本文介绍了材料环境适应性工程的基本概念，指出环境适应性工程由专业知识维、工程逻辑维和组织管理维组成，材料环境适应性工程以系统科学为方法，把材料环境适应性相关的各类专业知识进行综合集成，为复杂产品（装备）的研制和使用提供支持，为提高产品的质量提供支撑。最后给出了材料环境适应性工程的案例。

 

 

    文| 蔡健平　中国航天标准化与产品保证研究院

 

 

      材料是现代人类社会发展的三大支柱之一，材料对现代各类装备的发展的作用越来越大。例如在航空航天工业中，人们常说“一代材料，一代飞机”，“没有长寿命的材料，就没有长寿命的航天装备”。因此应重视材料科学和工程的相关技术在装备中的应用。但是随着现代产品（装备） 功能和性能的要求日益提高，其服役环境日益恶劣和复杂。材料在现代产品（装备） 服役环境中的表现已经成为装备研制和使用中高风险的重要来源。例如1986 年1 月28 日，美国“挑战者”号航天飞机在发射时发生爆炸，事故直接原因是低温下右侧助推器下端壳体接头密封圈的橡胶性能变差所致。当时了解O 形橡胶圈的技术人员对发射风险提出了警告，但是NASA 的管理人员还是根据自己的经验和解释对发射进行了决策。现代产品（装备）出现的大量的事故表明：材料工程应用中出现的风险不仅仅来源于材料本身的复杂性，也来源于服役环境的复杂性，还涉及到人的因素。因此现代武器装备全寿命周期过程中， 急需组织材料研制和应用各个专业的工程技术团队，并综合考虑技术因素和管理因素，对材料全寿命周期的各个环节实施全面控制，以延长装备的寿命，并提高装备的经济性，这就需要在装备的全寿命周期中实施材料环境适应性工程。
 

    图1　密封圈低温性能差导致“挑战者” 号航天飞机爆炸
 

  材料环境适应性工程的方法论和基本概念

 

 

    材料环境适应性工程的方法论

 

 

       由于材料在现代产品（装备）的服役环境中所表现出的复杂性，过去简单地通过“补窟窿”、“头疼医头，脚疼医脚” 的解决问题的方式，已经不适应现代装备发展要求，而需要将各种技术方法和管理手段进行综合集成，形成一张“恢恢天网”， 对现代装备中材料环境适应性问题进行有效控制，这就需要新的方法论。

 

 

       传统的解决问题的思路实际上是一种还原论方法，它把复杂问题分解为可分析的部分，认为知道初始条件就可以知道未来，追求简单性和决定性。所以在解决材料环境适应性问题时，往往把相关问题归结为某一方面技术或者管理问题，认为解决了这些“根本原因”，问题似乎就解决了， 但是对于具有复杂性的问题来说，这种解决问题的方法往往是“按下了葫芦，浮起了瓢”，这就严重制约了装备的发展。

 

 

       由于还原论在复杂的高技术产品、复杂的工程组织中越来越暴露出局限性，从上世纪上半叶开始，从古典科学中不断生长出来的耗散结构论、协同学、突变论、控制论等新理论开始针对复杂系统形成了所谓的“复杂性科学”。“美国圣菲研究所认为，复杂性科学是21 世纪的科学，不是哪一门科学的前沿，而是整个科学的前沿。在我国，代表性的复杂性科学来源于系统工程论，它是”中国航天之父“钱学森在开创我国航天事业的过程中，逐步形成的将还原论方法和整体论方法结合起来， 从定性到定量综合集成的方法，这种方法论既具有普遍意义也具有中国特色，这种方法论也是指导材料环境适应性工程的方法论。

 

 

    研究复杂系统的一般原则如下：

 

 

    （1） 定性判断和定量计算相结合方法复杂系统由于存在多层次、非线性等特点，因此往往难以建立精确的数学模型进行定量描述，所以采用定量描述是远远不够的，必须将定性判断和定量计算结合起来。

 

 

    （2） 微观分析和宏观综合相结合的方法

 

 

      由于整体由局部构成，局部由受到整体的约束支配。因此将微观分析和宏观综合结合起来，更能发现系统的特征。

 

 

    （3） 还原论和整体论相结合的方法

 

 

     采用还原论便于研究的精细化，而整体论有助于从整体上把握系统，所以还原论方法和整体论方法相结合可以互补方法上的不足。

 

 

    （4） 确定性和不确定性描述相结合

 

 

     复杂系统内存在着确定的量和不确定的量，通过确定性和不确定性描述相结合才能真正体现系统的特征。

 

 

    （5） 科学推理和哲学思辨相结合

 

 

       科学推理有一定的合理性，但是由于客观世界的复杂性，对于复杂系统可能会出现一些杂乱性的”奇异的现象“，这需要通过哲学思辨来把握研究方向。

 

 

    （6） 计算机模拟和专家智能相结合。

 

 

       复杂系统一般都难以建立精确的数学模型，所以专家的经验十分重要，同时计算机的强大的模拟能力有利于解放脑力劳动，因此计算机模拟和专家智能相结合也是复杂系统研究的重要方法。

 

 

    图2 是研究复杂系统的一般原则。
 

 
  图1　密封圈低温性能差导致“挑战者” 号航天飞机爆炸
 

    材料环境适应性工程中的基本概念

 

 

       任何材料必然会在一定环境条件服役，因此材料的环境适应性是材料的通用特性。以系统工程的观点，按照用户的要求以工程手段实现材料的环境适应性，就形成了材料环境适应性工程。在材料环境适应性工程中，存在着下列概念：

 

 

    （1） 环境

 

 

      按照美国军方的定义，环境指在任一时刻和任一地点产生或者存在的自然环境条件（如温度、湿度、盐雾、光照等）和诱发条件（如振动、疲劳、冲击等）的综合体。它是一个整体性概念，是装备所面临的外部条件的综合。

 

 

    （2） 材料的环境适应性：指材料在其预计可能遇到的各种环境作用和时间长度下， 满足装备质量要求的能力；材料的环境适应性也可以定义为材料在服役环境作用下能够实现其满足装备质量要求（如功能、性能、安全性、经济性等）的能力，材料环境适应性是材料在环境作用下的通用特性，至于材料的特殊功能如隐身性能、导电性能则不是材料的环境适应性通用特性。

 

 

     （2） 材料环境适应性工程：指将各种科学技术和工程实践用于提高材料的环境适应性的一门工程学科。材料环境适应性工程在实践上是一项工程活动，作为工程学科是一项对各方面科学技术和工程实践进行综合集成的理论。

 

 

    材料环境适应性工程的理论架构

 

 

       按照所处理的系统问题的性质和方法本身的特性，系统论方法可分为硬系统方法论（HSM）和软系统方法（SSM）。硬系统方法论以一个目标明确、系统可用清晰模型（或数学）能够描述的情况为处理对象。但在实际情况下问题本身及其相关系统往往都不清晰，这时往往采用的方法称为软系统的方法。

 

 

       这里为了理论讨论的方便，采用硬系统方法论将材料环境适应性工程的理论分成专业知识维、工程技术维和组织管理维，形成的三维结构示意图见图3。

 

 

    现将图3 简单介绍如下。

 

图3　材料环境适应性工程的理论结构
 

    材料环境适应性工程目标

 

 

       材料环境适应性工程的目标是为了满足装备质量的要求。常见的目标有延长装备耗损寿命、提高装备使用的经济性等定量的指标，也包含一些非定性的要求如易于维护，方便使用等。

 

 

    专业知识维

 

 

       专业知识维构成材料环境适应性工程的知识维度，它与专业知识研究密切相关， 基础研究所获得的专业知识对材料环境适应性工程有极大的支撑作用。专业知识维由下列部分组成。

 

 

    （1） 材料学

 

 

      材料学提供材料的结构和成分、性质、合成与加工、使用性能之间知识，在材料环境适应性工程中，这些知识是开展材料环境适应性工作的出发点。表1 列出了航空航天用高性能材料的种类和性质。
 

 

    （2） 材料环境损伤理论

 

 

      材料使用过程中，由于环境的作用导致其物理化学等质量特性的变化，从而导致材料的环境损伤。材料的环境损伤按照其时间特征分类可以分成下列两类：

 

 

      过载型环境损伤：由于短时间内环境因素作用强度过大，造成材料在较短时间内彻底失效，如材料应力过载断裂、过烧、雷击等就属这种类型。

 

 

     损耗型环境损伤：在环境因素的作用下，材料性能变化逐渐累积，不断损耗材料的质量特性。如材料的疲劳就属于这种类型。

 

 

    在材料的环境损伤中，损耗性损伤隐蔽性更强，危害更大，代表性损耗性损伤有疲劳、磨损、腐蚀。

 

 

       ASTM E206 定义材料的疲劳为：材料在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中的发生的局部的、永久结构变化的发展过程。

 

 

      材料磨损是指：材料不同的表面在外力作用下发生相互接触并作相对运动（ 或运动趋势） 时，导致材料消耗的过程。

 

 

      材料腐蚀指：材料受其周围环境介质的化学、物理的或者生物的作用下引起材料物理化学性能和机械性能退化，以至最终丧失其使用功能的现象。

 

 

    （3） 材料加工工艺学

 

 

       材料加工指为使材料能够变成所需的结构，使其形成所需形状和性质的过程。常见的加工工艺有：机械加工、焊接加工、化学洗切以及表面处理等。由于加工过程会改变材料的形状和性质，也对材料的环境适应性有较大的影响。

 

 

    （4） 材料失效分析

 

 

       失效分析是判断产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防再失效对策的活动。机械产品或零件失效的原因往往源于断裂、腐蚀、磨损等材料环境适应性问题。

 

 

    工程逻辑维

 

 

       按照装备全寿命周期中的逻辑，材料环境适应性工程技术主要由环境及其效应分析、材料环境适应性设计、材料环境适应性试验与评估、使用维护中材料环境适应性控制技术（如材料延寿技术）等工程技术组成，各部分逻辑关系如图4。
 

 

    组织管理维

 

 

       材料环境适应性工程中，组织管理通过统筹人、财、物，从而把各种知识和资源进行综合集成。材料环境适应性工程的管理是既是一门技术更是一门艺术。管理和组织者需要整体上把握材料环境适应性工程的专业知识和工程技术，并对其进行优化组合，从而达到材料环境适应性工程的目标。材料环境适应性工程组织管理也需要以系统工程思想为指导，正如钱学森所指出的：”系统科学、系统工程和总体设计部，综合集成和研讨……提供了科学的组织管理方法和技术“。

 

 

    材料环境适应性工程典型案例

 

 

       据美国总审计局（GAO）2003 年的调查，材料腐蚀导致美军的直接经济损失约为200 亿美元，构成武器系统全寿命周期的最大部分。在航空航天产业中，腐蚀问题造成的事故层出不穷。如美军F16 战斗机由于电子连接器的点偶腐蚀，造成一个编队至少7 架飞机失事， 影响到飞机的安全性；美国KC-135 飞机50% 的维修是由于腐蚀引起，严重影响飞机的战备完好性。在上述背景下，2002 年12 月2 日，美国总统签署了公共法《2003 年度BOB STUMP 国防授权法案》，在1067 项”军用装备及其基础设计的腐蚀控制与减缓“中，要求审计署对国防部的腐蚀问题进行监控。因此美国国防部按照图5 建立了腐蚀控制组织机构，国防部腐蚀政策和监督办公室根据图6 的模型，计算得到2008 年美国航空和导弹装备的年平均腐蚀费用约为14 亿美元，而2005 年这一数字是16 亿美元，这说明美国国防部腐蚀控制系统工程除了取得军事效益、社会效益外，也持续地提高了装备使用的经济效益。