汽车用金属材料的生态设计实践

孙博学，刘　骁，龚先政，高　峰

(北京工业大学 材料科学与工程学院，北京 100124)



汽车用金属材料的生态设计实践

孙博学，刘骁，龚先政，高峰

(北京工业大学 材料科学与工程学院，北京 100124)

摘要：通过综合使用性能、环境负荷和经济成本3个因素，建立了基于模糊矩阵理论的金属材料生态设计多指标评价模型，并应用于钢铁、铝合金、镁合金3种典型车用金属材料的生态设计。研究结果显示，就性能而言，钢铁材料的综合性能优于铝合金材料和镁合金材料，其性能单一化指标分别比二者高8.25%和3.89%；就环境负荷而言，铝合金材料的生命周期环境负荷低于镁合金材料和钢铁材料，其环境负荷单一化指标分别比二者低10.68%和22.59%；综合考虑不同设计因素，针对汽车前端部件制造，铝合金材料的生态设计实施效果优于钢铁材料和镁合金材料。

关键词：钢铁；铝合金；镁合金；生态设计；汽车

1前言

在当代“绿色”与“循环”的发展宗旨下，“选材革命”已经成为汽车行业实现可持续发展的必经之路。汽车前端部件制造的耗材以钢铁材料为主，而铝合金和镁合金也正在逐步被视为可应用于汽车前端部件制造的轻型金属材料[1-4]。

若以物理性能为设计因素，则钢铁的强度较高，铝合金的可加工性较好，而镁合金以密度最低为其优势[5-8]；若以环境表现为设计因素，相关研究表明[9-12]，钢铁在生产阶段的环境负荷最低，镁合金在使用阶段的环境负荷最低，而铝合金的环境优势则体现在部件的回收阶段。由此可知，即使参照单一因素(性能与环境)，设计过程已涉及难以在物理层面或其它学科层面统一的多元化指标(如，材料强度、可加工性、密度)，如若综合考虑不同设计因素以满足实际应用中的各项基本需求，设计情况将更为复杂。对这种复杂性的解决体现了生态设计的核心思想与关键技术。

本文的研究目的是建立轻量化金属材料生态设计的规范模式，以对不同设计指标与设计因素进行综合统筹，从而实现环保性、实用性、经济性并存的选材设计。

2方法与数据

2.1金属材料生态设计方法

2.1.1材料性能指标的表征

性能是材料满足实际应用需求的最根本保证；设计的实质即是将产品对性能的需求“明确化”，而具体的各类材料则是对产品性能需求的满足或者说是性能需求的“实体化”。材料的各种性能在不同应用情景下所发挥的作用亦不相同，其相互间的重要程度也会随之发生变化；例如，铝合金在用作断桥门窗框架时，应当选取耐腐蚀性能作为首要设计指标，而将其应用于汽车制造时，则应首先考虑力学性能。此外，对材料性能的需求程度也因应用情境不同而异，例如道路建设与大坝建设对混凝土材料的强度需求(即需求程度)间存在明显差异。综上所述，对材料性能的表征应当以实际应用情景为导向。

本研究通过构建需求-性能矩阵表示二者间的相互关系。如表1所示，Wij为性能Pj对需求Ri的贡献，如果某种性能对某种需求并无贡献(如材料的耐腐蚀性能与产品对材料力学性能的需求)，则Wij=0；aPj为性能Pj对产品需求的标准化数值，wRi表示不同性能需求在具体生态设计中的权重因子(相对重要程度)。公式(1)与公式(2)为各参数的计算过程。

aPj=W1j·wR1+W2j·wR2+…+Wnj·wRn

(1)

(2)

2.1.2材料环境负荷指标的表征与生产成本

生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)是国际上通用的材料环境负荷量化工具，也是生态设计的重要依托方法。LCA起源于上世纪60年代，发展至90年代时，逐渐出现若干国际标准(ISO14040-14049)，使其成为确定产品环境影响潜力的权威方法[13]。国际标准化组织(ISO)与国际环境毒物学和化学学会(SETAC)对LCA的定义是：汇总和评估产品、服务在整个生命周期内的资源投入与污染排放所造成的潜在环境影响的方法，其中生命周期的含义是与产品或服务相关的，从原材料获取、加工制造、投入使用直至最终废弃的前后衔接的一系列生产消费过程。根据ISO14040所定义的技术框架，一项完整的LCA研究应包括目标与范围的确定、清单分析、影响评价以及结果解释4个阶段[14]，如图1所示。

图1　LCA的实施过程及技术框架Fig.1　Implementation procedure and technical framework of LCA

开展生命周期评价研究意在通过量化材料从 “摇篮”到“坟墓”过程的环境影响，识别出重点污染类型与污染环节，从而为制定相关环境政策提供理论依据与数据支持。与此不同，在生态设计中，除了要确定环境负荷指标外，还要综合分析材料的使用性能与经济成本因素，从而做出面向应用的最优选择[15]。由此可见，生态设计在利用“生命周期”这一概念的同时也对其进行了拓展：传统材料的生命周期包括从制造到投入使用以及报废的各个阶段，而生态设计将材料的生命周期延伸到了使用结束后对设计方案的改进，通过对生态设计方案的不断反馈来完善产品的前端设计，最终得到最可行的生态设计实施方案。

除环境指标与性能指标外，产品的生产成本亦应在产品设计阶段予以考虑。经济成本的核算项主要包括材料生命周期过程所消耗的矿物、能源以及其它工业中间产品，如公式(3)所示。此外，在进行生命周期成本核算时无需考虑与环境影响相关的经济成本，以避免与环境负荷指标的重复考虑。

C=Ce+Cr+Co

(3)

式中，Ce——能源消耗总成本；

Cr——资源消耗总成本；

Co——其他消耗总成本。

2.2功能单位与系统边界

2.2.1功能单位的选取

本研究的功能单位选取为整车重为1 445 kg汽车的前端部件，设定汽车的报废公里数为200 000 km；以铝合金、镁合金和钢铁生产该汽车前端部件的材料消耗量分别为：61 kg、45.2 kg、82.2 kg。

2.2.2系统边界的规范

如图2所示，不同金属材料的系统边界可统一规范为开采阶段、生产阶段、使用阶段与回收阶段；其中，不考虑汽车前端部件在行驶过程中的部件损耗与更换。

图2　本研究系统边界Fig.2　System boundary of this study

2.3数据来源

2.3.1材料生产、回收阶段的清单数据

本研究中，材料生产阶段与回收阶段的清单数据源自北京工业大学自主开发的材料生命周期工程数据库[16]；清单数据均为企业调研数据，质量较高，能够反映我国材料工业的真实生产水平。

镁合金锭的生产工艺选取为气体保护法，数据范围涵盖原镁生产、合金制备以及能源生产，镁合金铸锭的成材率约为30%～40%，取其平均值35%；铝合金生产工艺选取为锻造，数据范围涵盖原铝生产、铝合金熔铸以及能源生产，铝合金铸锭的成材率约为60%～70%，取其平均值65%；钢铁生产的清单数据范围包括铁矿石开采、矿石精选、铁矿石烧结、高炉炼铁、炼钢、轧钢以及能源生产，钢铁材料的成材率取为97%。

2.3.2材料使用阶段清单计算方法

汽车行驶过程的耗油量与汽车部件的重量呈线性关系，其解析式如式(4)所示[17]：

F(L)=L×FE(0)×[(1+SW)×(MPO-MPL)/MVO×

df/dm]-1×[MPL(MVO-(1+SW)×(MPO-MPL))]

(4)

式中，F(L)——汽车零部件行驶一定距离所消耗的汽油量(l)；

L——汽车行驶距离(km)；

FE(O)——燃油消耗因子(L/100 km)；

SW——二次轻量化，即由于某种零部件质量的减轻或材料的变动所引起的其它零部件变化(无量纲)；

MPO——零部件的原质量，即使用替代材料前的质量(kg)；

MPL——零部件的质量(kg)；

MVO——车辆的总质量(kg)；

df/dm——燃油效率与质量变化的关系。

根据设定的功能单位，行驶距离L为200 000 km，FE(O)选取为普通轿车燃油因子的平均值10.6 L/100 km，SW选取为0.5，MVO为1 445 kg；在汽车行驶过程中汽车质量每减少10%，平均燃油消耗率降低6.5%，相应的df/dm值为0.65。

2.4性能-环境-经济指标的统一

2.4.1模糊矩阵评价原理

模糊综合评价法是运用模糊变换原理，对某一对象进行全面客观的分析，从而解决传统评价方法难以统一多维度指标的问题[18]。

构建评价对象的因素集合U=(U1,U2,…Un)，评价集合V=(V1,V2,…Vn)。集合V中的元素是对集合U中相应评价标准的分级，即参与评价的n个因子的数值指标。依据集合因素中的模糊信息，建立模糊矩阵，见式(5)：

(5)

式中，rij为元素vj对元素ui的隶属度,Ri为因素集合Ui的单因素评价矩阵。

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相应一级模糊综合评价结果可表示为式(6)：

Si=Ai×Ri

(6)

式中，Ai表示U1,U2……Un中各因素的权重。

依据最大关联度原理，最终评价结果中的最大值Smax即为最优实施效果。

2.4.2因素间权重因子的确定

对于不同设计要素之间的相互重要程度，本文采用层次分析法(The Analytic Hierarchy Process, AHP)[19]确定几种生态设计要素的权重因子。该方法可以紧密地和决策者的主观判断与客观推理相结合，确保最终设计方案的客观性与合理性。

通过对研究目标的理解与认识，建立一个可将系统分为若干个层次的多级递阶结构。一般而言，每一层次所包含元素的数量不超过9个，如表2所示。

表2　AHP中各标度的含义

基于元素间两两比较的标度，可进一步确定相应的权重系数。本研究选用连乘法对其进行计算，具体过程如式(7)～(9)所示：

(7)

(8)

(9)

式中，bij——第i行，第j列的矩阵因子；

wi——归一化结果，即权重；

B——n×n阶判断矩阵；

Wi——权重向量；

(BW)i——矩阵B与向量W相乘所得列向量中的第i个元素；

λmax——最大特征值。

3结果与讨论

3.1环境负荷指标分析

3.1.1材料生产阶段环境负荷的对比

就生产阶段而言，不可再生资源耗竭潜力(ADP)、全球变暖潜力(GWP)、酸化效应(AP)最大的是镁合金，铝合金与钢铁材料所造成的上述3环境影响分别比镁合金低98.90%和99.21%、59.41%和94.87%、64.25%和99.50%；光化学烟雾(POCP)、人体健康损害(HTP)最大的是铝合金，镁合金与钢铁材料所造成的这两类环境影响分别比铝合金低36.06%和99.62%、48.13%和99.92%。总体而言，在材料生产阶段，镁合金所造成的环境负荷最高，其次是铝合金，钢铁最低分别比镁合金、铝合金低97.17%与57.20%，如图3所示。

图3　金属材料生产阶段环境负荷对比Fig.3　Comparison of environmental load between the three metals in the manufacturing phase

3.1.2部件使用阶段环境负荷的对比

由于钢铁制部件的重量大于铝合金和镁合金部件，所以在部件使用(即汽车行驶)阶段，钢铁制部件的耗油量高于铝合金制和镁合金制部件的耗油量，由此造成的环境负荷也高于铝合金制和镁合金制部件，如图4所示。

图4　3种金属材料使用阶段环境负荷对比Fig.4　Comparison of environmental load between the three metals in the use phase

由图4可知，钢铁制部件在使用阶段所造成的各单一类型环境影响与总环境影响均最大。镁合金制与铝合金制部件在使用阶段所造成的POCP、ADP、GWP、AP、HTP分别比钢铁制部件低43.86%和25.01%、44.02%和24.94%、43.85%和24.71%、42.54%和24.89%、44.61%和24.89%；此外，钢铁制部件在使用阶段所造成的总环境影响比铝合金制与镁合金制部件分别高78.40%和33.10%。

3.1.3部件回收阶段环境负荷的对比

回收阶段环境负荷最高的是镁合金制部件，这是因为镁合金中含有氧化物成分，因此，在镁合金废料再使用前必须进行成分调整，以满足相应的使用需求。在回收处理过程中，无论是熔剂法熔炼还是无熔剂法熔炼都需要使用SF6、SO2等含硫保护气体防止熔体氧化，而这些防护物质的使用会对环境产生极大的损害。总体而言，镁合金的回收再生过程比铝合金和钢铁更为复杂，其相应环境负荷也远高于二者。铝合金与钢铁在回收阶段所造成的环境负荷分别比镁合金低80.44%和89.82%，如图5所示。

图5　3种金属材料回收阶段环境负荷对比Fig.5　Comparison of environmental load between the three metals in the recycling phase

3.1.4部件全生命周期环境影响分析

如图6所示，在整个生命周期过程中，钢铁制部件的环境负荷最大，其次是镁合金制部件，铝合金制部件的环境负荷最小，分别比镁合金和钢铁低10.68%和22.59%。

几种环境影响类型的大小有如下关系：POCP>GWP>AP>ADP>HTP。在镁合金的生命周期环境影响中，POCP占总环境影响的56.84%，GWP占总环境影响的22.78%，AP占总环境影响的15.30%，ADP总环境影响的4.57%，其余部分是HTP。在铝合金的生命周期环境影响中，POCP占总环境影响的82.77%，GWP占总环境影响的7.84%，AP占总环境影响的9.33%，ADP与HTP均较小。在钢铁材料的生命周期环境影响中，POCP占总环境影响的84.44%，GWP占总环境影响的7.19%，AP占总环境影响的8.22%，ADP与HTP均较小。

图6　不同环境影响类型间的对比Fig.6　Comparison of different environmental impact categories

3.2性能指标分析

3.2.1性能-需求矩阵的建立

根据汽车对材料性能的基本需求，确定了汽车前端部件的不同需求Ri及其在生态设计中的相对重要程度wRi，从而建立了可表示二者间相互关联的需求-性能矩阵，如表3所示。

表3　汽车前端部件需求与材料性能的对应权重

3.2.2单一化性能指标的对比

通过由性能-需求矩阵所获得的权重因子对模糊化后的各项性能数据进行加权求和，得到铝、钢、镁3种金属材料用于汽车前端部件的单一化性能指标分别为0.715、0.774、0.745，如图7所示。就应用于汽车前端部件而言，钢铁材料的综合性能优于铝合金和镁合金，其单一化的性能指标分别比铝合金和镁合金高8.25%和3.89%。

3.3零部件生态设计结果

3.3.1基于模糊矩阵的生态设计结果

为了使3个矩阵能够在同一维度上进行定量比较与

图7　3种金属材料的综合性能指标值对比Fig.7　Comparison of the integrated performance indicator between the three metals

加权求和，进行模糊化处理如下：对性能子矩阵进行归一化处理，得到矩阵U1=(U11,U12,U13)=(铝合金，钢铁，镁合金)=(0.320，0.347，0.333)；在生态设计中，环境负荷与经济成本属于“越小越好”的设计因素，因此需对二者进行取倒归一化处理(即对其倒数进行归一化)，得到环境影响矩阵U2=(U21,U22,U23)=(铝合金，钢铁，镁合金)=(0.374，0.292，0.334)，经济成本矩阵U3=(U31,U32,U33)=(铝合金材料，钢铁材料，镁合金材料)=(0.339，0.313，0.348)。3种材料的评价矩阵可统一表示为式(10)：

(10)

对于汽车前端部件这一应用情景，材料性能对部件需求的满足为设计的首要考虑因素，其次为环境负荷与经济成本。在这一总原则下，采用层次分析法对3项设计因素进行两两对比，其结果如表4所示。

表4　生态设计三要素之间的重要性标度

以表4中的标度为基础，按照公式(5)、(6)计算得到w1=(1×2×2)1/3=1.58，w2=(0.5×1×1)1/3=0.79，w3=(0.5×1×1)1/3=0.79，以及归一化结果A1=0.5，A2=0.25，A3=0.25。进而得到材料性能、环境影响、经济成本的权重值分别为0.5、0.25、0.25，相应综合评价结果可表示为式(11)：

(11)

式中，S1为铝合金材料生态设计综合评价结果，S2为钢铁材料生态设计综合评价结果，S3为镁合金材料生态设计综合评价结果。

依据最大隶属度原则可知，铝合金的生态设计评价结果优于镁合金与钢铁。此外，若采用等权重方法对各项设计要素进行加权求和，则计算结果为：S=(S1，S2，S3)=(0.345，0.317，0.338)，可知S1>S3>S2；这一结果同样显示出选用铝合金制造汽车零部件比选用镁合金与钢铁更符合生态设计的理念。

3.3.2基于传统生态设计思想的设计结果

为了表现本研究结果对生态设计方法的敏感性，在不考虑经济成本的情况下，采用传统的生态设计方法对3种材料进行了定量分析，选取W=P/I为评价基准(其中，P表示材料的使用性能，I表示材料的环境影响)，其意义为单位环境负荷所产生的性能回报。

镁合金的综合评价指标W1=P1/I1=3.18E+09，铝合金的综合评价指标W2=P2/I2=3.42E+09，钢铁综合评价指标W3=P3/I3=2.88E+09。由此可见，与基于模糊矩阵的生态设计评价结果相一致，传统生态设计评价结果也支持了铝合金优于镁合金与钢铁这一趋势。两种设计思想结果的一致性，增加了选用铝合金制造汽车零部件最符合生态设计理念这一结论的可靠性。

4结论

通过对铝、钢、镁3种金属材料在典型汽车零部件中应用的性能-环境-经济多设计指标进行综合分析，本文尝试性地提出了面向实际应用的金属材料生态设计方法及其实践步骤，所得结论如下：

(1) 3种材料的性能对比结果显示，钢铁的综合性能优于铝合金与镁合金，其性能单一化指标分别比铝合金与镁合金高8.25%和3.89%。

(2) 在所设定的系统边界内，钢铁的生命周期环境负荷最高，其次是镁合金，铝合金的环境负荷最低，分别比镁合金与钢铁低10.68%和22.59%。

(3) 与钢铁和镁合金相比，将铝合金应用于汽车前端部件制造更符合生态设计的理念。

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(编辑盖少飞)

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聂祚仁:男，1963年生，博士，教授，博士生导师。1997年于中南大学材料系获博士学位，2002年9月～2004年3月为日本东京大学、名古屋大学客员教授。“长江学者”特聘教授，现任任北京工业大学副校长。兼任国家“863”新材料技术领域主题组专家，国家自然科学基金委专家评审组专家；Int.J.LCA(德国)中国区编委和全球LCA中心联盟中方委员，稀贵金属国家重点实验室学术委员会主任，中国材料研究学会常务理事等。获国家杰出青年科学基金并“特优”验收，入选国家百千万工程领军人才，被授予“全国五一劳动奖章”等。主要从事有色金属冶金材料加工及其循环再造研究。先后主持国际合作和国家“973”课题、“863”重点项目课题、重点基金等20余项，获国家技术发明二等奖2项(第1、4)、国家科技进步二等奖2项(第1、2)和国家科技进步一等奖1项(第10)；授权发明专利和软件著作权50余件；出版专著、教材4部，论文被SCI/EI收录百余篇、他引两千多次。

龚先政:男，1967年生，教授。2006年获北京工业大学材料学博士学位，中国材料学会环境材料分会委员。长期从事生态环境材料研究、材料物质流分析、生命周期分析、材料(产品)生态设计、生命周期管理和材料资源加工与利用技术等研究与开发，主持国家“863”计划、国家支撑计划、国家科技条件平台建设、国际合作项目等课题研究，承担企业委托技术咨询、服务和技术开发项目，建立中国材料生命周期环境负荷基础数据库及环境材料研究开发技术平台。担任JCP，EST等国际期刊审稿人，在JIE、SAEInt发表论文50余篇，SCI、EI、ISTP检索30余篇，获得专利2项和软件著作权4项，编写和参加编写出版著作4部，获得建材行业科技进步一等奖1项，国家科技进步二等奖1项。主要研究方向：生态环境材料；物质流分析与生命周期分析；材料/产品生态设计。

高峰：男，1978年生，副教授，硕士生导师。中国材料研究学会环境材料分会第三届委员会副干事长、委员，中国有色金属协会镁业分会专家，中国材料研究学会青年工作委员会理事，InternationalJournalofLifeCycleAssessment审稿人。主要从事材料生命周期评价理论与技术的研究与教学工作，在面向流程的生命周期评价方法，镁、铝等有色金属及其材料产品生命周期环境影响等研究方面取得重要进展。主持及参与国家自然科学基金项目、“863”项目、科技支撑等重要课题；获得2012年国家科技进步二等奖，2010年省部级科技进步一等奖；在国际生命周期评价、材料领域中发表论文30多篇；镁环境负荷数据被中国—美国—加拿大“镁质车体前端结构研究与开发”(MFERD)合作项目、德国宇航中心汽车概念研究院、国际镁业协会、中国镁业协会等相关项目与机构引用和评述。主要研究方向：有色金属材料生命周期评价/物质流分析；材料/产品生态设计理论与技术。

周和敏：男，1963年生，教授。2002年于北京工业大学材料学院获工学博士学位，北京航空航天大学博士后流动站出站。2006年到日本参加JICA项目“提高钢铁工业资源、能源和环境管理能力”研修。从事于材料加工工艺及新产品开发研究、节能以及工业固体废渣和低品质矿综合利用工作。完成 “1 422 MPa级高强度预应力管桩钢筋(PC钢棒)生产工艺及装备”开发，“混凝土用钢筋焊接网成套设备”开发，“高强度低松驰预应力钢丝稳定化生产”产品和装备开发等；参加国家“863”项目“材料环境协调性评价研究”、国家科技支撑项目“循环经济与清洁生产技术的清单优选、技术政策与标准体系”等项目的研究工作。已发表论文32篇；获省部级科技进步奖4项，发明专利和实用新型专利16项。主要研究方向：高品质线棒材产品品种研发；深贫杂矿、钢铁厂固废和有色冶炼渣处理和综合利用及处理炉体设备设计。

孙博学：男，1985年生，2013年毕业于北京工业大学获工学博士学位。主要从事材料生命周期评价的研究工作，重点研究材料生产流程资源转化效率的热力学表征；于国际生命周期杂志(IntJLCA)等国际重要学术刊物发表论文多篇，其中SCI收录4篇。主要研究方向：基于理论的资源耗竭表征；多元素共生冶金系统的资源转化解析。

Practicing Eco-Design in Metal Materials for Automobile

SUN Boxue, LIU Xiao, GONG Xianzheng, GAO Feng

(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

Abstract：Through integrating three designing factors, i.e., physical performance, environmental load, and economic cost, this study tentatively established a fuzzy-matrix theory based eco-design model for metal materials, and applied this model to the eco-design of three typical metal materials for automobile, i.e., steel, aluminum, and magnesium. The results show that, regarding the physical properties, steel is more advantageous than aluminum and magnesium towards the demand of automobile industry, and steel’s integrated indictor of physical-performance is 8.25% and 3.89% higher than those of aluminum and magnesium, respectively; with respect to the environmental load, aluminum is more advantageous than steel and magnesium, and the single score of life cycle assessment of aluminum is 10.68% and 22.59% lower than those of magnesium and steel, respectively; in general, integrating various designing factors, the eco-design implementation effect of aluminum is more conspicuous than those of steel and magnesium towards the application in automobile industry.

Key words：steel; aluminum alloy; magnesium alloy; eco-design; automobile

中图分类号：X820.3

文献标识码：A

文章编号：1674-3962(2016)03-0197-07

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.05

基金项目：国家863计划(2013AA031602)

收稿日期：2015-09-22

第一作者：孙博学 ，男，1985年生，助理研究员，Email：sunboxuexx@163.com