傷按照其時間特征分類可以分成下列兩類：

 

 

      過載型環境損傷：由于短時間內環境因素作用強度過大，造成材料在較短時間內徹底失效，如材料應力過載斷裂、過燒、雷擊等就屬這種類型。

 

 

     損耗型環境損傷：在環境因素的作用下，材料性能變化逐漸累積，不斷損耗材料的質量特性。如材料的疲勞就屬于這種類型。

 

 

    在材料的環境損傷中，損耗性損傷隱蔽性更強，危害更大，代表性損耗性損傷有疲勞、磨損、腐蝕。

 

 

       ASTM E206 定義材料的疲勞為：材料在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中的發生的局部的、永久結構變化的發展過程。

 

 

      材料磨損是指：材料不同的表面在外力作用下發生相互接觸并作相對運動（ 或運動趨勢） 時，導致材料消耗的過程。

 

 

      材料腐蝕指：材料受其周圍環境介質的化學、物理的或者生物的作用下引起材料物理化學性能和機械性能退化，以至最終喪失其使用功能的現象。

 

 

    （3） 材料加工工藝學

 

 

       材料加工指為使材料能夠變成所需的結構，使其形成所需形狀和性質的過程。常見的加工工藝有：機械加工、焊接加工、化學洗切以及表面處理等。由于加工過程會改變材料的形狀和性質，也對材料的環境適應性有較大的影響。

 

 

    （4） 材料失效分析

 

 

       失效分析是判斷產品的失效模式，查找產品失效機理和原因，提出預防再失效對策的活動。機械產品或零件失效的原因往往源于斷裂、腐蝕、磨損等材料環境適應性問題。

 

 

    工程邏輯維

 

 

       按照裝備全壽命周期中的邏輯，材料環境適應性工程技術主要由環境及其效應分析、材料環境適應性設計、材料環境適應性試驗與評估、使用維護中材料環境適應性控制技術（如材料延壽技術）等工程技術組成，各部分邏輯關系如圖4。
 

 

    組織管理維

 

 

       材料環境適應性工程中，組織管理通過統籌人、財、物，從而把各種知識和資源進行綜合集成。材料環境適應性工程的管理是既是一門技術更是一門藝術。管理和組織者需要整體上把握材料環境適應性工程的專業知識和工程技術，并對其進行優化組合，從而達到材料環境適應性工程的目標。材料環境適應性工程組織管理也需要以系統工程思想為指導，正如錢學森所指出的：”系統科學、系統工程和總體設計部，綜合集成和研討……提供了科學的組織管理方法和技術“。

 

 

    材料環境適應性工程典型案例

 

 

       據美國總審計局（GAO）2003 年的調查，材料腐蝕導致美軍的直接經濟損失約為200 億美元，構成武器系統全壽命周期的最大部分。在航空航天產業中，腐蝕問題造成的事故層出不窮。如美軍F16 戰斗機由于電子連接器的點偶腐蝕，造成一個編隊至少7 架飛機失事， 影響到飛機的安全性；美國KC-135 飛機50% 的維修是由于腐蝕引起，嚴重影響飛機的戰備完好性。在上述背景下，2002 年12 月2 日，美國總統簽署了公共法《2003 年度BOB STUMP 國防授權法案》，在1067 項”軍用裝備及其基礎設計的腐蝕控制與減緩“中，要求審計署對國防部的腐蝕問題進行監控。因此美國國防部按照圖5 建立了腐蝕控制組織機構，國防部腐蝕政策和監督辦公室根據圖6 的模型，計算得到2008 年美國航空和導彈裝備的年平均腐蝕費用約為14 億美元，而2005 年這一數字是16 億美元，這說明美國國防部腐蝕控制系統工程除了取得軍事效益、社會效益外，也持續地提高了裝備使用的經濟效益。