（材料科学与工程专业论文）gcr15钢快速球化工艺及生命周期评估（lca）的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 环境材料要求材料同时具有功能性、舒适性和环境性，金属材料在热处理 后要求具有多方面的综合性能，为了解决多性能指标之间量纲不同，又无统一综 合评分方法的问题，提出了多指标的综合量化评价方法，把各种不同的性能指标 归化到一个综合性能值。该评价方法分别定义了相对性能指数( r i ) 、等价性能 指数( e i ) 和综合性能值( i v ) 三个概念，从而把多指标问题转化为单一的综合 性能值。这种综合评价方法在随后改进工艺中的a c l f 温度选择、改进的等温快 速球化工艺的选择和调质快速球化工艺的选择，以及不同球化工艺的性能比较和 绿色度方程式的求解等几个方面得到应用。 为体现综合评价方法的具体应用，针对传统球化工艺周期长、能耗大、劳 动生产率低。对g c r l 5 钢的球化工艺进行了研究，期望找到节能球化的工艺方案。 改进工艺集中在对保温时间和保温温度两个主要的热处理工艺参数的再研究：文 章对传统等温球化退火工艺进行了改进。根据“a c l f 温度透烧加热”球化的原 理，通过正交试验方法安排试验方案，利用定量金相计算了不同方案的残留碳化 物大小、含量。对球化碳化物粒径、体积分数以及硬度三个性能指标进行了综合 量化，从而得出实验用钢在8 0 0 h 加热速度下的a c l f 值( 8 0 0 ) 。然后对j ： 述试验中出现的球化不均匀问题进行了讨论，并制订出最终的等温快速球化退火 工艺；文章还对传统的调质球化工艺进行了改进。提出了低温透烧奥氏体化的淬 火方案。并根据g c r l 5 钢回火p 曲线以及“回火温度和回火时间对g c r l 5 钢应力 降低程度的影晌”曲线，制定了更高温度，更短时闯的回火工艺，最终制定了调 质快速球化工艺。 针对球化工艺生命周期评价的特殊性，建立了球化工艺的l c a 层次结构表 和球化过程中物质和能量的平衡示意图，提出球化工艺设备等五点假设。然后， 对传统等温球化退火、等温快速球化退火、传统调质球化、调质快速球化四种工 艺进行讨论，计算了理想条件下工件、炉体吸收和释放能量的数值及其关系。最 后提出了提高球化效率增加球化绿色度的途径，利用综合量化思想建立并求解了 能源与质量的绿色度方程式。 江苏大学硕士学位论文 试验利用光学显微镜、扫描电镜、x 射线、硬度计、冲击试验机和摩擦磨损 试验机等检测设备测试不同工艺的组织和性能。 关键词：环境材料，节能，球化，等温球化退火，调质，综合量化 热处理质量，生命周期评估( l c a ) 1 1 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee c o - m a t e r i a l sr e q u e s tt h em a t e r i a lt oh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fg o o d c o m p r e h e n s i v e p r o p e r t i e s ， e n v i r o n m e n tc o n s c i o u s n e s sa n d c o m f o r t i b i l i t y s i m u l t a n e o u s l y a n d m e t a l l i c m a t e r i a la l s o r e q u e s t s t oh a v e c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c e sa f t e rh e a tt r e a t m e n t f o rt h es a k eo fs o l v i n gt h eq u e s t i o nt od i f f e r e n t d i m e n s i o n sa n dh a v i n gn ou n i t e dn o r m a l i z a t i o n ，c o m p r e h e n s i v eq u a n t i z a t i o no f m u l t i i n d e xi sp u tf o r w a r d a n di tc a nt u r nm u l t i - i n d e xs y s t e mi n t oa ni n t e g r a t e d v a l u eo fp e r f o r m a n c e t h er e l a t i v ei n d e xo fp e r f o r m a n c ef r l ) ，e q u i v a l e n ti n d e xo f p e r f o r m a n c e ( e i ) a n di n t e g r a t e dv a l u eo fp e r f o r m a n c e ( i v ) a r ec l e a r l yd e f i n e di nt h i s m e t h o d t h i se v a l u a t i n gm e t h o di sa p p l i e dt ot h ec h o i c eo ft h et e m p e r a t u r eo fa c i f , t h ef a s ti s o t h e r m a la l i n e a l i n ga n df a s th a r d e n i n ga n dt e m p e r i n go fg c r l5s t e e l ，a n d a l s oa p p l i e dt ot h ec o m p a r i s o no fq u a l i t yo fh e a tt r e a t m e n tb e t w e e nd i f i e r e n t s p h e r o i d i z i n gp r o c e s s e sa n d t h es o l u t i o nt ot h eg r e e nd e g r e ee q u a t i o n ，e t c i no r d e rt or e a l i z et h ea c t u a la p p l i c a t i o no ft h em e t h o do ft h ec o m p r e h e n s i v e q u a m i z a t i o n t h ec o n v e n t i o n a ls p h e r o i d i z i n gp r o c e s s e s o fg c r l5s t e e lt h a ti s c h a r a c t e r i z e da sl o n gp r o c e s s i n gp e r i o d ，b i ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o wp r o d u c t i o n ， w e r es t u d i e de x p e c t i n gt ow o r ko u ta l le n e r g y - s a v i n gs p h e r o i d i z i n gp r o c e s s t h e i m p r o v e m e n tw a sf o c a s e do nt h et w oe l e m e n t a lv a r i e t i e so ft h es o a k i n gt i m ea n dt h e h o l d i n g - t e m p e r a t u r e t h ei m p r o v e m e n to ft h ec o n v e n t i o n a li s o t h e r m a la n n e a l i n gw a s a l s o e x p l o r e d i n t h i s a r t i c l e a c c o r d i n g t ot h e t h e o r y o fa c i ft e m p e r a t u r eo f e q u a l i z a t i o ns p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n gp r o c e s s ，a no r t h o g o n a lt e s tw a si m p l e m e n t e d t h e nt h ed i a m e t e r ，v o l u m ep e r c e n t a g ea n dt h ec o n t e n to ft h er e s i d u a lc a r b i d eo f d i 饿r e n tp r o c e s s e sw e r ec a l c u l a t e d u s i n gt h ec o m p r e h e n s i v eq u a n t i z a t i o nm e t h o d ， t h et h r e ep e r f o r l n a n c ei n d e x e so ft h ed i m e n s i o n ，t h ec o n t e n to ft h er e s i d u a lc a r b i d e a n dt h eh a r d n e s sw e r ec o m p r e h e n s i v e l ya s s e s s e d t h ev a l u eo fa c l f ，8 0 0 ，t ot h e s t e e lu n d e rt h eh e a t i n gs p e e d so f8 0 0 hw a so b t a i n e d t h e nt h en o n h o m o g e n e o u s s p h e r o i d i z i n gm i c r o s t r u c t u r e si na n n e a l i n gw e r ed i s c u s s e d ，a n df i n a l l yan e wf a s t i s o t h e r m a ls p h e r o i d i z i n gp r o c e s sw a sp u tf o r w a r d t h ec o n v e n t i o n a lh a r d e n i n ga n d t e m p e r i n gs p h e r o i d i z i n gp r o c e s sw a sa l s o c h e c k e di nt h i sa r t i c l e t h eh a r d e n i n g s c h e m ea ta c l f t e m p e r a t u r ef o re q u a l i z a t i o nh e a t i n gw a sb r o u g h tf o r w a r d a c c o r d i n g t ot h epc u r v eo ft h es t e e lg c r l5f o rt e m p e r i n ga n dt h ec u r v eo ft h ee f f e c to f t e m p e r i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m eu p o ns t r e s sl o w e r i n go fg c r l5s t e e l ，at e m p e r i n g p r o c e s sw i t ht h eh i g h e rh o l d i n gt e m p e r a t u r ea n ds h o r t e rh o l d i n gt i m ew a sd r a w nu p 。 a n df a s th a r d e n i n ga n dt e m p e r i n gs p h e r o i d i z i n gw a sb u i l ti nt h ee n d b e c a u s eo ft h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h el i f ec y c l ea s s e s s m e n tf o rt h e s p h e r o i d i z i n gp r o c e s s ，t h eh i e r a r c h yo fl c a i ns p h e r o i d i z i n go fg c r l5 s t e e la n dt h e b a l a n c eo fi n p u t o u t p u ti ns p h e r o i d i z i n gp r o c e s so fg c r l5s t e e lw e r ee s t a b l i s h e d ，a n d f i v eh y p o t h e s i s e s s u c ha se q u i p m e n t so fs p h e r o i d i z i n ga n ds oo nw e r es e tu p t h e n 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 t h ec o n v e n t i o n a ii s o t h e r m a l a n n e a l i n g f a s t i s o t h e r n a a la n n e a l i n g ，h a r d e n i n ga n d t e m p e r i n ga n df a s th a r d e n i n ga n dt e m p e r i n go fg c r l5s t e e lw e r ea n a l y z e d t h e e n e r g yr e l a t i o no fw o r k p i e c e sa n df u m a c eu n d e ri d e a lc o n d i t i o n sw a sc a l c u l a t e d f i n a l l yt h ea p p r o a c h e st oi n c r e a s et h es p h e r o i d i z i n ge f f i c i e n c ya n dg r e e nd e g r e e so f s p h e r o i d i z i n gw e r ep u tf o r w a r d ，a n dg r e e nd e g r e ee q u a t i o nr e g a r d i n gq u a l i t yo fh e a t t r e a t m e n tw a se s t a b l i s h e du s i n gt h em e t h o do f t h ec o m p r e h e n s i v eq u a n t i z a t i o n t h em e t a l l o g r a p h i cp i c t u r e sw e r et a k e na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n t p r o c e s s e sw e r em e a s u r e dw i t ht h eh e l po fo p t i c a lm i c r o s c o p e ，t h es c a n n i n ge l e c “o n m i c r o s c o p e ，t h ex - r a yd i f f r a c t i o n ，t h eh a r d n e s st e s t e r ，t h ep e n d u l u mi m p a c tt e s t i n g m a c h i n ea n dt h ef r i c t i o n w e a r i n gt e s t e r ，e t c k e y w o r d s ：e c o m a t e r i a l ，e n e r g y s a v i n g ，s p h e r o i d i z i n g ，i s o t h e r m a la n n e a l ， h a r d e n i n g a n d t e m p e r i n g ，c o m p r e h e n s i v eq u a n t i z a t i o n ， p e r f o r m a n c eo fh e a tt r e a t m e n t ，l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ( l c a ) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：曹双努 如够年6 月驴 臌：锈玲g 年参护g 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本入在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：嗤姆堵 曰期：矽口歹年舌月多曰 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究对象和任务 我国热处理行业是机械工业的耗能大户，机械制造厂热处理用电比重占全 厂的2 5 3 0 。全国热处理行业有热处理炉约i 2 万台，其中9 0 以上用电。每 年耗电约为1 0 0 亿k w h t 。我国热处理生产平均电耗为8 0 0 k w h t ，大约是 日本和欧洲的2 3 倍。r 本热处理生产平均电耗为3 2 3k w h t ，欧洲各： 业国 家热处理生产平均电耗为3 0 ( 0 - - 4 5 0k w h t ：目本热处理生产的热效率为4 9 - 8 ， 我国热处理生产的热效率约为2 9 。另外，热处理生产中的污染问题急待解决， 我国的情况尤为严峻。据有关部门统计，我国每年由盐浴炉产生的盐浴蒸汽达 7 0 0 0 余吨，废渣1 0 0 0 0 多吨，成为污染源。又如我国还大量采用矿物油作淬火 剂，每年约有5 0 0 0 吨油受蒸发或局部燃烧而污染大气，并有约9 0 0 0 吨淬火油污 染水质。气体渗碳、渗氮、碳氮共渗等热处理所排放的c o z 、残氨等以千万立方 米计，其热处理零件清洗废水，也污染环境。发黑、磷化的废液，热处理炉的能 耗，其直接、间接的c 0 2 大量排放；燃煤加热炉每年排放的s 0 2 达1 5 万吨。此 外，热处理炉的耐火纤维粉化所带来的粉化污染也不可忽视。 严竣的能源和环境问题向科学工作者提出了挑战。因此，近年阻及未来的 热处理技术将逐渐向下面几个方向发展：1 ) 清洁热处理，即以减少热处理过程 产生的对环境造成污染的废水、废气、废盐、粉尘、噪声及电磁辐射等为目的， 选择污染少效率高的燃料、工艺设备替代等相关的技术。2 ) 精密热处理，即根 据零件的使用要求、材料、结构尺寸，利用物理冶金知识及先进的计算机模拟和 检测技术，优化工艺参数，达到所需的性能或最大限度地发挥材料的潜力；充分 保证优化工艺的稳定性，实现产品质量分散度很小( 或为零) 及热处理畸变为零。 3 ) 节能热处理，即以科学的生产和能源管理，建立以保证满负荷生产、充分发 挥设备能力：优先选择一次能源；充分利用废热、余热：采用耗能低、周期短的 工艺代替周期长、耗能大的工艺等。4 ) 少无氧化热处理，即采用保护气氛加热 替代氧化气氛加热到精确控制碳势、氮势的可控气氛加热。 减少热处理过程能源消耗以及环境污染的前景是美好的。作为个热处理 江苏大学硕士学位论文 工作者，有责任进一步探讨改进热处理工艺和设备以及开发设计新工艺及新设 备，减少热处理过程中的能耗和污染。 本课题从环境材料概念的提出以及定量评价材料生命周期内环境负荷的方 法入手，引出绿色热处理的概念和实现绿色熟处理的工艺、设备。从而进一步确 定了本课题研究对象和任务提出环境影响评价的综合量化方法，并把该方法 应用于g c r l 5 钢节能球化工艺的开发和评估中。工艺改进分为两个部分：1 、传 统等温球化退火工艺的改进工艺，即等温快速球化退火工艺；2 、传统调质球化 的改进工艺，即调质快速球化工艺。在对各种工艺方案球化质量进行综合量化的 基础上，确定改进的等温球化工艺和调质球化工艺，然后对传统等温球化退火工 艺、等温快速球化工艺、调质快速球化工艺的球化试样进行淬火+ 低温回火处理， 并对这些试样进行摩擦磨损和无缺口冲击试验。同样，采用环境影响评价的综合 量化方法对硬度、比磨损率和冲击韧性三个指标进行综合量化，比较三种工艺的 性能优劣。最后，采用材料生命周期评估的思想、框架和评价方法计算g c r l 5 钢球化热处理过程的能耗，并通过上述综合量化的评价方法评估球化过程的绿色 度，提出了节能的方向。 1 2 环境材料概念的提出及其研究领域 材料是现代工业的基础，一切产业活动都设计到材料的转化、使用与处理， 随着产业界对环境保护f | 益关注，材料环境性能成为继物理化学特性与经济成本 之后人们关注的另一重要材料特性；同时，材料从生产、使用、废弃直至循环利 用，整个生命周期需要消耗大量资源、能源，并排放出废气、废水和废渣，直接 污染了人类的生存环境。图1 1 简略的表示了某种产品从原料的开采直到废弃为 止以及包括再生循环在内的整个寿命周期中物质与能量的平衡情况。 因此，如何减少与材料相关的环境影响是一个十分重要的课题。讦= 是在这 种背景下，日本东京大学山本良一教授指出，未来的材料都必须是具有环境协调 性的材料，并提出环境材料( e c o m a t e r i a l ) 的概念。从材料与生态协调的意义上 说，环境材料学可称之为生态学材料。我国学者也将之称为生态环境材料，并给 出定义如下：生态环境材料是指同时具有优良的使用性能和生态环境协调性的材 料。这里的生态环境协调性是指材料的资源和能源消耗小，再生利用率高，对生 2 江苏大学硕士学位论文 i 一 瓜翮 7 r 1 材料制造与加【：l再 l 7 生 i 产品之生产i 循 环 j 7 1 r i 使用霉通消费。il 南 往大气 入水中 往其他环境 态废弃物 功，有用的产品 图1 1在整个寿命周期中物质和能量的平衡情况 f i g l 一1t h eb a l a n c eb e t w e e ni n p u ta n do u t p u ti nt h el i f ec y c l ea s s e s s m e n t 态环境污染小。生态环境材料具有以下的特点：首先，它也必须具有优良的使用 性能，离u 丌了优良的使用性能就谈不上材料的研究；其次，它也必须具有很好的 生态环境协调性，即在材料的合成、制备、加工、流通、使用和废弃的整个寿命 先进性 图j 2 生态环境材料特点的三维坐标表示 n g - 1 - 2t h r e ed i m e n s i o ni l l u m i n a t i o nf o rt h e e c o m a t e r i a lc h a r a c t e r 周期中，都必须具有很好的环境协调性。 第三，它要具有舒适性，即这类材料要 让人们乐于接受和使用，使人类生活环 境更加舒适、美好。所以，生态环境材 料的特点可以由图1 2 所示的三维坐标 来表示。 目前环境材料领域的研究工作主要 集中在下列五个方面：1 ) 环境材料学及 其相关理论；2 ) 环境材料及其制备加工 技术；3 ) 材料对环境的影响及其l c a ； 4 ) 环境净化、治理、修复等环境功能材 料；5 ) 循环再生利用技术与设计。其中，l c a 的研究主要集中在l c a 方法学、 江苏大学硕士学位论文 典型材料( 产品) 评价示范、l c a 在生态设计中的应用。l c a 方法学的研究主要集 中在影响评价阶段，国际上有代表性的方法主要有瑞典的e p s 方法，荷兰的 e c o i n d i c a t o r 方法，丹麦的e d i p 方法，瑞士的临界体积方法等。我国在这方面的 研究才刚刚起步，没有形成自己的理论体系。国内外在典型材料( 产品) 示范方面 都做了大量的工作。如日本从1 9 9 8 年起开始实施的l c a 国家计划中就重点资助典 型材料的评价示范与基础数据库的建立，德国斯图加特大学则对塑料与汽车用材 料进行了详细的研究。我国从1 9 9 4 年起开始由兰州大学、北京航空航天大学、北 京工业大学等单位合作进行典型材料环境负荷评价的研究，到目前已经对会属、 建材、化工材料中的典型品种进行了深入的调查研究，并建立了相关的基础数掘 库。本文把环境材料的i s c a 方法与材料的热处理工艺设计结合在一起，提出材判 热处理改进工艺，并评价不同热处理工艺条件下的环境负荷。 1 3 生命周期评价及其发展 在环境材料研究中，一个首要的问题是：什么样的材料才称得上是环境材 料。这涉及到如何评价材料的环境协调性，即环境表现或环境性能，并由此产生 了材料的环境协调性评价研究。目前，通常采用l c a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 的基本概念、原则和方法对材料或产品全寿命周期进行评估。将定量评价产品从 原料投入到废弃的整个寿命周期中环境负荷( 或称环境负担性) 的方法叫做环境 负荷评价( l c a ) 。在l c a 标准中，“产品”即可以指( 一般制造业的) 的产品 系统，也可以指( 服务业提供的) 服务系统：寿命周期是指产品系统中连续的和 图1 3l c a 的技术框架 f i g 1 3 t h et e c h n o l o g yf r a m eo fl c a 相互联系的阶段，它从原材料的获得或者自然资源的产生一直到最终产品的废弃 为止。i s 0 1 4 0 4 0 把l c a 实施步骤分为目标和范围定义、清单分析、影响评价和结 4 江苏大学硕士学位论文 果解释四个部分( 见图1 3 ) 。从中我们可以看出：i l c a 分为四个步骤；2 r 。c a 的目的在于全面和正确的认识产品与环境之间的关系，并寻找改善产品环境表现 的方法。 一些国际组织正致力于l c a 标准化的研究，如美国国家环保局、国际环境 毒理与化学学会( s e t a c ) 、国际标准化组织( i s o ) 等，近几年形成的纲领性文件主 要有美国国家环保局于1 9 9 3 年公布的：i n v e n t o r yg u i d e l i n ea n dp r i n c i p l e ，s e t a c 于19 9 3 年公布的g u i d e l i n ef o rl i f ec y c l ea s s e s s m e n t 及i s 0 1 4 0 4 0 系列标准。 尽管由于l c a 应用于环境材料研究中的历史较短，材料的l c a 方法中尚存 在着若干问题，如适合材料的l c a 的方法论的完善、l c a 边界的界定以及数据 库建立等方面都尚需完善。寿命全程评价法( l c a ) 作为一种基本方法，在环境材 料研究中具有重要的作用。一方面，它为环境材料的判定提供了依据；另一方面， 它是度量材料环境负荷的有效工具。它体现了环境保护手段由简单粗放向复杂精 细发展的趋势，或者说从定性向定量的方向发展。 1 4 材料生命周期评价及其研究现状 在l c a 标准中，“产品”即可以指( 一般制造业的) 的产品系统，也可以 指( 服务业提供的) 服务系统：寿命周期是指产品系统中连续的和相互联系的阶 段，它从原材料的获得或者自然资源的产生一直到最终产品的废弃为止。而对于 材料学科来说，其“产品”的范围就大大缩小了，其寿命周期的边晃含义也产生 了具体的弹性变化。 1 4 1 材料的生命周期评价 应用于材料的环境协调性评价通常称为m l c a ( m a t e r i a l sl c a ) 。材料生 命周期评价( m l c a ) ，又称材料环境协调性评价，是指采用生命周期评价的原 则和方法，对材料从制造、使用、循环利用直至废弃全生命过程环境影响进行系 统而科学的评价，从而为人们选择与开发生态环境材料提供标准与依据f j 。 近年来很多学者把l c a 方法与材料( 产品) 的设计结合在一起，可以为材料 选用、绿色产品的开发等提供科学依据，拓宽了l c a 的应用范围。例如：拖拉机 曲轴的生产主要有3 种原料：优质碳素钢、铸钢、球墨铸铁，3 种材料都可以满足 曲轴的性能要求，但是由于碳素钢、铸钢、球墨铸铁的生产工艺差别很大，因此 江苏史学硕士学位论文 果解释四个部分( 见圈l 3 ) 。从中我们可以看出：1l c a 分为四个步骤；2 ，l c a 的目的在于全面和正确的认识产品与环境之问的关系，并寻找改善产品环境表现 的方法。 一些国际组织_ 丌三致力于l c a 标准化的研究，如美国国家环保局、国际环境 毒理与化学学会( s e t a c ) 、国际标准化组织( 1 s o ) 等，近几年形成的纲领性文件主 要有美国国家环保局于1 9 9 3 年公布的：i n v e n t o r yg u i d e l i n ea n dp r i n c i p l e 。s e t a c 于1 9 9 3 年公布的g u i d e l i n ef o rl i f ec y c l ea s s e s s m e n t 及i s 0 1 4 0 4 0 系列标准。 尽管由于l c a 应用于环境材料研究中的历史较短，材料的l c a 方法中尚存 在着若干问题，如适合材料的l c a 的方法论的完善、l c a 边界的界定以及数据 库建立等方面都尚需完善。寿命全程评价法( l c a ) 作为一种基本方法，在环境材 料研究中具有重要的作用。一方面，它为环境材料的判定提供了依据；另一方曲， 它是度量材料环境负荷的有效工具。它体现了环境保护手段由简单粗放向复杂精 细发展的趋势，或者说从定性向定量的方向发展。 1 4 材料生命周期评价及其研究现状 在l c a 标准中，“产品”即可咀指( 般制造业的) 的产品系统，也可以 指( 服务业提供的) 服务系统：寿命周期是指产品系统中连续的和相互联系的阶 段，它从原材料的获得或者自然资源的产生一直到最终产品的废弃为止。而对于 材料学科来说，其“产品”的范围就大大缩小了，其寿命剧期的边界含义也产生 了具体的弹性变化。 1 4 1 材料的生命周期评价 应用于材料的环境协调性评价通常称为m l c a ( m a t e r i a l sl c a ) 。材料生 命周期评价( m l c a ) ，又称材料环境协调性评价，是指采用生命周期评价的原 则和方法，对材料从制造、使用、循环利用直至废弃全生命过程环境影响进行系 统而科学的评价从而为人们选择与开发生态环境材料提供标准与依据1 5 j 。 近年来很多学者把l c a 方法与材料( 产品) 的设计结合在起，硼j 以为材料 选用、绿色产品的开发等提供科学依据，拓宽了l c a 的应用范围。例如：拖拉机 曲轴的生产主要有3 种原料：优质碳素钢、铸钢、球墨铸铁，3 种末才料都可以满足 曲轴的性能要求，但是由于碳素铜、铸钢、球墨铸铁的生产工艺差别根大，因此 曲轴的性能要求，但是由于碳索铜、铸钢、球墨铸铁的生产工艺差别很大，因此 江苏大学硕士学位论文 这3 种材料的环境负荷必然存在差异，为了实现产品的环境友好设计，使曲轴生 产尽量减少对环境的危害，有必要对这种差异进行研究，以便更好地选用材料。 由l c a 研究可以看到，优质碳索钢4 5 号钢出于铁矿石资源消耗量大，工艺复杂， 其环境负荷明显比球墨铸铁和铸钢要高。环境负荷按由高到低排序为4 5 号钢、 球墨铸铁、铸钢，同时考虑材料的综合性能，尽管球墨铸铁的环境负荷稍高，但 其耐磨性能、减震性能较好，这样可以延长机械的使用寿命( 同时也就降低了寿 命周期中的环境负荷) ，因此在曲轴生产中建议选用铸钢和球墨铸铁【1 1 2 】。 对于m l c a 的研究，各国材料工作者都非常关注，在其设计思想、框架内 容、评价方法、结果分析等方面做了许多探讨，下面介绍其主要成果。 材料的环境负荷与其性能一样，都是其结构与成分的函数，在满足环境负荷最小 的条件下，性能可以决定材料的结构、成分和工艺口】。由此可以建立l c a 设 计的指导原则：满足最小环境负荷下的成分、结构、工艺的优化设计，即材料设 计中能量和物质的流动要使得其寿命全程中的环境影响最小1 4 】。如何进行具体的 材料或产品的l c a 设计，正在成为研究的焦点。 根据前述i s 0 1 4 0 4 0 把l c a 实施步骤分为目标和范围定义、清单分析、影响 评价和结果解释四个部分。m l c a 同样按这四个步骤来实施。其中，目标定义和 范围的内容包括：研究目的及范围的确定；协能模块的建立：研究程序的确立。 同时，建立环境模型，规范各种用语和定义，也是本部分的项内容。数据分析 的内容包括：系统边界的确定，多种工艺的配置，工艺数据质量的评价。数据应 当包括材料的获取、制造、使用和废弃等不同阶段的数据 5 l 。数据主要从以下几 个方面收集：来自生产工程设计者，化学或工艺工程计算，各种公开出版物和数 据库，材料产品使用的市场记录【6 】。环境损害评价主要针对生态平衡、环境安全、 人体健康和资源损耗等方面进行评价。环境改善评价应当根据目标定义和范围以 及l c a 结果进行分析，给出各子系统的改进和优化步骤的选择。l c a 方法不仅提 供了一种评价材料对环境影响大小的方法，而且还可能用于对环境材料的判定。 1 4 2 材料生命周期评价的研究现状 目前，人们对材料生命周期评价研究主要集中于汽车、家电产品、包装容 器、建筑等环境敏感产品所使用的基础材料，如钢铁、有色金属( 铝、锌、铜) 、 有机高分子材料( 橡胶、塑料) 等【7 叫“，表1 2 列出了一系列国际组织与著名公司 6 江苏大学硕士学位论文 的材料产品生命周期评价实例。 表12 产品，材料生命周期评价影响实例【“ 材料类别产品材料名称地区、国家或组织者完成时间 a 1 u m i n i mv a t i o u se u r oe a a1 9 9 5 a u t o m o b i l e sa u t o m o b il e su sc a rm n f g slnp r o g r e s s a u t a m o b i l e sl u b r i c a n t sdb pe ta l a u t o m o b il e s t y r e s if i a t1 9 9 5 a u t o m o b i l e s p a i n t i n g e u r of o r d b p1 9 9 5 b u i l d i n gm a t e r i a ls 1 6m a t e r i a lsu kb r e d o el np r o g r e s s b u i l d i n gm a t e r i a l s b r i c k s ，c o n c r e t e ，f r a m e s ，f l o o r se u r ob r i t e e u r a ml np r o g r e s s b u i i d i n gm a t e r i a l sf l o o r i n g 4t y p e s db f u b1 9 9 l b u i l d i n gm a t e r i a l s i n s u l a t i o nm a t e r i a ls i sw h i t es w a n b u i1 d i n g t e r i a l s s e w a g ep i p e s s i sw h i t es w a n b u i l d i n gm a t e r i a l sn o r w e g i a nb l d gr e si n s t 1 n p r o g r e s s p a c k a g i n g c a r d b o a r dv sp l a s t i ce u r of e f c o p a c k a g i n g d r i n k sn no o v t p l a s t i c s p e te u r o a p m e1 9 9 5 p l a s t i c s p o l y e t h y l e n e ，p o l y p r o p y l e n e e u r o a p m e1 9 9 3 p 1 a s t i c s p o l y s t y r e n e e u r oa p m e1 9 9 3 p 1 a s t i c s p o l y u r e t h a n e s e u r oa p m e1 9 9 6 p l a s t i t s p v c e u r oa p m e1 9 9 4 p l a s t i c s c o m m o d i t i e su sa p cl n p r o g r e s s s t e e l s e m if i n i s h e dw o r l di i s t 1 9 9 7 z i e cs e m if i n i s h e de u r oe u r o p e a nz i n cin s tl np r o g r e s s 我国从1 9 9 8 年起，国家8 6 3 计划支持了首项“材料的环境协调性评价研究” 课题，以左铁镛院士领导的六所重点大学联合研究组对钢铁、水泥、铝、塑料、 涂料及陶瓷等七类代表性材料进行了环境协调性评价研究，构建了基于我困国情 的上述典型材料环境负荷基础数据库3 】。 目前，材料l c a 研究仍不成熟，数据输入和边界确定等人为因素对评价结 果影响很大，评价结论经常相互矛盾【1 4 , 15 1 。正如l y l e h s 所说：假如我们连纸杯 还是塑料杯的问题都不能解决，我们又怎么能希望使用这种方法在汽车车体材料 用钢还是铝上做出选择昵i i 6 】? 1 5 绿色热处理技术的现状、发展和展望 前文已经提到，我国热处理行业是机械工业的耗能大户，同时也是造成污 染的重要来源。环境材料的提出及材料的生命周期评估方法的应用就是为了采用 江苏大学硕士学位论文 定量的方法评估和控制材料生产、产品制造、使用以及废弃过程中的能量消耗以 及污染等环境负荷，从而开发出功能性、舒适性和环保型的材料。作为材料生产 以及产品制造的一个重要环节热处理来说，实现高性能、低能耗和少排放也 是我们丌发环境材料不可或缺的重要一环。因此，人们将材料生命周期评估的指 导思想和分析方法、原理等应用于热处理工艺中，对其进行绿色性的综合评价， 以帮助找到解决问题的关键点和突破口，实现对资源的有效利用和环境污染最小 这一目的。 绿色热处理就是从节能，环保等方面出发，改造传统的热处理设备，改进 传统的热处理工艺，加强热处理生产组织和技术管理，从而降低能耗，减小污染， 提高劳动生产率和经济效益，保持热处理行业可持续发展的一项绿色工程j 。 从上述定义可以看出，绿色热处理的出发点，也即是评价的其体指标是节能以及 环保等。个人认为，这个具体指标可以与环境影响评价中的环境影响类型保持一 致。把热处理造成的环境影响类型也分为三类，即资源消耗、人类健康损害和生 态环境破坏。然后又细分为自然资源消耗、全球变暖、酸雨、臭氧层耗竭、富营 养化等具体的环境影响类型。这里的“资源消耗”不再指矿石等原材料的消耗， 而是指用作热处理的毛坯件等的消耗。另外两个方面环境影响类型完全保持不 变。实现绿色热处理的方法或途径是改造传统的热处理设备，改进传统的热处理 工艺，加强热处理生产组织和技术管理。实现环境负荷最小化及经济效益最大化 的途径，有时只需要改进工艺或者设备，或者只要加强生产、技术的管理即可达 到目的；更多的时候，是其中两种或三种方法共同使用，来达到这个目的。据国 外报道，应用感应加热取代整体加热淬火可节能1 2 - - - 2 3 ，耿代渗碳淬火节能可 达9 0 。这就需要对材料选择、热处理工艺和设备的共同改进，来实现节能的 目的。图1 4 为通过设备和工艺的改进来实现节能热处理的示意图。本课题就是 通过热处理工艺参数的再研究，缩短加热时间以及降低加热温度来达到节能之目 的。丽绿色热处理的整体目标就是实现降低能耗，减小污染。提高劳动生产率和 经济效益，保持热处理行业可持续发展的这项绿色工程。也即是环境负荷的最小 化和经济效益的最大化。 随着计算机的普及，将计算机应用在热处理工业中，将带来巨大的经济效 益。目前计算机在热处理中的应用主要包括计算机辅助设计，计算机辅助生产， 江苏大学硕士学位论文 计算机辅助选材，热处理事务办公自动化，热处理数据库等，它为热处理工艺的 图1 - 4 热处理节能技术 f i g 1 - 4e c o n o m i z i n gt e c h n o l o g yo f h e a t t r e a t m e n t 碳氮共渗等) 优化设计、工艺过程的自动控