《核用金屬材料》【稀缺資源，路過別錯過】

金屬材料 核工業(yè)無損檢測中心 王躍輝 一、金屬材料 1.金屬材料基本概念 1.1材料分類 金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類 金屬材料通?？煞譃楹谏饘俸陀猩饘賰纱箢?。 一、金屬材料 1.2黑色金屬 以鐵元素為主要基體的金屬或合金 ，如各類鋼材和鑄鐵。 1.3有色金屬 以其它金屬元素作為基體的金屬或合金，如銅合金、鋁合金等。 一、金屬材料 1.2金屬晶體結(jié)構(gòu) 組成物質(zhì)的原子在空間有序的排列，此種物質(zhì)稱為晶體。固態(tài)的金屬和合金都是晶體。 常見的晶體結(jié)構(gòu)有 體心立方 面心立方 密排六方 一、金屬材料 體心立方 一、金屬材料 面心立方 一、金屬材料 密排六方 一、金屬材料 多晶體 金屬是由許多結(jié)晶方向不同的小晶粒組成 晶粒 每個規(guī)則排列的小晶體稱為一個晶粒 晶粒間的交界為晶界 結(jié)晶 金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為結(jié)晶 一、金屬材料 1.3鋼的基本組織 含碳量 0.02%-2%的鐵碳合金稱為鋼 鐵素體 F 在 -鐵的晶格中溶入少量的碳原子，形成的間隙固溶體，稱鐵素體。 原子排列體心立方，強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性好 一、金屬材料 奧氏體 A 碳在 -鐵中的固溶體稱奧氏體 原子排列面心立方。它塑性好，適合熱壓力加工 滲碳體 Cm 滲碳體是鐵和碳形成的化合物 Fe3C，含碳量 6.67% 硬度很高，塑性很差 一、金屬材料 珠光體 P F Cm的機(jī)械混合物。 P中的 Cm以片狀分布，稱片狀 P 強(qiáng)度和硬度較高，塑性也較好 承壓設(shè)備用鋼的含碳量一般低于 0.25% 一、金屬材料 2.核設(shè)備常用結(jié)構(gòu)材料 2.1低碳鋼 含碳量 0.25% 特性： 含碳量增加，鋼的強(qiáng)度增加，塑性和韌性降低，焊接性能變差 一、金屬材料 雜質(zhì)的影響： 硫 硫生成硫化鐵后，與鐵在晶界形成低熔點共晶體，使鋼在熱軋時沿晶開裂，形成 “ 熱脆 ” ，應(yīng)嚴(yán)格限制其含量 磷 磷使鐵素體晶格畸變，大大降低鋼的塑性和韌性，形成 “ 冷脆 ” 一、金屬材料 氫 氫還會引起氫脆，產(chǎn)生白點 核承壓設(shè)備用低碳鋼的主要有： 20HR、SA106B、 16Mn 主要在核電站的二、三級設(shè)備、主蒸汽管道、二回路管道、安全殼襯里等上面使用 一、金屬材料 2.2低合金高強(qiáng)度鋼 鋼中添加了不超過 10%的合金元素 改造鋼的各種性能，得到既有較高的強(qiáng)度，又有較好的塑性和韌性 一、金屬材料 核電站的反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵殼體等。這些設(shè)備采用鍛件制造，各國都用 ASME規(guī)范規(guī)定的SA508 cl.3鋼或成分類似的其它牌號鋼。 核承壓設(shè)備的螺栓也主要用低合金高強(qiáng)度鋼，它們的牌號有 SA540、 40CrNiMo、42CrMo、 42CrMo鋼棒材。 一、金屬材料 2.3奧氏體不銹鋼 在鋼中加入 18%左右的鉻和 8%以上的鎳時，可在常溫下獲得單相奧氏體組織，稱為奧氏體不銹鋼 具有優(yōu)良的耐腐蝕性和焊接性 堆內(nèi)構(gòu)件材料、離心澆注的主管道、主管道安全端、驅(qū)動機(jī)構(gòu)材料、熱交換器傳熱管等設(shè)備中被廣泛使用 一、金屬材料 2.4有色金屬 有色合金也是核設(shè)備制造的重要材料 蒸汽發(fā)生器的 U型傳熱管 多采用 Inconel800、 Inconel600或Inconel690等材料來制造，其耐應(yīng)力腐蝕性強(qiáng) Inconel合金中的鎳含量很高，可歸類于鎳基合金。 一、金屬材料 傳熱管 設(shè)備冷卻熱交換器和凝汽器大量采用鈦管來做傳熱管 鈦具有低的密度、高的強(qiáng)度和高的腐蝕穩(wěn)定性。鈦合金不發(fā)生接觸腐蝕和潰瘍腐蝕，特別重要的是不發(fā)生應(yīng)力腐蝕 一、金屬材料 3.核燃料元件常用材料 3.1鈾及鈾合金 天然存在的裂變材料只有 235U，它是鈾的一種同位素 壓水堆核電站常用 UO2作為裂變材料 一、金屬材料 3.2鈾的氧化物和化合物 二氧化鈾和鈾的化合物是制造燃料元件的主要核材料之一 二氧化鈾在熔點以下只有一種結(jié)晶形態(tài)，并且是各項同性 二氧化鈾的熱導(dǎo)系數(shù)很低，具有良好的耐腐蝕性能 一、金屬材料 3.3常用包殼材料 核燃料元件的包殼是用于保護(hù)核燃料不受冷卻劑的腐蝕和其它機(jī)械損傷，并防止裂變產(chǎn)物進(jìn)入冷卻回路。 制造核燃料元件包殼的材料要求對中子的吸收截面小，有一定的機(jī)械強(qiáng)度，抗冷卻劑腐蝕以及對裂變產(chǎn)物的化學(xué)穩(wěn)定 一、金屬材料 鋁及鋁合金 鋁及鋁合金是制造核燃料包殼的常用材料。由于它耐高溫水腐蝕能力和強(qiáng)度的限制，多半應(yīng)用于低溫生產(chǎn)堆和試驗堆中。鋁鎂硅系合金或鋁鐵鎳鎂合金的性能有所提高，但可焊性不好，影響了使用 一、金屬材料 鋯合金 鋯的熱中子吸收截面小，在一定的溫度下能保持足夠強(qiáng)度，耐腐蝕性和高溫機(jī)械性能好 在動力堆中廣泛使用 常用的鋯 -2、鋯 -4和 M5 一、金屬材料 不銹鋼 奧氏體不銹鋼已被廣泛應(yīng)用在快中子堆的燃料元件包殼上 它的優(yōu)點是對水、氣體和液態(tài)金屬都有很好的耐腐蝕性，可焊性好，價格比鋯便宜得多 一、金屬材料 缺點是熱中子吸收截面大，它做的包殼壁厚較薄。但快中子堆的中子能量大，中子損失影響不大。若要用在熱中子堆中則必須采用更濃縮的鈾 一、金屬材料 4.金屬材料的性能 金屬材料的力學(xué)性能主要有 : 強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性 強(qiáng)度 金屬抵抗永久變形和斷裂的能力 塑性 金屬材料受力時，產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形而不破壞的能力 一、金屬材料 硬度 材料抵抗其它物質(zhì)侵入其表面而變形的能力或抵抗破壞的能力 韌性 金屬材料在外力作用下，斷裂前所吸收能量的大小 一、金屬材料 5.斷裂韌性和斷裂力學(xué)基本概念 斷裂力學(xué)是從材料中存在各種裂紋缺陷的前提出發(fā)，從力學(xué)的角度，研究宏觀缺陷與材料的強(qiáng)度和斷裂間關(guān)系的學(xué)科 一、金屬材料 斷裂韌性 度量裂紋擴(kuò)展阻力的指標(biāo) 應(yīng)力強(qiáng)度因子 K K =Y(a) 1/2 Y無量綱系數(shù)，與裂紋形狀加載方式、試樣尺寸有關(guān) 外加拉應(yīng)力 a裂紋長度 一、金屬材料 平面應(yīng)變斷裂韌性 KC 當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到斷裂應(yīng)力時，應(yīng)力強(qiáng)度因子 K達(dá)到斷裂的臨界值 KC在 I型裂紋的幾何條件下，記為 KIC 斷裂韌性表征了材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是材料抵抗脆性破壞的一個韌性指標(biāo)。按應(yīng)力強(qiáng)度因子建立的脆性斷裂判據(jù)表達(dá)為： KIK IC 一、金屬材料 KIC反映材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，它是由材料本身的性質(zhì)決定的 KI是一個力學(xué)參量，與材料性質(zhì)無關(guān) 一、金屬材料 6.輻射環(huán)境下的材料性能 6.1核性能 燃料元件芯體必須采用中子吸收截面最低的鈾合金 燃料元件包殼采用中子吸收截面很小的鋯合金等 控制棒、調(diào)節(jié)棒等采用中子吸收截面很大的材料例如 Cd棒制成 一、金屬材料 6.2輻照效應(yīng) 中子對金屬的輻射會引起輻射損傷，高通量的的中子輻射導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和極限的增加，塑性和沖擊韌性的降低， 無塑性轉(zhuǎn)變溫度的提高 中子的通量越大，輻照的時間越長，輻照效應(yīng)的影響越大 一、金屬材料 當(dāng)材料經(jīng)受能量大于 1兆電子伏物的快中子輻照達(dá)到一定水平時 ， 材料的無塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度 （ 脆性轉(zhuǎn)變溫度 ） 會顯著提高 ， 并且使高于脆性轉(zhuǎn)變溫度范圍的沖擊韌性降低 ， 這就是材料的輻照效應(yīng) 。 為了盡可能減少這些設(shè)備材料的輻照效應(yīng) ， 要對鋼中的雜質(zhì)元素和氣體含量作嚴(yán)格的控制 。 例如鋼中的銅 、 硫 、 磷 、 氫等元素是越少越好 一、金屬材料 6.3活化 金屬材料被腐蝕后，某些合金成分隨同一回路水流入堆芯，受到中子的照射會生成放射性核素而產(chǎn)生放射性，這個過程叫活化，產(chǎn)生的放射性產(chǎn)物叫活化產(chǎn)物 堆芯材料以及和一回路水接觸的材料中所含的元素成分必須是在中子流中活化較弱，而且必須有很好的耐腐蝕性 一、金屬材料 6.4抗腐蝕性 高能量和高通量的輻照，金屬的電化學(xué)性能和腐蝕性能會發(fā)生下列變化： 輻射分解效應(yīng)使分解產(chǎn)物 O2、 H2O2的濃度增加，加快了一般鋼材的氧化腐蝕速度。 輻射電化學(xué)效應(yīng)使金屬表面原子的能量增加，加快了電化學(xué)反應(yīng)的速度，一般鋼材的腐蝕速率會增快。 分解破壞效應(yīng)使金屬表面生成的保護(hù)性氧化膜產(chǎn)生輻射損傷，使一般鋼材、不銹鋼、鋯合金等的腐蝕速率明顯加快。 一、金屬材料 7.核用材料的基本要求 具有良好的室溫綜合性能，即較高的強(qiáng)度、韌性和防脆斷能力 沿截面應(yīng)有良好的性能均一性，尤其是尺寸較大、較厚截面的鍛件 具有良好的焊接性，再熱裂紋敏感度低 一、金屬材料 8.核設(shè)備材料的特殊要求 殘留元素控制 一回路材料：鉛、汞、硫、磷、鋅、鎘、錫、銻、鉍、砷、銅、稀土元素等等 二回路材料：低熔點元素及其化合物，特別是鉛、汞、砷、硫 一、金屬材料 抗晶間腐蝕性能 化學(xué)成分要求 一回路中奧氏體不銹鋼 鈷 0.20% 鈮鉭 0.15% 通常不允許硼的存在 為保證耐腐蝕性能 硫 0.020% 磷 0.030% 對中子輻照應(yīng)有較高的穩(wěn)定性 二、金屬材料加工 1.金屬材料熱處理 1.1熱處理的一般過程 熱處理是把金屬加熱到預(yù)定的溫度，保溫一定的時間，然后以預(yù)定的方式冷卻下來的一種熱加工工藝 鋼的主要熱處理有： 退火、正火、淬火、回火、 表面淬火、化學(xué)熱處理等 二、金屬材料加工 時間 熱處理的基本工藝曲線 加熱溫度 保溫時間 溫度 二、金屬材料加工 1.2常用熱處理工藝 退火 將鋼加熱到一定的溫度，保溫一定的時間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝，稱為退火。 根據(jù)工藝和目的不同，退火可分為 完全退火 ， 不完全退火，消應(yīng)力退火 等。 二、金屬材料加工 完全退火 將工件加熱到 Ac3以上 30-50 ，保溫后在爐內(nèi)緩慢冷卻，得到接近平衡狀態(tài)組織。 其目的是細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力，降低硬度，改善加工性能 不完全退火 將工件加熱到 Ac1以上 30-50 ，保溫后緩慢冷卻。 其主要目的是改善加工切削性能，消除應(yīng)力 二、金屬材料加工 消應(yīng)力退火 將整個工件或局部加熱到 Ac1以下 100-200 ，保溫后緩慢冷卻。 其主要目的是消除焊接、冷加工、鍛壓等加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。消應(yīng)力退火不改變材料組織，通過高溫時的塑性變形或蠕變來釋放應(yīng)力。 二、金屬材料加工 正火 正火是將工件加熱到 Ac3或 Acm以上 30-50 ，保溫后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。 正火的目的也是細(xì)化晶粒，均勻組織，降低內(nèi)應(yīng)力。 二、金屬材料加工 與退火的不同在于冷卻速度較快，組織中珠光體增多，珠光體片層變薄。鋼的強(qiáng)度、硬度、韌性增高。核承壓容器用的低碳鋼都是以正火狀態(tài)供貨的。 二、金屬材料加工 淬火 淬火是將鋼件加熱到 Ac3以上 30 50 ，保溫后快冷，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過程。 只有達(dá)到臨界冷卻速度，奧氏體才能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。淬火時，鋼件表面冷卻得快，越往心部冷卻越慢。淬火時，鋼件獲得馬氏體的深度越深，稱鋼的淬透性越大 二、金屬材