循环经济、可持续发展、环境设计是确定未来几年将面临的新的严峻挑战的一些关键词。原材料在实现这一目标方面起着主导作用。绿色能源、电动汽车、通讯等都依赖于被贴上关键标签的原材料，因为它们的经济重要性和高供应风险。为此，需要在材料选择和设计中采取缓解措施，如材料替代、提高材料效率和回收利用。在这一技术交流中，根据最近的文献，描述了在材料选择中实现原材料临界问题的方法。该策略是基于阿什比的方法和合金临界指数的定义，定量的每单位质量的材料的临界。

材料的选择应该伴随设计过程的所有阶段，从概念到细节。在概念或实施阶段所做的选择的结果可能在检查细节之前不会变得明显。迭代，循环探索替代方案，是设计过程的重要组成部分。因此，材料选择策略必须是系统的和易于应用的。2004年，Ashby等[1]发表了一篇论文，论述了一种选择材料和工艺的强大方法。它由四个主要步骤组成(图1)。从材料宇宙开始，设计要求必须首先转化为约束条件、自由变量和优化目标。然后根据约束条件筛选所有材料，并根据目标对“幸存材料”进行排名。最后，需要辅助信息来选择最佳材料。该方法需要一个数据库，其中存储每种材料的物理、化学、热机械性能。

阿什比方法的一个有趣概念是用来对幸存材料进行排序的材料指数的定义。从目标方程出发，通过约束方程消去自由变量进行计算。例如，要选择使拉杆质量(m)最小的材料，目标方程为:

$米＝\rho l\mathrm{一个}\text{(1）}$

其中ρ是物质密度，L是长度，A是分量的横截面(自由变量)。若考虑拉杆刚度(S)约束，

$\mathrm{年代}＝\frac{E\mathrm{一个}}{l}\text{（2）}$

取E =杨氏模量，由式(2)得到自由变量，代入式(1)得到:

$米＝\mathrm{年代}{l}^2\frac{\rho }{E}\text{（3）}$

在L和S值固定的情况下，ρ/E的比值越低，拉杆的质量就越低。ρ/E被称为材料指数，它仅仅是材料特性的函数。通常，它使用它的逆表达式(比如，M = E/ρ)，目的是通过最大化指标M来优化目标方程(Eq.(3))。现在的问题是:在关键原材料(CRMs)的角度，哪一个是用来选择材料的目标方程?要回答这个问题，首先有必要量化通用原材料的关键问题。

根据评估

与每种原材料相关的关键问题通过一系列指标进行量化，如丰度风险(ARL)、采购和地缘政治风险(SGR)、环境国家风险(ECR)、标准化供应风险(NSR)、经济重要性(EI)以及最后的回收缺陷指数(RDI)[3]。为了在设计中使用这些指标，有必要将它们汇总为每个关键原材料(i)的总体总体指标(CI_CRMi)：

$C{我}_{CR{\mathrm{毫克ydF4y2Ba}}_{我}}＝（k_{\mathrm{一个}Rl}\mathrm{一个}R{l}_{我}+k_{\mathrm{年代}GR}\mathrm{年代}G{R}_{我}+k_{ECR}EC{R}_{我}+k_{N\mathrm{年代}R}N\mathrm{年代}{R}_{我}+k_{NE我}NE{我}_{我}+k_{RD我}RD{我}_{我}）/6\text{（4）}$

在Eq.(4)中，k是一个无量纲系数，根据对应的临界方面的严重程度，k的值在0到1之间。当Eq.(4)中所有k值都等于1时，所有关键方面的严重性都是相等的。Eq.(4)中的临界指标值是利用文献[3]中的数据计算出来的。表1收集了各临界指标的数值。结果表明，欧盟对稀土的依赖程度是由其临界指标的最高值反映出来的。

由于在材料成分(如金属合金)中可能含有不同数量的crm，材料临界指数可以定义为:

$C我＝{\displaystyle \underset{我＝1}{\overset{n}{\sum }}C{我}_{CR{\mathrm{毫克ydF4y2Ba}}_{我}}\frac{wt{％}_{CR{\mathrm{毫克ydF4y2Ba}}_{我}}}{\mathrm{One\; hundred.}}}\text{（5）}$

其中n是物料化学成分中crm的数量和wt%_CRMi是CRM“i”的数量，以重量百分比衡量。值得注意的是，临界指数(CI)表示材料每单位质量的总体临界值。

从客户需求模型的角度选择材料

一旦对材料总体临界度进行了评估(式5)，在Ashby方法框架下材料指标计算的目标方程为:

$米＊＝米\cdot C我\text{(6）}$

由于CI定义了材料(即一般合金)每单位质量的临界度，m*从crm的角度量化了整个部件的临界度。通过使用介绍中所述的例子，现在很容易证明刚性和低临界拉杆的材料指标是:

$\mathrm{毫克ydF4y2Ba}＝\frac{E}{\rho \cdot C我}\text{(7）}$

在所谓的Ashby 's maps中，即显示不同材料在由两种材料属性(或它们的组合)定义的空间中的位置的对数-对数图(图2)，Eq.(7)是一系列斜率为1的平行直线(索引线)。随着M值的增加，索引线向地图的左上角移动。索引行(搜索区域)左侧的材料是我们感兴趣的。通过增加M值，搜索区域缩小并选择优化目标[4]的材料。这种方法可以很容易地扩展到回收设计[5]、材料替代设计[3]以及从crm的角度为环境设计[6]。

21^圣与尊重环境和资源的新经济相关的世纪挑战可以通过材料方面的优秀知识来解决，甚至可以通过掌握新技能，使工程师和设计师能够对资源和能源消耗采取缓解措施。在这种情况下，一个系统的策略来选择材料的关键原材料的观点被发展。所提出的策略是基于材料临界指标定义，从而允许定义一个客观方程的材料指标计算遵循阿什比程序。该方法特别适用于针对crm密集使用(回收、替代、材料效率)的缓解措施的应用。

这项工作是欧洲项目“关键原材料视角下的组件设计”(DERMAP, KAVA项目# 17205)成果的一部分。作者要感谢EIT原材料公司的资金支持和所有项目合作伙伴(SWEREA SWEECAST AB、蒙德拉贡大学、AGH大学、EURECAT、Enginsoft、Fonderie Zanardi)对项目开发的贡献

1. Ashby MF, Bréchet YJM, Cebon D, Salvo L.材料和工艺的选择策略。材料与设计。2004;25日:51 - 67。
2. Ferro P, Bonollo F, Cruz SA。关键原材料的合金替代。Frattura ed Integrità Strutturale. 2020;51: 81 - 91。
3. 《关键原料清单》综述研究。关键原材料概况。2017;ISBN 978-92-79-72119-9。
4. Ferro P, Bonollo F.材料选择在关键原材料的角度。材料与设计。2019;177: 107848
5. 基于关键原材料视角的回收设计。回收利用。2019;4: 44。
6. Ferro P, Bonollo F, Cruz SA。从环境和关键原材料的角度进行产品设计。可持续发展工程，2020。