Экологическая безопасность конструкционных материалов

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ 
БЕЗОПАСНОСТЬ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ

В.П. ДМИТРЕНКО
С.И. ГОРБАЧЕВ
Н.Б. МАНУЙЛОВА
С.Н. БУЛЫЧЕВ

Москва
ИНФРА-М
2021

Рекомендовано 
Редакционно-издательским советом 
Московского авиационного института 
(национального исследовательского университета) 
в качестве учебного пособия

УДК [620.22+504](075.8)
ББК 30.3:20.1я73
 
Д53

Дмитренко В.П.
Д53 
 
Экологическая безопасность конструкционных материалов : учебное пособие / В.П. Дмитренко, С.И. Горбачев, Н.Б. Мануйлова, 
С.Н. Булычев. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 228 с. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/1013018.

ISBN 978-5-16-014958-5 (print)
ISBN 978-5-16-107454-1 (online)

В учебном пособии дается общее представление о современных методах 
оценки экологических свойств материалов, рассматриваются экологические аспекты производства основных групп конструкционных материалов, предлагается методика оценки экологической безопасности материала с учетом полного жизненного цикла изделий.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Техносферная безопасность», «Авиастроение», «Материаловедение и технологии материалов» и другим авиастроительным специальностям.

УДК [620.22+504](075.8)
ББК 30.3:20.1я73

Р е ц е н з е н т ы:
Ковалев И.Е., доктор технических наук, профессор, начальник 
Научно-исследовательского комплекса Центрального аэрогид родинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского;
Сотникова Е.В., кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры 
«Экологическая безопасность технических систем» Московского политехнического университета;
кафедра «Техносферная безопасность» Псковского государственного университета

ISBN 978-5-16-014958-5 (print)
ISBN 978-5-16-107454-1 (online)

©  Дмитренко В.П., Горбачев С.И., 
Мануйлова Н.Б., Булычев С.Н., 
2020

АВТОРСКИЙ КОЛЛЕКТИВ

Владимир Петрович Дмитренко, доктор технических наук, 

профессор, заведующий кафедрой «Природная и техногенная 
безопасность и управление риском» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (нацио нальный исследовательский университет)»

Сергей Игоревич Горбачев, кандидат технических наук, 

доцент, доцент кафедры «Природная и техногенная безопасность и управление риском» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (нацио нальный исследовательский университет)»

SCOPUS author ID: 57209315867
ORCID ID: 0000-0001-9105-1003
РИНЦ: SPIN-код: 5734-7417, Author ID: 138713

Наталья Борисовна Мануйлова, кандидат технических 

наук, доцент, доцент кафедры «Экология, системы жизнеобеспечения и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВО 
«Московский авиационный институт (нацио нальный исследовательский университет)»

SCOPUS author ID: 57203930976
РИНЦ: SPIN-код: 6909-4721, Author ID: 377572

Сергей Николаевич Булычев, кандидат технических наук, 

доцент, доцент кафедры «Экология, системы жизнеобеспечения и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (нацио нальный исследовательский университет)»

SCOPUS author ID: 57209321105
ORCID ID: 0000-0002-9070-0072
РИНЦ: SPIN-код: 7144-8418, Author ID: 138714

ВВЕДЕНИЕ

Среди объектов локальной безопасности в экологической 
сфере современности незаслуженно мало внимания уделяется 
комплексной оценке экологической безопасности материалов, 
которая тесно связана с другими объектами экологической 
безопасности — природными объектами, предприятиями 
и т.д. На сегодняшний день синтезированы сотни тысяч раз-
личных веществ и разработаны десятки тысяч материалов 
на их основе. В течение многих веков человечество создавало 
различные материалы, ориентируясь только на комплекс эксплуатационных и технологических характеристик, не задумываясь об экологическом аспекте.
Экологическая безопасность в широком смысле — состояние защищенности жизненно важных интересов личности, общества, защищенности окружающей природной 
среды от угроз, возникающих в результате антропогенных 
и природных воздействий на нее.
Экологическая безопасность предполагает, что такие жизненно важные интересы, как совокупность потребностей, 
удовлетворение которых обеспечивают само существование 
и возможность прогрессивного развития личности, общества, 
государства, в экологической сфере гарантированно обеспечивается благоприятным состоянием окружающей природной 
среды, при котором достигаются:
 
• максимально высокие показатели здоровья людей;
 
• полное удовлетворение всех потребностей человека 
и живых организмов;
 
• максимально возможная величина интегрального показателя качества здоровья — среднестатистической ожидаемой 
продолжительности жизни.
Обеспечение экологической безопасности включает 
систему мер и действий по предотвращению возникновения 

Введение

и развития экологически опасных ситуаций и ликвидации 
их последствий, в том числе и отдаленных, по защите жизни 
и здоровья граждан, а также окружающей природной среды. 
К числу приоритетных направлений обеспечения экологической безопасности относятся: борьба с загрязнениями природной среды за счет повышения степени безопасности технологий, в том числе связанных с захоронением и утилизацией 
промышленных и бытовых отходов; борьба с радиоактивным 
загрязнением окружающей среды; создание экологически чистых технологий, транспорта и энергетики; рацио нальное использование природных ресурсов и др. [1].
Другим важным понятием в экологической сфере является 
понятие опасности. Опасность — это процессы, явления, объекты, предметы, способные в определенных условиях иметь нежелательные последствия, т.е. непосредственно или косвенно 
наносить ущерб здоровью человека. При действии опасности 
происходит частичное или полное разрушение структуры, 
уменьшается ее упорядоченность, снижается или прекращается способность к функционированию. Кроме того, опасность 
можно трактовать как состояние, при котором возможность 
осуществления некоторых условий наступления неблагоприятных событий и процессов становится реальной. С понятием 
опасности, особенно при рассмотрении вопросов техногенной 
и экологической безопасности, связано понятие угрозы. В широком смысле под угрозой понимается возможная опасность 
или возможная реализация той или иной опасности. Многие 
из опасностей носят скрытый (потенциальный) характер, и их 
необходимо обнаружить (идентифицировать). Под идентификацией опасностей понимают процесс обнаружения и установления количественных, временных, пространственных 
и иных характеристик, необходимых и достаточных для разработки профилактических и оперативных мероприятий, направленных на обеспечение безопасности жизнедеятельности.
Потенциальные опасности реализуются в определенных 
условиях, которые называют причинами. Причины характери

Введение

зуют совокупность обстоятельств, в результате которых опасности проявляются и вызывают те или иные нежелательные 
последствия, например, экологический или экономический 
ущерб, травмы, заболевания и др.
Экологическую опасность можно определить как сочетание компонентов окружающей природной среды, природнохозяйственных и иных подобных комплексов, природных 
образований и экосистем, подвергшихся антропогенным 
и природным воздействиям, при котором возникает угроза 
интересам личности, общества и государства в экологической 
сфере [1].
Центральное место в учении об опасности занимает аксиома о потенциальной опасности деятельности, базирующаяся на опыте человечества: любая деятельность потенциально опасна; ни в одном виде деятельности невозможно 
достичь абсолютной безопасности. Из этой аксиомы вытекает 
важный для практики вывод: не существует абсолютно безопасного вида деятельности человека и абсолютно экологически безопасного материала.
Основой современной цивилизации является использование разнообразных материалов, применяемых в различных 
отраслях экономики — строительстве, машиностроении, медицине и т.д. Разнообразие свойств материалов является 
главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Свойства материалов зависят от особенностей их внутреннего строения, структуры и технологии 
получения.
Следует отметить, что в современном мире материалы 
и технологии очень тесно связаны. Если рассматривать материал как основной элемент, определяющий эксплуатационные 
характеристики изготовленного из этого материала изделия, 
то легко обнаружить, что материал во многом определяет долговечность работы изделия, форму и качество поверхности 
изделий, конструкционное решение изделия, способ изготовления, соединения и монтажа, стоимость продукции, а также 

Введение

экологические последствия эксплуатации изделия и его утилизации. Следовательно, выбор материала — это очень важная 
часть технологического процесса.
Обыч но выбор материала проходит в два этапа [4]. 
На первом учитывают первичные требования, которые задаются исходя из служебного назначения изделия. Вторичные 
требования задаются исходя из технологических условий изготовления (например, свариваемости) и экономических характеристик. Таким образом, для успешного решения многих 
практических задач по выбору материалов экологам необходимы сведения о современных способах их получения и обработки, особенностях их свойств и рацио нальном применении, 
а технологам и конструкторам — о специфике их воздействия 
на окружающую среду и критериях, необходимых для обоснованного выбора материалов с учетом экологических показателей.
Цель данного учебного пособия — помочь обучающемуся 
в формировании следующих профессио нальных компетенций:
 
• выполнять сложные инженерно-технические разработки 
в области техносферной безопасности;
 
• оптимизировать методы и способы обеспечения безопасности человека от воздействия различных негативных факторов в техносфере;
 
• проводить экспертизу безопасности объекта, сертификацию 
изделий машин, материалов на безопасность;
 
• проводить научную экспертизу безопасности новых проектов, аудит систем безопасности;
знать
 
• задачи и цели проведения экологической стандартизации, 
аудита и сертификации их роли в повышении экологической безопасности России;
 
• нормативно-законодательную и методическую базу экологической стандартизации, аудита и сертификации;
 
• методы решения задач в области техносферной безопасности; методы и способы обеспечения безопасности;

Введение

уметь
 
• применять полученные знания при подготовке материалов 
к проведению экологического аудита, сертификации;
 
• решать профессио нальные задачи в области техносферной 
безопасности;
 
• оптимизировать методы и способы обеспечения безопасности;
владеть
 
• навыками применения требований законодательно-нормативной базы экологической стандартизации, аудита и сертификации;
 
• навыками инженерных разработок высокого уровня сложности;
 
• навыками проектно-конструкторских решений в области 
производственной безопасности.
Пособие предназначено для подготовки студентов бакалавриата и магистратуры ряда авиастроительных направлений 
подготовки, таких как «Техносферная безопасность», «Материаловедение и технологии материалов», «Авиастроение» 
и др.

Глава 1. 
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

1.1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ 
И СОВРЕМЕННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Развитие человеческой цивилизации сопровождается увеличением технологической сложности производства и ростом 
доли рукотворных, т.е. искусственно созданных материалов. 
Также с возрастанием масштабности и сложности производств 
увеличивается зона их потенциальной опасности.
Первобытный человек использовал исключительно природные материалы практически в исходном виде. В эпоху 
Средневековья и ремесленничества материалы и сырье начинают подвергаться физическим и химическим преобразованиям, но в большинстве отраслей доля этих преобразований остается относительно небольшой, чтобы нанести 
существенный вред окружающей среде (ОС). Зона потенциально опасного воздействия загрязнений обыч но не простиралась дальше самого рабочего места. Но отсутствие 
контроля и средств индивидуальной защиты приводило 
в ряде профессий к быстрому (в течение нескольких лет) 
и непоправимому урону здоровью работника, часто приводя 
к инвалидности или смерти. Например, появление в Англии 
в XVI—XVII вв. технологии производства и выделки фетра, 
применяемого для производства шляп, привело к появлению 
поговорки «безумен, как шляпник» (можно вспомнить безумного шляпника из «Алисы в стране чудес» Л. Кэрролла). 
Откуда подобное могло взяться? Все легко объясняется, если 
проанализировать технологию того времени с экологической 
точки зрения. В процессе выделки фетра применялась ртуть, 

Глава 1.  Экологические проблемы материаловедения  

и шляпники вынуждены были вдыхать ее пары. Работники 
шляпных фабрик страдали от хронического ртутного отравления, приводящего к разрушению центральной нервной 
системы и поражению внутренних органов.
Зарождение промышленности в Новое время и особенно 
рост числа металлургических предприятий выводит экологические проблемы на начальный регио нальный уровень, когда 
в зону экологического поражения попадали территории до нескольких квадратных километров. Характерный пример этой 
эпохи — горные заводы XVIII—XIX вв. на Южном Урале 
по выплавке чугуна и меди. Вокруг них лес был варварски 
сведен в радиусе десятков километров. Древесина шла на получение древесного угля, используемого для восстановления 
железа из руды.
Индустриализация XX в. многократно увеличила потребность в объемах выпуска материалов и их разнообразии. Появились новые виды конструкционной и легированной стали. 
В качестве легирующих добавок в сталях для улучшения конструкционных и технологических свойств используют множество химических элемен тов и их соединений: хром, никель, 
марганец, алюминий, вольфрам, молибден и др. Развитие 
авиа строения вызвало необходимость создания легких алюминиевых и титановых сплавов. Сталеплавильные гиганты 
и предприятия цветной металлургии затрагивают экологию 
целых регионов (например, «Норильский никель»).
Вторая половина XX в. характеризовалась прорывом в химической технологии полимерных материалов. Число синтезированных полимерных материалов за последние 30 лет 
в несколько раз превышает суммарное число материалов, созданных с начала развития цивилизации. Крупнотоннажный 
синтез разнообразных по своему химическому составу полимерных материалов, прежде всего применяемых для упаковочных материалов, породил проблему их утилизации, так 
как период разложения многих полимеров в естественных 
условиях ОС составляет сотни лет. Особенно острой явля