金屬材料在我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)過(guò)程中，始終起著至關(guān)重要的作用。時(shí)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(dòng)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(huì)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(píng)價(jià)與提升將成為一個(gè)工業(yè)制造部門必須積極解決的重大共性問(wèn)題[1]。

1.   金屬材料使用過(guò)程中面臨的工程挑戰(zhàn)

金屬材料具有光澤性強(qiáng)、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(chǎng)價(jià)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(duì)鋼鐵的需求量相對(duì)下降。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中所具有的獨(dú)特性質(zhì)和功能，比如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁性等。

1.1   金屬結(jié)構(gòu)材料

我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展階段，超大型海上油氣平臺(tái)、西氣東輸工程、超大型橋梁、高鐵列車與輪軌、國(guó)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(yùn)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(dòng)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(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于在很多工業(yè)領(lǐng)域，我國(guó)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(guó)外進(jìn)口，隨著我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的自主可控要求不斷明確以及很多超級(jí)工程的啟動(dòng)建造，核心材料和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)越來(lái)越難以通過(guò)國(guó)際合作獲得，而且很多工況環(huán)境與載荷要求，國(guó)外也沒(méi)有先例，必須由我國(guó)企業(yè)來(lái)自主解決制約我國(guó)先進(jìn)材料開(kāi)發(fā)和高端裝備核心部件制造的瓶頸問(wèn)題。聚焦核心零部件制造開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，我國(guó)的材料設(shè)計(jì)和加工制造技術(shù)往往還是以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室小尺寸標(biāo)準(zhǔn)試樣在單一或簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獲取的服役性能數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。由于金屬材料的各向異性，真實(shí)的結(jié)構(gòu)性能存在顯著的尺寸效應(yīng)，尤其是實(shí)際服役工況是一個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)材料試樣不同的失效行為規(guī)律。在實(shí)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(duì)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(jì)開(kāi)發(fā)到工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，整個(gè)鏈條存在著很多影響因素，致使出現(xiàn)設(shè)計(jì)壽命與實(shí)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(xiǎn)而缺乏真實(shí)的服役性能數(shù)據(jù)而無(wú)法順利投入使用[2−4]。

1.2   金屬功能材料

金屬功能材料過(guò)去是金屬材料的一個(gè)小分支，但是，近年來(lái)，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(jī)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(chǎng)景和需求，開(kāi)展新型功能的研發(fā)與產(chǎn)品化，雖然相對(duì)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(shí)際服役過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失效，無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能，將給整個(gè)部件甚至裝備設(shè)施帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)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(kāi)發(fā)制備趨勢(shì)，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(duì)工程材料的服役性能、使用壽命以及實(shí)際強(qiáng)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(jià)值，但大量事實(shí)表明它不足以作為評(píng)價(jià)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(guò)程受到應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)環(huán)境場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用，實(shí)驗(yàn)室單一環(huán)境或簡(jiǎn)單環(huán)境與實(shí)際服役工況環(huán)境存在一定的差別，簡(jiǎn)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(shí)變特性表現(xiàn)不一，隨時(shí)間的變化規(guī)律不盡相同。依據(jù)簡(jiǎn)化條件和基于簡(jiǎn)單環(huán)境試驗(yàn)所建立的失效理論往往難以描述多場(chǎng)耦合作用下失效規(guī)律和失效機(jī)理。

2.   重大工程材料服役安全研究評(píng)價(jià)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行情況

針對(duì)重大工程材料服役安全評(píng)價(jià)這一重大問(wèn)題，國(guó)家發(fā)改委積極探索大科學(xué)裝置服務(wù)國(guó)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(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“重大工程材料服役安全研究評(píng)價(jià)設(shè)施”。該項(xiàng)目是首個(gè)直接面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的大科學(xué)設(shè)施，同時(shí)也是首個(gè)教育部直屬高校牽頭承建的大科學(xué)設(shè)施。項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于北京市昌平區(qū)未來(lái)科學(xué)城，于2022年11月通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收，現(xiàn)已全面投入運(yùn)行。圖1是設(shè)施正門俯瞰圖。

項(xiàng)目建設(shè)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持“團(tuán)結(jié)務(wù)實(shí)、科學(xué)管理、專家決策、集智創(chuàng)新”的理念，面向國(guó)家戰(zhàn)略與行業(yè)重大需求，經(jīng)過(guò)數(shù)百次的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、方案論證，創(chuàng)建“在真實(shí)服役工況環(huán)境下實(shí)時(shí)研究真實(shí)工程材料的真實(shí)失效過(guò)程”4R試驗(yàn)方法論，引領(lǐng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)研究范式從簡(jiǎn)單環(huán)境小樣品實(shí)驗(yàn)向多場(chǎng)耦合工況環(huán)境大尺寸材料/全尺寸構(gòu)件試驗(yàn)的變革，創(chuàng)新突破了以162項(xiàng)專利為代表的“尺度—環(huán)境—時(shí)間”多尺度多維度工程材料服役安全評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)體系，大幅提升了我國(guó)工程材料服役安全評(píng)價(jià)能力和水平。建成世界一流、公共性、通用性、開(kāi)放共享的大型科學(xué)試驗(yàn)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(chǎng)耦合、極端多因素等6套大型實(shí)體試驗(yàn)裝置群，仿真和開(kāi)放共享2套支撐系統(tǒng)，裝置群于2021年12月通過(guò)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(guó)際評(píng)估，建設(shè)水平和綜合試驗(yàn)?zāi)芰?yōu)于國(guó)內(nèi)外同類裝置。該設(shè)施各試驗(yàn)裝置構(gòu)成示意圖如圖2。

2.1   多相流環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)裝置

聚焦我國(guó)工業(yè)管道壽命預(yù)測(cè)和可靠性評(píng)價(jià)的核心難題，建成具有國(guó)際領(lǐng)先水平的4英寸工業(yè)級(jí)多相流管道腐蝕試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)流型流態(tài)可視化和腐蝕失效過(guò)程的全信息監(jiān)測(cè)與研究，圖3是該裝置群實(shí)景圖。目前，該裝置已承擔(dān)長(zhǎng)慶油田、國(guó)家戰(zhàn)略儲(chǔ)氣庫(kù)、延長(zhǎng)油田等單位委托的科研實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

2.2   高溫高壓水汽環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)裝置

聚焦我國(guó)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(píng)價(jià)難題，建成的高溫高壓水汽環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)裝置在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)高溫高壓雙回路與管道加載耦合工況，首次實(shí)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(yàn)空間包含國(guó)際最大的280 L高壓釜和流速最高循環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)參數(shù)要求，綜合試驗(yàn)?zāi)芰?yōu)于國(guó)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(yàn)裝置實(shí)景圖。該裝置已承擔(dān)國(guó)產(chǎn)核電站關(guān)鍵管道、火電站新一代耐熱鋼、國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片關(guān)鍵材料等測(cè)試評(píng)價(jià)與科研任務(wù)。

2.3   自然大氣環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)裝置

針對(duì)我國(guó)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(wèn)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(yàn)裝置，結(jié)合一系列中小型配套設(shè)備、監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)及先進(jìn)仿真評(píng)價(jià)能力，形成了具有多環(huán)境耦合的大型試驗(yàn)研究評(píng)價(jià)平臺(tái)，綜合試驗(yàn)?zāi)芰?yōu)于國(guó)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(yàn)裝置實(shí)景圖。裝置已承擔(dān)北京冬奧會(huì)主會(huì)場(chǎng)活動(dòng)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(xiàng)國(guó)家重大試驗(yàn)與研究任務(wù)。

2.4   特殊地域環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)裝置

針對(duì)路面工程，模擬高速公路、橋梁、機(jī)場(chǎng)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(zhǎng)期服役行為，為路面結(jié)構(gòu)的性能檢測(cè)、損傷機(jī)理、壽命預(yù)測(cè)等基礎(chǔ)性和應(yīng)用基礎(chǔ)性研究提供工作平臺(tái)，已建成封閉式直線試驗(yàn)系統(tǒng)和開(kāi)放式環(huán)道系統(tǒng)，在世界上首次實(shí)現(xiàn)覆蓋全域，高低溫、強(qiáng)降雨、強(qiáng)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(yàn)?zāi)芰?yōu)于國(guó)內(nèi)外同類裝置，圖6是其中封閉式直線加速加載試驗(yàn)裝置實(shí)景圖和環(huán)道加載裝置實(shí)景圖。

2.5   力學(xué)–化學(xué)多場(chǎng)耦合環(huán)境結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)裝置

建成國(guó)內(nèi)最大的2000 t疲勞、3000 t靜載的集中加載試驗(yàn)系統(tǒng)，26通道多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載試驗(yàn)系統(tǒng)、6自由度復(fù)合加載系統(tǒng)、超長(zhǎng)時(shí)蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)群、環(huán)境模擬復(fù)合加載系統(tǒng)及遠(yuǎn)程混合試驗(yàn)系統(tǒng)等大型裝置，可開(kāi)展多場(chǎng)耦合環(huán)境下大尺寸、全尺寸構(gòu)件等效加速試驗(yàn)，大大提升我國(guó)大型關(guān)鍵核心構(gòu)件與結(jié)構(gòu)服役評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試能力，圖7是該裝置主要設(shè)備實(shí)景圖。建設(shè)水平優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類裝置。已承擔(dān)國(guó)產(chǎn)重型燃?xì)廨啓C(jī)主軸、國(guó)產(chǎn)下一代16 MW風(fēng)電、天眼饋源支撐鋼纜、北京冬奧會(huì)國(guó)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(guó)產(chǎn)高鐵主承重結(jié)構(gòu)等重大裝備關(guān)鍵部件的試驗(yàn)與研究任務(wù)。

2.6   極端/多因素耦合環(huán)境材料損傷試驗(yàn)裝置

建成國(guó)內(nèi)首套實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)的核電站極端/多因素環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、水化學(xué)參數(shù)精確模擬及動(dòng)、靜態(tài)載荷控制，通過(guò)耦合光學(xué)、光譜、電化學(xué)、聲發(fā)射等原位分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)極端復(fù)雜環(huán)境下材料失效機(jī)理的精細(xì)化研究。與高溫高壓試驗(yàn)裝置功能互補(bǔ)，形成系統(tǒng)化、全覆蓋、規(guī)模化的高溫高壓水環(huán)境材料損傷研究與評(píng)價(jià)體系，圖8是該試驗(yàn)裝置部分設(shè)備實(shí)景圖。

2.7   工程結(jié)構(gòu)材料損傷仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

建成超越極端環(huán)境和時(shí)間/空間尺度限制的集成化、協(xié)同化數(shù)字仿真試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展面向材料失效全過(guò)程的多尺度仿真試驗(yàn)，與物理試驗(yàn)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(zhǎng)貯裝備性能評(píng)估、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱–力–氧化多場(chǎng)耦合環(huán)境失效等仿真分析研究任務(wù)。

2.8   開(kāi)放共享配套設(shè)施

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)網(wǎng)、知識(shí)圖譜、人工智能等先進(jìn)的信息化手段，建成集成化的開(kāi)放共享配套設(shè)施，實(shí)現(xiàn)裝置試驗(yàn)服務(wù)、仿真試驗(yàn)研究、科學(xué)數(shù)據(jù)和安全評(píng)價(jià)方法的開(kāi)放共享，圖10為該設(shè)施實(shí)景圖。設(shè)施已承擔(dān)我國(guó)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(jī)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(píng)價(jià)研究任務(wù)。

3.   結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)重大工程和設(shè)施服役過(guò)程中的尺度域、環(huán)境域、時(shí)間域和安全評(píng)價(jià)等科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展試驗(yàn)研究，是為我國(guó)重大裝備開(kāi)發(fā)制造和工程設(shè)施安全服役的必然技術(shù)支撐。通過(guò)匯聚形成一支由國(guó)內(nèi)外院士、國(guó)家特聘教授領(lǐng)銜的高水平科研試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，積極開(kāi)展國(guó)內(nèi)外合作，建立統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為建設(shè)我國(guó)自主可控的中國(guó)式現(xiàn)代化保駕護(hù)航。未來(lái)，國(guó)家科學(xué)中心及材料服役安全大科學(xué)設(shè)施將堅(jiān)持“四個(gè)面向”，聚焦我國(guó)重大需求，緊盯終端應(yīng)用場(chǎng)景，加強(qiáng)產(chǎn)教融合，以服務(wù)我國(guó)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(jī)構(gòu)。

文章來(lái)源——金屬世界