（材料学专业论文）耐腐蚀材料数据库选材评价系统的研究.pdf

i _ 1 川? ，诊z 摘要 小文“尤介绍，现代数据库技术及其在工程材料选则i ：的应用，列举了，一些 ：程材料 ：常她的选用原则与方法，蓖点介绍了层次分析法确定权重系数和模糊 综合评判 i 进行评判的原卑和方法，为木数据j 车的建范提供，技术支持和指导。 从糍蚀学的角度出发，描述j ，材料腐蚀的一般原珲和常见的耐腐蚀材料及其 应用范剧，为l 时腐蚀材料数据库系统的建立提供一定的理论基础。然后基于材料 的腐蚀数据，运用数据库技术平模块化设计方法，采用d e lp h i 7 0 程序设计语青 为开发l ：具，建i ；：2 = 了耐腐蚀材利数据库系统。 系统实现了对耐腐蚀材料信息按材料名称查询、腐蚀介质奄询以及合金牌号 查询等多种肖询方式。用厂，町以通j 立系统维护模块，对系统进行数据的增添修 改，删除，使系统成为_ 个动态数撕库系统，儿木系统也t - 备数据、报农f j 印管 功能。 在选材的过程中，系统基予材料任特定介质中不i 司温度、不同浓度下的腐蚀 等级不蚓，实现r 耐蚀材料的多级化选材，从材料的仞选、复选、终选，最终以 材料的腐蚀等级为依据选出合删的l 咐蚀材料。在评价过程中，系统采用层次分析 法或右j 用，、自定义的方法来确定材料各个性能的权莛因子，再运用模糊综合评判 法对材料的性能进行定量分析、综合评判，实现了对耐腐蚀材料的智能化选用， 对程材料的选用提供了一定的科学依据和技术指睁。 关键字： 耐腐蚀材料，数据库系统，工程材料的选用，层次分析法 模糊综合评判 a b s t r a c t f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sm o d e r nd a t a b a s et e c h n o l o g i e sa n dt h e i ra p p l y i n gi nt h e f i e l d so fm a t e r i a la n de n g i n e e r ，a n ds p e c i a l i z e ss o m es e l e c t i o np r i n c i p l e sa n dw a y so f e n g i n e e r i n gm a t e r i a l si nc o m m o nu s e ，t h et h e o r yo fh o wt oc o n f i r mt h ew e i g h t e d v a l u e so fa s s e s s m e n ti n d e xb yt h ea h pm e t h o da n de s t a b l i s ht h em o d e lo fe v a l u a t i o n b yf u z z ye v a l u a t i o nm e t h o di ne n g i n e e r i n gm a t e r i a ls e l e c t i o ni si n t r o d u c e da te m p h a s i s t h i sp r o v i d e st h et e c h n o l o g ys u s t a i n i n ga n dd i r e c t i o nf o re s t a b l i s h i n gt h ed a 扣b a s e f r o mt h ec o r r o s i o n t h ec o m m o n l yp r i n c i p l e so fc o r r o s i o n ，e m p l o y i n gr e q u i r e m e n t s a n d a p p l y i n g a r e a sa r ed e s c r i b e d ，s ot h e t h e o r y f o u n d a t i o ni s p r o v i d e d f o r c o r r o s i o n r e s i s t a n tm a t e r i a l sd a t a b a s e s ob a s e do nd a t a b a s et e c h n o l o g ya n dd e s i g n i n g m e t h o do fn l o d u l a r i z a t i o n u s i n gd e l p h i 7 0p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea sd e v e l o p m e n t t o o l ，ad a t a b a s es y s t e mi se s t a b l i s h e d t h es y s t e mr e a l i z e s i n q u i r i n go fc o r r o s i o n r e s i s t a n t m a t e r i a l s i n f o r m a t i o nb y m a t e r i a l st i t l e m e d i u mo ra l i o y st r a d e m a r k i tb e c o m e sad y n a m i cs y s t e mt h r o u g h m a i n t e n a n c em o d u l ew h i c hc a na d d ，a l t e r ，d e l e t ed a t a ，a n dh a st h ef u n c t i o n so fp r i n t i n g a l s o i nt h ep r o c e s so fm a t e r i a ls e l e c t i o n ，t h es y s t e mr e a l i z e sg r a d e ss e l e c t i o nb yt h e k i n d so fc o r r o s i v e sa n dt h e i rc o n c e n t r a t i o n 、t e m p e r a t u r ea n dt h eg r a d eo fm a t e r i a l s a n t i c o r r o s i o n ，a n ds e l e c tt h er a t i o n a lm a t e r i a li nt h ee n d i nt h ep r o c e s so fe v a l u m i o n ， t h es y s t e mc o n f i r m st h ew e i g h t e dv a l u e sb ya h po ru s e r d e f i n e dm e t h o d ，t h e n a n a l y z e sf a c t o r so fm a t e r i a ls e l e c t i o nt h r o u g hf u z z ye v a l u a t i o nq u a n t i t a t i v e l y w i t h m o d e r nm e t h o d so fm a t e r i a l s s e l e c t i o n ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s a n dc o m p r e h e n s i v e j u d g m e n t s ，i tr e a l i z e sr e a s o n a b l ei n t e l l i g e n tm a t e r i a l ss e l e c t i o n ，w h i c hc a np r o v i d e s s c i e n t i f i ce v i d e n c ea n dt e c h n o l o g i c a l g u i d a n c e f o rc o r r o s i o n r e s i s t a n tm a t e r i a l s e l e c t i o n k e y w o r d s ：c o r r o s i o n r e s i s t a n tm a t e r i a l s ；d a t a b a s es y s t e m ；e n g i n e e r i n g m a t e r i a ls e l e c t i o n ；a h pm e t h o d ；f u z z ye v a l u a t i o n ； l l 兰州理工大学 学位论文原创性声明 小人郑重声明：所。交的论文足本人在导师的指导下独立进行研究所j 驭 得的 i j f 究成果。除了文中特；f 加以标注引用的内容外，本论文不包含仟何蝼 他个人或集体已纾发表或撰写的成果作舶。对本文的研究做出重要页献的个 人年1 1 集体，均已往文- ，以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律历粜 i 小人承担。 作哲签名：余赴凌f 1 期：h 7 年z , e l门 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 校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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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扎：编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 作者签名： 导师签名： ( 请在以上相应方框内打“”) 仓怔銮 私移q 占月，曰 6 月“ 日 邱，l 学p 论z 1 1 腐蚀学的研究内容 第1 章绪论 1 1 1 腐蚀的定义及腐蚀的机理 材料因与环境介质之间发生化学或电化学作用而引起的破坏和失效现象称为 材料的腐蚀。腐蚀是材料使用过程中常见的现象，给国民经济造成了巨大的损失。 据统计，每年由于腐蚀造成的直接损失约占其国民牛产总值的2 4 。腐蚀造成 的间接损失更是难以计算。材料的腐蚀遍及所有的经济和牛活领域。腐蚀消耗了 大量的资源和能源：腐蚀妨碍新技术新工艺的发展；腐蚀还危及人身安全和造成 环境污染1 1 1 。 腐蚀按金属腐蚀的机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类2 4 】。 l 、化学腐蚀 化学腐蚀是指材料与非电性介质直接发牛纯化学反应作用而弓l 起的材料破 坏。在化学腐蚀过程中，电子的传递是材料与介质之间直接进行的，没有电流产 牛。化学腐蚀丰要包括在下燥或高温气体中和非电解质溶液中的腐蚀。如金属的 高温硫化，钢的渗碳，钢的脱碳，环烷腐蚀等。 2 、电化学腐蚀 电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍。在潮湿的大气中，桥梁、钢轨以及各种钢结 构间的腐蚀，地下输油，气管道以及电缆等上壤腐蚀，海水中采油平台，船舰壳 体腐蚀以及化工牛产设备，如储存槽，泵，冷凝器等遭受的酸，碱，盐的腐蚀等， 都属于电化学腐蚀，可用腐蚀原电池模型解释金属发生电化学腐蚀的原因及电化 学腐蚀的过程。如果把金属材料浸入水溶液中，因不同部位电极电位不同，形成 阴极区和阳极区，在局部电池作用下便发生腐蚀。阴阳及位置的变化将使金属成 为全面腐蚀形态。在阳极区金属以离子状态溶出，阴极区获得残余电子并发生析 氢反应或氧化还原反应，可以用以下式表示： 如在酸性水溶液中 f e = f e ”+ 2 e ( 阳极反应) 2 h + + 2 e = h 2 ( 阴极反应) 但在溶液中溶解氧存在时，阴极反应为 4 h + + 0 2 + 4 e = 2 h 2 0 ( 氧的还原反应) 耐纠叶_ 十i 选材，之卅价数据旰们川究 在脱气的碱性溶液中， 2 h 2 0 + 2 e = h 2 + 0 h 。 在含氧的碱性溶液中， h 2 0 + 0 2 + 2 e = o h 。 对应的阴极反应位 对应的阴极反应为 电化学腐蚀的主要类型有：点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀等。有时 化学腐蚀与电化学腐蚀可以转化，这种情况在金属的高温氧化中可见到。在高温 气体中，金属的氧化时最初是化学反应，但在膜的成长中，因为金属表面膜已由 气相变为既能电子导电，又能离r 导电的半导体氧化膜，则属于电化学机理。 1 1 2 常见的腐蚀介质环境特点 1 、大气腐蚀 金属材料或构筑物在大气条件f 发牛化学反应或电化学反应引起材料的破损 称为大气腐蚀。大气腐蚀是一种常弛的一种腐蚀现象。全世界在大气中使用的钢 材量一般超过其牛产总鼍的6 0 。 ( 1 ) 大气腐蚀的分类 从全球范围看，大气的成份几乎是不变的，只有其中的水分含量将随地域、 集结、时间等条件而变化。手要参与大气腐蚀过程的是氧和水气，其次是二氧化 碳。因此可根据金属表面潮湿程度的不同，把人气腐蚀分为以下三类： ( a )丁燥大气腐蚀指在金属表面不存在液膜层时的腐蚀。其特点是在金属表面 形成不可见的保护性膜。 ( b ) 潮湿大气腐蚀指金属在相对湿度小于1 0 的大气中，表面存在肉眼看不 见的膜的液膜层发牛的腐蚀。 ( c ) 湿大气腐蚀指金属在相对湿度大于1 0 0 ，表面存在肉眼可见的水膜发牛 的腐蚀。 大气腐蚀速度与金属表面水膜厚度有关。金属表面水膜厚度大于1 c m ，相当 于全浸在电解液中的腐蚀，通常所说的大气腐蚀是指在常温下潮湿空气中的腐蚀。 大气腐蚀机理是金属表面处于薄层电解液下的腐蚀过程，其腐蚀规律符合电化学 腐蚀的一般规律。当金属表面形成连续的电解液薄层时，大气腐蚀的阴极过程主 要是氧去极化。当金属全浸在还原性酸溶液中，阴极过程丰要是氢去极化，但在 城市污染的大气所形成的酸性水膜下，这些金属的腐蚀丰要是氧去极化腐蚀。在 薄的液膜条件下，大气的阴极过程受到较大阻碍，因为氧更容易到金属表面，牛 成氧化膜或氧的吸附膜，使阴极处于钝态。当液膜增厚，相当于湿大气腐蚀时， 氧到达金属表面有一个扩散过程，因此腐蚀过程受到扩散过程控制，所以潮大气 腐蚀丰要受阳极过程控制，而湿大气腐蚀丰要受阴极过程控制。 坝产f 诊 ( 2 ) 工业大气中腐蚀的特点 工业大气中的s 0 2 ，n 0 2 ，h 2 s 等都增加大气的腐蚀作用，加快金属的腐蚀速 度。 2 、海水腐蚀 海水作为腐蚀介质，其特点是含多种盐类，盐分中手要是n a c i ，一般把海水 近似地看作质量分数为3 3 5 的氯化钠溶液。海水中氯离子的含量很高时海水 有较大的腐蚀性。海水的平均电导率约为4 1 0 - 3 s c m ，远远超过河水与雨水海 水中溶解氧气，是海水腐蚀的重要因素。海水溶质比较多，因此电化学腐蚀的金 术规律对于海水中金属的腐蚀是适合的。 3 、上壤腐蚀特点 ( 1 ) 土壤的组成特点 土壤是上粒，水溶液，气体，有机物，带电胶粒和胶体等多种组分构成的极 为复杂的不均匀多相体系。不同土壤的组分比例不同，腐蚀性差别亦大。由于上 壤的组分和性能的不均匀，即以构成氧浓差电池腐蚀，使地下金属设施遭受严重 局部腐蚀。 ( 2 ) 土壤的腐蚀特点 ( a ) 充气不均匀引起的腐蚀 此类腐蚀是指地下管线穿过不同的地质结构及潮湿程度不同的上壤带时，由 于氧的浓度差别引起的宏观电池腐蚀。 ( b ) 杂散电流引起的腐蚀 在杂散电流是一种漏电现象，主要来源是应用直流电的大功率电器装置，由 于绝缘不好产生的杂散电流引起大宏观电池的腐蚀。 ( c ) 微牛物引起的腐蚀 丰要是硫酸杆菌和硫酸盐还原菌将上壤中硫酸盐还原产牛s 厶，可作为阴极去 极化剂，促进腐蚀反应。 1 2 常见耐蚀材料与应用 1 2 1 材料的耐蚀性的评价 材料耐蚀性的评价方法有很多，对不同类型的材料，常用以下几种方法。 l 、金属材料 金属产生的均匀腐绌，通常用材料表面一年的腐蚀深度来评定f 5 1 ，如表1 1 所 示： 耐v t ! i f ” ；t 垃订价敬槲阡们州兜 表l l 我国金属耐蚀性的四级标准 级别 腐蚀速度m m 口“ 腐蚀性砰价 1 o 0 5 优良 20 0 5 0 5 良好 对于不同类型的金属局部腐蚀，还可用腐蚀前后力学性能的变化、腐蚀产牛的 时间、腐蚀的孔数、腐蚀失重率来评价腐蚀性。 2 、非金属材料 无机非金属材料的耐腐性与材料的组成、孔率有关。其耐蚀性一般以耐酸、碱 度的值来表示。有机非金属材料大多数是高分子化合物，其耐蚀性常用材料被介 质作用后质量的增加来判断，也可由外形的变化及溶液颜色的变化来判断。 1 2 2 金属材料的耐蚀性 除少数金属材料因本身的化学稳定高( 如电极电位较高的贵金属a u 、a g 、c u 、 n i ) 及形成致密稳定的钝化膜( 如a l 、t i ) 而耐蚀外，大部分金属材料是通过合 金化使材料钝化，降低腐蚀电池的阴极、阳极活性或瞬间形成一定厚度的致密、 牢固的钝化保护膜来达到耐腐蚀的。所以，金属材料的耐蚀性与钝态金属的耐蚀 性有关。 1 2 3 无机非金属材料的耐蚀性 对于兀机非金属材料，由于都是非导体，在与介质接触时不会产乍电化学腐 蚀。1 日如化工陶瓷、搪瓷、玻璃等材料，其丰要成分是s i 0 2 ，则耐酸而不太耐碱； 若其中含有大量的c a o 、m g o 等碱性氧化物材料，则耐碱而不耐酸。所以，它们 在酸或碱作用下将产牛化学溶解形式的腐蚀。总的来说，此类材料因具有很好的 耐热性、耐酸或碱、盐腐蚀及耐老化、耐日晒、耐溶剂等能力，而广泛的使用。 1 2 4 高分子材料的耐蚀性 与金属不同，高分子材料不发牛电化学腐蚀，只有在湿气、氧或臭氧、微生 物、力、射线、热及特定化学介质作用下，高分子材料才会发生裂解、溶胀、溶 解、水解和开裂。因此，高分子材料都具有良好耐蚀性( 特别是对各种酸、碱、 盐，但大多不耐强氧化剂，部分不耐苯、汽油等介质) ，是一种很有希望替代金属 4 劬i 学伊论芷 的耐蚀材料，特别是用于制造服饰严重的化工容器、管道、零件等方面。f e i 其普 遍强度不太商，耐热、耐老化及耐部分溶剂能力较差，又限制了其在部分领域中 的应用。 1 3 合理选择耐蚀材料的一般原则 选用耐腐蚀材料的一般原则1 6 l 如下： l 、材料的耐腐蚀性要满足设备使用环境的要求，应选择对使用介质及工作环 境有耐蚀性的材料。 2 、设备的工作条件要清楚，设备是在特定条件下工作，选材时，首先要弄清 楚设备所处的介质、温度及压力情况。 ( 1 ) 介质情况包括：是氧化性还是还原性，是气相还是液相，浓度变化，所 含杂质的性质、腐蚀产物的性质，介质的p h 值等。 ( 2 ) 温度情况包括：平均温度、温度变化范围及变化速度。通常温度升高， 金属腐蚀速度加快。高温时除考虑金属的耐蚀性外，尚需考虑热强度及热脆性； 低温时要考虑冷脆性。 ( 3 ) 压力情况，当压力升高时，对材料的强度及耐蚀性要求也高。 温度不高及受力状况允许时，优先选择高聚物( 含塑料、橡胶及玻璃钢) 之 类的非金属材料。因为塑料等对大多数酸、碱、盐的耐蚀性比一般金属好，而且 工艺性好，成本也较低，还可以节约贵重金属( 如铝、不锈钢等) 。 3 、设备的结构与类型要全面考虑，不同类型的设备对材料的要求也不尽相同。 4 、要尽量满足工艺上的特殊要求，选材还必须考虑工艺上的某些特殊要求。 5 、要注意材料的物理力学性能，作为结构材料要具有一定的强度、塑性、冲 击韧性、良好的冷热加工性能和一定的热性能，要注意在长期使用中的无性能劣 化。 6 、要掌握材料的耐蚀性能，工程上对材料腐蚀率的要求通常小于0 5 m m a 。 此外，要特别注意材料耐局部腐蚀( 如：晶间腐蚀、点蚀、风习腐蚀、应力腐蚀 破裂等) 的性能。对于金属材料不仅要注意品种牌号，还应选择腐蚀化倾向小的 热处理状态。因为不同的相及组织，其耐蚀性相差很大。并应注意不同材料组合 接触时可能产生电偶腐蚀的倾向。 除此之外，还要考虑材料的价格、来源及经济性，工艺规程和制作说明书对 材料的限制。 耐锅钮，材芈i 选材殷计价数槲宵的州究 1 4 数据库专家系统在材料领域中的应用 1 4 1 数据库系统概述 数据库技术及其应用系统最甲出现于2 0 世纪6 0 年代，当时大多基于层次数据 模型和网状数据模型。2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，关系数据库理论的迅速发展使 数据库技术有了长足的进步。关系数据库有严格的数学基础，简单清晰，易于理 解和掌握，因此发展迅速。2 0 世纪8 0 年代以来，数据库得到了迅猛的发展，其主 要特征表现在数据库技术的发展涉及到各种工程和科技领域，如分布式数据库、 工程数据库、模糊数据库、并行数据库以及多媒体数据库等。它们都继承了传统 数据库的理论和技术，同时也改造和扩充了数据库的理论和技术。近十年来，数 据库技术得到了进一步的完善，已从简单数字或短数据记录检索发展到复杂应用。 复杂应用除包括简单应用内容外，还包括复杂的数据以及多媒体数据，此时，即 使最好的关系型数据库也无法完全满足复杂应用的要求，因此新一代而向对象数 据库及相关的工具进入r 数据库市场。当前，数据库技术已成为一门新兴学科， 成为计算机软件的一个重要分支。它吸引着大量计算机软件工作者对其原理和开 发进行讨论，使之更加通_ j 化、标准化和理想化。 1 4 2 数据库系统结构 为了提高系统的开发功能，现代的数据库系统都至少包含以下三个部分【卜8 】： l 、数据库一个结构化的相关数据的集合，包括数据本身和数据间的联系。 它独立于应用程j 孚而存在，是数据库系统的核心和管理对象。 2 、物理存储器保存数据的硬件介质，如磁盘、光盘等大容量存储器。 3 、数据库软件负责对数据库管理和维护的软件。具有对数据进行定义、描 述、操作和维护的功能，接受并完成用户程序及终端命令对数据库的不同请求， 并负责保护数据免受各种t 扰和破坏。数据库软件核心就是d b m s 。 在数据库系统中，用广可以逻辑的、抽象的处理数据而不必考虑数据在计算机 中是如何组织、存放的。为实现这一功能，现代数据库系统结构都为一种三级结 构，分别为子模式、模式和存储模式。它们之间的关系如图1 1 所示。数据库系统 的三级模式结构有效的实现了数据库的管理。 6 劬i 学f 一论迂 图1 i 数掘库系统的三级模式结构 1 4 3 数据库系统主要特征 数据的收集、整珲和评价是建立一个数据库的关键。和文件管珲方式相比， 计算机数据库系统管理数据具有以下辛要特征： 1 、数据共享实现数据共享是数据库发展的一个重要原因，数据库的数据可 供多个用户使用，某个用户只与库中的一部分数据打交道；用户数据可以是重叠 的，在同一时刻不同的用户可以同时存取数据而互不影响，大大提高了数据的利 用率。 2 、数据独立性在文件系统中，应用程序不但与数据文件相互独立，而且与 数据的存储和存取方式密切相关。在数据库系统中，应用程序不再同存储器上的 具体文件相对应，每个用，、所使用的数据有其自身的逻辑机构。数据独立性给数 据库的使用、调整、优化和扩充带来了方便，提高了数据库应用系统的稳定性。 3 、减少数据冗余数据库系统管理下的数据不再是面向应用，而是面向系统。 数据集中管理，统一进行组织、定义和存储，避免了不必要的冗余，因而也避免 了数据的不一致性。 4 、数据的结构化数据库系统中的数据是相互关联的，这种联系不仅表现在 记录内部，更重要的是记录类型之间的相百联系。整个数据库以适当的形式结构 而成，用户可以通过不同的路径存取数据以满足用户的不同需要。 5 、统一的数据保护功能多个用户共享数据资源，需要解决数据的安全性、 一致性和并发控制问题。为使数据安全、可靠、系统对用户使用数据进行严格的 检查，对非法用户将拒绝加入数据库，系统还通过其它的数据保护措施来保证数 耐馅蚀村半 选卡于殷计价彀椎斤的州究 铡的正确性。 1 4 4 数据库在材料领域中的应用1 9 叫。 材料数据库是以存储材料性能数据为丰要内容的数值数据库，辛要包括材料 的性能数据；材料的组分、工艺和处理过程：材料实验条件以及材料的应用和评 价等。 l 、国外材料数据库 美国是世界上数据库活动最发达的国家。其中材料数据库占有很大的比例。 如相图数据库、陶瓷相矧数据库、材料腐蚀数据库、材料摩擦磨损数据j 车。1 9 7 4 年，德国政府采纳了一项数据库建设计划，建立了包括材料数据库在内的许多专 业信息中心。由于共、法等国对数据库活动也十分积极，欧洲共同体计划投资1 3 亿美元，发展数据库。其中包括在英、法、德、比利时、意大利和荷兰等欧洲共 同体成员困选择了1 1 个材料数据库作为示范项目，以推动各国材料数据库的发展。 日本的数据库建设起步较晚，多数开始于8 0 年代初。但是日本政府视信息为 仪次于粮食的第二资源，已建起各类数据库上千个。其中仪陶瓷数据库就有七个， 大有后来居上的势头。此外，前苏联也成立了国家标准参考数据委员会，并且从 1 9 7 5 年开始在全同建立了3 0 个数据中心，其中许多涉及物质和材料性质的数据。 由于数据库的涉及面广，很难由一个单位独立承担，因而常常几个单位甚至 几个国家联合建库。例如美国国家标准局的许多材料数据库就是分别与美国金属 学会、陶瓷学会、腐蚀工程师协会及能源部合作建立的。德国的材料数据库大多 是合作建立项目。由于数据工作具有全球性，因而国际合作的规模越来越大。由 美、英、法、德、意大利、加拿大和日本等七个工业大国组成了有关新材料数据 及其标准的“凡尔塞计划”( v a m a s ) 。1 9 8 8 年“月在荷兰开会讨论了关于“材料 数据库对标准的需求”这一辛题。与会各国都强烈要求建立材料数据的围际性标 准，用以统一各国分散的数据活动，最终实现全球性的数据共享。除了西方国家 之外，原苏联及东欧各围也在数据库方面进行了联合并组成了一个名为 c o m e c o n 的材料数据系统。 正是因为世界各国对数据库活动的关注，甲在1 9 6 6 年，在围际科学联合会的 领导下，成立了国际科技数据委员会( c o d a t a ) 。其职责是推动世界范围内科技数 据的收集与评价；制定和推荐有关的规定和标准；协调和指导各国c o d a t a 委员 会的工作；并规定每两年召开一次年会，进行工作和学术交流。材料数据库是历 届c o d a t a 年会的重要手题之一。 2 、国内材料数据库 上世纪7 0 年代中期，数据库技术开始传入中国。1 9 7 7 年1 1 月召开了第一次 岫i 。7 世论艾 全国数据库学术会议。对中国开展数据库技术的研究和应用起了推动作用。上世 纪8 0 年代以来，中围在数据库技术方面有了很大发展。开始开发、实现和使用数 据库系统。以材料数据库为例，有北京科技大学等单位联合建立的材料腐蚀数据 库；武汉材料保护研究所建立的磨损数据库；北京钢铁总院建立的合金钢数据库： 航空航天部材料研究所建立的机械工程用材数据库和中科院长春应用化学研究所 的稀上材料数据库等。 近些年来，材料数据库技术在我国的科研领域已获得广泛的应用，但目前已 经建立的材料数据库多为单机版，不利于推广和使用。网络技术的飞速发展，极 大地改变了材料科学工作者的科研方式。通过现在网络数据库系统，材料科学工 作者可以很方便的实现材料数据库、文献资料和程序资源的共享。现在，材料数 据库已逐步走向现代化、商业化和网络化，并在材料研究、理化测试、产品设计 和决策咨询中得到广泛的应用。 1 5 材料选用原则与方法的研究 材料选择是材料科学与材料工程的重要使命之一，是材料器件化、产品化的 必经之路，是工程设计中的重要环节之一，并极大的影响着材料的开发、应用和 整个设计过程。选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，使材料的使用性 能与产品的实际功能相适应。作为工业设计的物质基础，材料选择的好坏直接关 系产品的质量与寿命，关系到产品的成本、可靠性与市场竞争力，也关系到资源、 生态和环境的平衡发展j 。 1 5 1 工程材料选用原则 l 、一般性原则 选用工程材料的一般性原则即所选材料必须受此原则的指导，一般有：供应 来源广泛：生产和加工廉价；能源能够有效利用；在所使用的温度范围内尺寸稳 定：有利实现轻量化；服役期内安全可靠、耐腐蚀、耐老化；对环境无害；可降 解、可再生等。 2 、具体原则 ( 1 ) 实用性选材原则 材料的使用性能必须符合设计要求的技术参数，保证在服役周期内安全。实 际上对材料的使用性能是多因素的，因而要进一步确定一个或几个必要性能。而 一种材料之所以被选中，必定满足其必要的使用性能。 ( 2 ) 工艺性原则 9 耐帆蚀”料j 茬 垃计价敖槲霄的圳，e 材料的工艺性能是机械制造选材时必须考虑的另一个莺要因素。一般包括： 材料的工艺性原则一般包括：铸造性，压力加工型，热处理工艺及材料的相容性。 材料工艺性能的好坏，在单件和小批量牛产条件下，并不显得特别突出，而在大 批量牛产条件下，希望达到经济规模要求，往彳丰成为选材中起决定性作用的因素 之一。 ( 3 ) 经济性原贝0 材料的经济性原则，不仪是优先考虑选用价格比较便宜的材料，而是要综合 考虑材料整个制造，运行使用和维护成木等的影响，以达到最佳技术经济效益， 这对材料的最终取舍同样有决定意义。 ( 4 ) 可达性原则 在设计选材时，材料的可达性与其他适用原则同样重要。如果某种材料在设 计规定的时间内不能得到，那么再经济合理的选材方案也没有意义。影响材料的 可达性的因素很多，如材料市场发育程度好，货源充足，可达性改善；材料牛产 的批量越大，单位成木越低，可达性越有保证；相同条件下，锻件的交货时间比 铸件长，塑料盒树脂基复合材料的牛产周期较短，可达性优于其他材料。 1 5 2 工程设计中常用的选材方法 1 、经验与传统选材方法 设计者根据直觉，或根据自身经历中的经验，或基本照搬本行业已有习惯， 需要时参考手头的手册，就做出选材的决定，并在有关图纸和技术文件上反映出 来。 2 、半经验选材方法 工程技术人员将产品资料，已有资料，已有经验与材料科学知识结合起来， 有思考的按照某种或某几种比较科学，行之有效的途径或程j 孚进行选的方法。 3 、现代选材方法1 1 2 1 ( 1 ) 价值工程法选材【1 3 1 5 】 材料的选用是一个复杂闲难的判断、优化过程。传统选材要求遵循3 个基本 原则：使用性能、工艺性能和经济性能。它们是辨证的统一体。但在现今的产品过 程设计中，设计人员往往过分侧重于使用性能，采用优质昂贵的材料满足产品的 功能，而对实现其功能的产品成本考虑较少，造成资源、能源的浪费及环境污染。 为克服选材的丰观随意性，增加选材的科学性，王章忠【m 叫7 j 等运用价值工程的基 本原理，从系统论角度讨论了现代工业产品价值选材的基本要素与过程，分析了 材料选择对产品功能和寿命周期成本的影响，最后给出了价值选材的应用事例。 结果表明：运用价值工程原理，可增加选材的客观科学性，提高产品价值。 1 0 l 7 t 论 ( 2 ) 应用优化原理选材 d u n g 2 h y u nj e e 1 8 i 等运用优化原理，即一方面利用熵( 平均信息量) 的概念来评 价每个材料性能( 包括定量性能和定性性能) 的权重。另一方面利用 t o p s i s ( t e c h n i q u ef o ro d e rp e r f e r e n c eb ys i m i l a r i t y t oi d e as o l u t i o n ) 在同时考虑了 众多要求的前提下，对候选材料进行了排序。 ( 3 ) 模糊设计定量选材 以前选材多带有很大的丰观性，不能确定地、科学地推算材料的优劣指数，而 模糊综合评价方法用于选材显然是可取的，尤其是当材料性能比较复杂、评判因 素较多，有些性能指标不能用单一的数据表示时，使用模糊综合评判法较为珲想 1 1 9 l 。许志华1 2 0 1 等萏次提出将模糊数学的理论知识、分析方法与人工智能基本理论 相结合。并借助于计算机完成机械工程材料的选择，从而使材料选择更为科学、更 为简单。设计者只需输入工作要求，便可以确定出欲选材料的优先次序。从而改 变了多年来查阅手册和凭借设计者的经验进行材料选择的落后方法，通过实例验 证，该方法具有选材速度快、准确性好等优点。 陈书法1 2 】等以某普通车床主轴部分材料为例，探讨应用模糊设计方法，即二 级模糊综合评判进行定量选材的方法。步骤如下：确定评价对象集一确立评价因 素集一建立一级评判矩阵一建立权重集一进行一级模糊综合评判一二级模糊综合 评剡。 ( 4 ) 材料选择图选材 a s h b y l 2 2 】等设计了一系列行之有效的材料选择图。用户可以从1 8 幅材料及过 程选择图中选择，它包括了机械设计中的大部分领域。从图中可以看到众多的工 程材料以及允许设计者使用的合适指标。l e i g hh o l l o w a y l 2 3 1 在a s h b y 材料选择图 的基础上。对其进行了扩展，在此方法中引入了环境因素。它可以用于估算空气和 水污染指数，同时说明了这些指数是如何被绘制成图线的，以此做出的材料选择 图处理了空气及水污染的相关问题，使得机械设计中优化环境影响的技术水平大 大提高。 ( 5 ) 应用人工神经网络选材 一 b p 神经网络是一个从输入到输出的高度非线性映射模型，它属于多层前项网 络，由输入层、隐含层和输出层构成。李元强 2 4 1 等通过构建和训练相应b p 神经 网络，建立和存储反映注射模具选材所需的全面和完整的选材知识，从而建立了 一个基于人工神经网络的材料选择系统。在选材网络获得相应输入信息后，就能 恢复记忆和展开联想，提取已经学到的知识，输出合理的选材方案，避免了大量 查阅资料，缩短了开发设计时间。 ( 6 ) 计算机辅助选材 近些年来，工程材料的种类日益增加，用以加工这些材料的切削工具种类也 灯獬纠 迓f t 慢计价龆槲盱帅川， 不断扩大。m a r o p o n l o s 等1 2 5 啪1 使用自动工具选择系统( a t s ) ，为粗加工和精加工选 择合适的工具。m a r o p o u l o s 等为蚓形组件设计了一套基于计算机的工具选择综合 管珲系统( t l m p ) 。该系统用于在研磨加工中选择切削尺寸和切割路径，系统包括 一个简单的技术模数，用来评估切割条件，选择工具以及他计在车削、钻孔和研 磨加工中工具的寿命。 1 6 评价方法的介绍 系统在以性能的硬要求为准则筛选材料后，可得到一组侯选材料。而评价就 是从这组侯选材料中做出最佳选择，并给出其余材料的排序。其目前在工程领域 上利用的评价方法有以下几种。 理想解法2 7 删1 和灰色系统理论1 2 9 圳l ：由各评价指标的最优性能数据构成理想 解，并由各评价指标的最劣性能数据构成负理想解，分别计算各候选材料到最优 解的相对距离和曲线相似程度，从位置距离和曲线形状角度分别进行评价，并进 行排序，排序越靠前，材料的综合性能越优。 模糊数学珲论f 3 “3 4 1 ：将工程材料选择过程中复杂的模糊性能要求进行精确化， 确定评价集、权重集和相应的隶属函数，通过建立单冈素评价射! 阵和综合评价矩 阵，选出符合要求的最佳材料。 j 孚号及众数卵论：将各种评价方法得出的排序结果棚加得到序号总和，按序 号总干l l 排序的结果作为最终的评价结果。若有序号总和值相同的位序，则运用众 数理论，即根据各位序的频数分布情况决定其先后顺序关系。 由于在评价过程中，各评价指标的相对重要性( 即权重) 不相同，且不同的 权重分配有时会得到差异很大的评价结果，因此权重是一个非常关键的参数，是 整个综合评价的“灵魂”，对评价结果起着至关重要的作用，目前权重确定理论有 以下几种方法。 层次分析珲论f 3 5 3 8 l ：通过构建评价指标的层次结构，结合定性分析和定量分 析，通过l 9 标度对指标间的相对重要性做出判断，建立判断矩阵，对评价指标 的权重进行确定。 神经网络【3 9 。2 1 ：通过确定输入层神经单元、输出层神经单元和隐含层，根据 已有的正确的选材实例，进行网络训练，得到各评价指标的权重。 遗传算法【4 3 4 5 i ：从某一随机产生的或是特定的初始群体出发。按照一定的操作 规则，如选择、交叉、变异等，不断地迭代计算，并根据每一个体的适应度值，保留 优良品种，淘汰次品，引导搜索过程向最优逼近，利用这样一种自适应达代选优 的算法来对权重向量进行优化，使权重向量从不佳逼近最优。 熵法【4 6 8 】：在信息论中，信息熵是系统无序程度的度量。在指标数据矩阵中， 励卜 f 论文 某项指标值差异程度越大，信息熵越小，则该指标的权重越大；反之，某项指标 值的差异程度越小，信息熵越大，则该指标的权重越小。所以，可以根据各项指 标的差异程度，利用信息熵，对各指标进行客观赋权。 变异系数方法【4 9 l ：根据被评价对象的数据，用指标的标准差除以均值的绝对 值，得到各指标的变异系数，并通过归一化处理，得到各指标的客观权重。 1 7 课题的目的、内容和意义 1 7 1 课题内容 ( 1 ) 采用程序设计语言d e l p h i 7 0 为开发工具，结构设计采用模块化和面l 旬对象 设计方法，结合工程实际，建立简单、合理、实用的耐腐蚀选材用材数据库系统。 ( 2 ) 对围内外已有选材方法进行比较分析，考虑零件功能、材料成本、加工工艺 等方面的不同要求，实现按材料在介质中的腐蚀等级对耐腐蚀材料进行多级化的 选材。 ( 3 ) 采用层次分析法和用户自定义的方法，将定性评价指标转化为定量指标，以 及对材料性能权重因f 的确定。 ( 4 ) 运用模糊综合评价方法，建立工程选材的综合评价模型，对候选材料的各个 性能指标进行定量综合评价，从中选出满足使用功能要求、适于加工制造并且成 本低廉的最佳材料。 1 7 2 课题目的和意义 材料选用是工程设计( 包括机械设计) 制造中的重要环节之一。在新产品开发与 设计、老产品更瓤，或为降低产品成本改变零件所用材料，或因原材料缺乏需要 更换材料时，都要考虑选材问题。选材的核心是在技术和经济合理的前提下，注 重节能和环保，使材料的使用性能与零件( 产品) 的设计功能相适应，获得其额定寿 命和最大经济效益。材料选择的好坏直接关系产品的实现、质量与寿命，关系到 产品的成本、可靠性与市场竞争力。 我围的选材用材水平较低，在工程构件、机械产品设计和制造中，往往由于 材料选择不当，造成零件早期失效( 我国重要基础件寿命低下，如模具寿命仪为发 达国家的1 3 ) ，甚至设备事故和人员伤亡。许多事例表明，选材错误或不当是要 付出很大代价的，我国调查近万个机械企业每年消耗钢材2 0 0 0 万吨以上，其原材 料费用平均占机械产品成本的6 0 以上。 1 3 耐蚀”选材肛计价数量霄的m ，e 作为机械零部件三种丰要失效方式之一，腐蚀问题汽接关系到国民经济各个 领域。【q 内外普查资料统计显示，每年因腐蚀i 而造成的损失约占各国g d p 的 3 5 。据此测算，中围2 0 0 4 年腐蚀损失约有5 0 0 0 多亿元人民币，远远大于自 然灾害和各类事故损失的总和。 先前围内也有建立材料腐蚀数据库，但大多都只是实现了简单的腐蚀数据查 询等功能，而对于耐腐蚀材料的选择，以及对于耐腐蚀材料的各个性能指标进行 定量综合评价功能的腐蚀材料数据库还比较少1 5 引1 。因此基于数据库技术，运用 层次分析法确定耐腐蚀材料权重因子，建立模糊综合评价模型，实现耐蚀材料的 选择与综合评价对于国民经济牛产具有实用价值和经济价值。 1 7 3 课题来源 甘肃省教育厅基金项目“工程材料选择与评价系统”( 0 5 l l 一0 4 ) 。 1 4 第2 章耐腐蚀材料选材数据库系统的建立 2 1 耐腐蚀数据库的设计要求 l 、内容全面 本系统不仪包含了各种耐腐蚀材料在不同介质下，不同温度下，不同浓度下 的腐蚀等级，以及这些材料的腐蚀性能和用途，而且还包含了这些材料的一些基 本的机械性能、物理化学性能等等，以便于对用户在选材过程中提供技术支持和 指导。 2 、信息量大 木系统内包含了用户信息库、材料基木性能库、耐腐蚀数据库、耐腐蚀图文 库、典型零件选用库、判据库、材料商业信息库等7 个子库，以及若干个耐腐蚀 材料在不同介质下，不同温度下，不同浓度下的腐蚀数据表。因i 面用户在选材的 过程中的选择面广，信息量也大。 3 、数据及时、可靠 木系统中所有的相关数据、图谱均取自于一些手册和工具书，而且当系统数 据出现错误或者要写入新的数据时，管理员也可以通过系统维护这一模块及时的 进行数据的追加、删除或者更改。 4 、实用性 本系统适用于从事生产，科研和教学的材料技术人员使用，在选材设计的过 程中提供一些参考，也对材料、机械等专业学生的学习具有一定的指导。 5 、操作简单、界面友好 本系统是运用程序设计语言d e l p h i 7 0 为开发工具，结构设计采用模块化和面 向对象设计方法，建立的一个关系型动态数据库，其界面友好，用户经过简单的 选择就可以得到合理的材料，以及对于这些材料综合性能的评价。 6 、运行方便 本系统在4 8 6 d x 1 2 0 以上的机型，1 g b 以上的硬盘，6 4 m b 以上的内存就可 以安装并且运行；在w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w s x p 等操作下都可以使 用。 2 2 系统选材及评价的设计思路 选材阶段，评价阶段是本数据库系统的手要阶段： 耐啊蚀h 选材，乏订价赞托c 霄的州究 在材料选材阶段，首先是根据材料所处的腐蚀环境进行分析，其中丰要考虑 的凶素有腐蚀介质，介质的浓度，介质的温度，接着根据川户所选择的腐蚀等级， 调用匹配规则，搜索相关数据库，系统则会列出符合条件的所有材料，而且按腐 蚀等级的高低进行排序。如果系统根据用户的选择找不到符合条件的材料的话， 系统则会提示放宽一些性能要求，建议重选。同样的话，如果用户觉得系统所选 择的材料过多的话，也可以重新选择。 在数据库系统的评价阶段，旨先根据零件的使用状态进行结构分析，用户选 择需要进行评价的若下个性能指标，接着通过用户自定义或者层次分析确定各性 能的权蕈冈f ，然后系统运用模糊综合评判法进行材料的综合评判，系统最后列 出进行评判材料的优劣性，以及对应的评语。 耐腐绌材料数据库系统的选材及评价设计流程如图2 1 ( a