核電廠結(jié)構(gòu)常用金屬材料PPT

第四章核電廠結(jié)構(gòu)常用金屬材料

1內(nèi)容提要4.1碳鋼4.2不銹鋼4.3有色金屬鎳及鎳合金鈦及鈦合金軸承合金24.1碳鋼碳鋼由于其冶煉、加工方便，價(jià)格低廉，有一定的強(qiáng)度，同時(shí)塑、韌性還比較好，因此廣泛地在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防中得到應(yīng)用。核電廠中也有應(yīng)用，核電廠安全殼內(nèi)層使用碳鋼，壓力容器使用低合金碳鋼。3碳鋼的分類鐵碳合金中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.008%-2.11%的合金稱為鋼。常用的碳鋼，按其含碳量又可以分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.008–0.25%的為低碳鋼；0.25–0.60%的為中碳鋼；0.60-1.3%的為高碳鋼。高于1.3%以上的合金，因性能不好，很脆，應(yīng)用較少。4按鋼的質(zhì)量要求

（主要按照磷、硫含量的控制）碳鋼又可分為：普通碳素鋼（P≤0.045%,S≤0.055%）優(yōu)質(zhì)碳素鋼(P≤0.040%，S≤0.040%)高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼（P≤0.035%，S≤0.030%）；如按用途分還可以分為：碳素結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種工程結(jié)構(gòu)件和機(jī)器零件。碳素工具鋼，用于制造各種刀具、量具、模具等；如按鋼的冶煉方法分，可分為：平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼。轉(zhuǎn)爐鋼又可進(jìn)一步分為：堿性轉(zhuǎn)爐鋼、酸性轉(zhuǎn)爐鋼和頂吹轉(zhuǎn)爐鋼等。5按用途分還可以分為：碳素結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種工程結(jié)構(gòu)件和機(jī)器零件。碳素工具鋼，用于制造各種刀具、量具、模具等；6按鋼的冶煉方法分可分為：平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼。轉(zhuǎn)爐鋼又可進(jìn)一步分為：堿性轉(zhuǎn)爐鋼、酸性轉(zhuǎn)爐鋼頂吹轉(zhuǎn)爐鋼等。如，7碳鋼的牌號(hào)和用途1．碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)是這樣制定的：這類鋼要保證機(jī)械性能，故以機(jī)械性能（屈服強(qiáng)度）標(biāo)注其牌號(hào)（Q+數(shù)字）。“Q”代表屈服強(qiáng)度，數(shù)字代表屈服強(qiáng)度值，單位MPa；后綴“A”,“B”,“C”,“D”代表質(zhì)量等級(jí)，即雜質(zhì)元素磷、硫的含量，其中“A”等級(jí)最低，雜質(zhì)含量最高；若在牌號(hào)后面再標(biāo)注，“F”“b”，“Z”或“TZ”，則為脫氧方式?！癋”為沸騰鋼“b”為半鎮(zhèn)靜鋼“Z”為鎮(zhèn)靜鋼“TZ”為特殊鎮(zhèn)靜鋼（參見表4-1）。如：Q235A.F，即該鋼是屈服強(qiáng)度為235MPa，A級(jí)的沸騰鋼。8碳素結(jié)構(gòu)鋼的用途Q195，Q215，Q235A，Q235B等鋼塑性較好，有一定的強(qiáng)度，通常軋制成鋼筋、鋼板、鋼管等用于橋梁、建筑物等的構(gòu)件，也可用來做普通的螺釘、螺帽、鉚釘?shù)取Ｒ话阍跓彳垹顟B(tài)下使用，不再進(jìn)行熱處理。但也可以進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)、滲碳等。92．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼用平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)的數(shù)字表示，若鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，則在這類鋼的后面附加符號(hào)“Mn”表示。如：“20”表示鋼中平均含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；“16Mn”表示鋼中平均含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%，并且含較多的Mn的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。10優(yōu)質(zhì)碳素鋼用途主要用于制造各種機(jī)器零件。08F鋼塑性好，可用于制造冷沖壓零件；10、20鋼冷沖壓性和焊接性能好，用作沖壓件和焊接件，經(jīng)熱處理（滲碳）也可制造軸、銷等零件；35、40、45、50鋼經(jīng)熱處理可獲得良好的綜合機(jī)械性能，可用于制造齒輪、軸、套筒等零件；60、65號(hào)鋼主要用來制造彈簧。113．碳素工具鋼碳素工具鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.65-1.35%之間，鋼號(hào)用平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)的數(shù)字表示，數(shù)字前冠以T（“碳”的拼音字頭）。如：“T10”表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%（千分之10）的鋼。碳素工具鋼均為優(yōu)質(zhì)鋼，如在鋼號(hào)后面標(biāo)注“A”則表示為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼?！癟12A”表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼。12碳素工具鋼用途用于制造各種刀具、量具、模具等。T7、T8硬度高、韌性較好，可制造沖頭、鑿子、錘子等工具；T9、T10、T11硬度高、韌性中等，可用于制造刨刀、鉆頭、手鋸條、絲錐等刃具及冷作模具等；T12、T13硬度高、韌性較低，可制作銼刀、刮刀等刃具及量規(guī)、樣套等量具。碳素工具鋼使用前都要進(jìn)行熱處理。134．核電站用低合金碳鋼

壓水堆壓力容器用鋼是在碳素鍋爐鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，逐漸添加一些合金元素以增加強(qiáng)度和淬透性；同時(shí)降低碳、鉻、鉬含量，提高錳含量以改善焊接性能；為了減少輻照脆化效應(yīng)，需要嚴(yán)格控制銅、磷、釩、砷、銻等微量有害元素的含量。因此壓力容器用鋼是低合金碳鋼，我國用的是Ni-Mn-Mo低合金碳鋼。壓力容器內(nèi)壁要堆焊1-2層奧氏體不銹鋼，約5-6毫米厚，以增加壓力殼的抗腐蝕性能和耐磨性。144.2不銹鋼

不銹鋼是指在大氣、蒸汽和水等弱腐蝕介質(zhì)中耐腐蝕的合金鋼，而耐酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)腐蝕的的合金鋼稱為耐酸不銹鋼。兩者合起來統(tǒng)稱不銹鋼。15不銹鋼的歷史在上世紀(jì)初，“不銹”與“鋼”的概念還是對(duì)立的。不銹鋼的發(fā)現(xiàn)是從研究刀具開始的，1913年英國在研究刀具時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼中加入9-16%的Cr時(shí)有良好的抗腐蝕性能。并在1916年取得專利，主要用于刀具生產(chǎn)。1916年美國獲得“斯太立”合金專利，那是一種Co-Cr，Co-Cr-W合金。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入10%的Cr和5%的Co時(shí)即使加入鐵也有很好的抗腐蝕性，因此1919年開始使用這種鋼。1912年德國人在法國研究并發(fā)現(xiàn)：如果鋼中含足量的Cr和Ni，就能抗氧化和耐酸腐蝕。研究報(bào)告在1920年發(fā)表并開始生產(chǎn)和應(yīng)用這類鋼。這是不銹鋼發(fā)現(xiàn)和使用的開始，由于這類鋼的性能優(yōu)良，因此在一個(gè)世紀(jì)里發(fā)展很快。現(xiàn)代不銹鋼已經(jīng)有很多的類型，它們被用來滿足各種不同的需要。16不銹鋼的成分特點(diǎn)不銹鋼中主要的合金元素有鉻、鎳、鉬、銅、鈦、鈷等，碳含量在不銹鋼中的作用也不可忽視。鉻是不銹鋼最主要的合金元素。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)鋼中的含鉻量增加至12.5at%（11.7wt%）時(shí)，陽極電位由-0.56V突增至+0.2V。這時(shí)在鋼的表面形成一層很薄而致密的氧化膜，阻止了鋼基體被繼續(xù)侵蝕，使鋼的耐蝕性發(fā)生突變性上升，這就是不銹鋼能防銹的原因，因此不銹鋼的含鉻量應(yīng)不低于12wt%。當(dāng)鉻元素在12%以上時(shí)，表面形成穩(wěn)定而致密的鉻氧化膜，合金呈現(xiàn)鈍化。174.2.1不銹鋼的牌號(hào)世界各國不銹鋼的編號(hào)方法不同。我國的編號(hào)方法是：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、合金元素的種類和數(shù)量及質(zhì)量級(jí)別來編號(hào)的。在牌號(hào)前面的第一個(gè)數(shù)代表碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)用千分?jǐn)?shù)表示，如標(biāo)為1，其意為0.1%；主要的合金元素及含量的百分?jǐn)?shù)標(biāo)于其后。如：1Cr18Ni9Ti，表示的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%左右，鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%左右，鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%左右，鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右。世界部分國家鋼號(hào)的對(duì)照請(qǐng)參見表4-7184.2.2不銹鋼分類及應(yīng)用核電站一回路系統(tǒng)的管道、泵體、閥門等設(shè)備所用的結(jié)構(gòu)材料必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性，要耐高溫、耐腐蝕、耐輻照，因此大部分選用奧氏體不銹鋼來制作。所選用的材料涵蓋馬氏體、鐵素體、奧氏體、雙相和沉淀硬化型不銹鋼。蒸汽發(fā)生器等長期在高溫高壓下工作的部件也選用鐵素體、奧氏體不銹鋼來制作。191．鐵素體類不銹鋼

（如1Cr17，1Cr17Ti）當(dāng)含鉻量在17-27%，并且含少量碳（小于0.15%）時(shí)，從高溫到低溫可得到單一的鐵素體相，這類鋼約含1%錳、硅，不含鎳，有時(shí)加入Mo、Ti、Si、Nb等。它的抗腐蝕性能呈中等，熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性能好，易于加工，對(duì)SCC不敏感。但強(qiáng)度較低、焊接性能較差，對(duì)晶間腐蝕比較敏感，應(yīng)用時(shí)要注意σ相的析出問題。常用于化工設(shè)備、食品加工設(shè)備等要求耐腐蝕，但強(qiáng)度要求不高的構(gòu)件上，在核電廠用得比較少，可以用作熱交換器中的管板等。202．馬氏體類不銹鋼

（如1Cr13，2Cr13，3Cr13，00Cr13Ni5Mo4等）

這類鋼含12-18%鉻，碳含量比較高，依含碳量的不同可以有不同的牌號(hào)。這類鋼雖然強(qiáng)度高，但只能耐大氣、蒸汽和弱介質(zhì)的腐蝕。1Cr13是國際上通用的牌號(hào)，美國為AISI410，法國為Z10C-13、Z12C-13，日本為SUS410，德國為X15Cr13。化學(xué)成分見表4-5。馬氏體鋼主要用于抗弱腐蝕介質(zhì)，同時(shí)要求較高的韌性和承受沖擊載荷的零部件。如汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥、結(jié)構(gòu)件和螺栓等，在反應(yīng)堆環(huán)境中主要用于2、3級(jí)輔助泵傳動(dòng)軸、蒸發(fā)器支撐件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。213．奧氏體不銹鋼（300系列）這類鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，約在0.1%左右，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，耐蝕性越好，熔煉越困難，價(jià)格也越高。為了得到單相奧氏體組織，如只用鎳，含量需高達(dá)27%，但當(dāng)鉻鎳配合使用時(shí)，在18%鉻的鋼中加入8%的鎳就可以得到單一奧氏體組織，再添加少量Mo、Cu、Si等元素提高耐蝕性。就得到300系列不銹鋼也稱為18-8不銹鋼。它的高溫強(qiáng)度（500℃以上）好、韌性好、焊接性能好、耐腐蝕，對(duì)高溫水等一般化學(xué)介質(zhì)表現(xiàn)了出色的抗腐蝕性能。但它對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感，尤其在含氯離子和氧離子的環(huán)境中；在快中子輻照下會(huì)因硬化、腫脹、蠕變而造成性能下降，而且切削加工性能較差。這是在應(yīng)用中需要注意的問題。這類鋼廣泛用于核反應(yīng)堆中，是壓水堆堆芯容器堆焊層、熱屏、管道、閥門、泵等的主要選材。224．雙相不銹鋼

（如1Cr21Ni5Ti，1Cr18Mn10Ni5Mo3N）

雙相不銹鋼是指奧氏體和鐵素體雙相鋼，這類鋼是在18-8型鋼的基礎(chǔ)上，增加鉻或其它鐵素體形成元素，因此含有一部分鐵素體相。雙相不銹鋼有Cr18、Cr21、Cr25三種型號(hào)，Cr18以奧氏體為基，奧氏體占80-95%；Cr21和Cr25以鐵素體為基，鐵素體占50-70%。這類鋼有比較好的耐晶間腐蝕能力和抗應(yīng)力腐蝕能力。它兼有奧氏體和鐵素體的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的部分缺點(diǎn)：強(qiáng)度高、韌性好、抗應(yīng)間腐蝕和應(yīng)力腐蝕。可用于制造化工化肥設(shè)備和管道，海水冷卻的熱交換設(shè)備等。在反應(yīng)堆條件下使用要注意σ相析出的問題。235．沉淀硬化型不銹鋼這類鋼的成分介于各類不銹鋼的成分之間，鉻鎳含量一般都不超過18-8鋼的相應(yīng)值，碳含量都比較低，硬化主要靠加入Al、Ti、Nb、Mo、Cu、Co等元素形成的硬化相析出，如Ni3Al、Ni3Ti等。沉淀硬化型不銹鋼有馬氏體型、奧氏體型、奧氏體--馬氏體型和奧氏體--鐵素體型四類。這類鋼有更高的硬度、耐蝕性、強(qiáng)度、韌性，焊接性能和冷加工性能也較好。典型的牌號(hào)有：0Cr17Ni4Cu4Nb（相當(dāng)于美國牌號(hào)17-4PH）、0Cr17Ni7Al（相當(dāng)于美國牌號(hào)17-7PH）和0Cr15Ni7Mo2Al（相當(dāng)于美國牌號(hào)PH15-7Mo）。244.3有色金屬鎳基合金，鈦合金，軸承合金等254.3.1鎳及鎳基合金

鎳屬面心立方結(jié)構(gòu)，在高、低溫度下均有良好的力學(xué)性能和加工性能。鎳的熔點(diǎn)高（1455℃）耐腐蝕性和抗氧化性好，此外還有一些特殊的物理性能，如鐵磁性、磁伸縮性、電真空性能等。因此廣泛應(yīng)用于高溫、電真空、彈性、磁性、膨脹、精密電阻、熱電偶等重要的部件材料中。以含鎳或鐵鎳為主的耐熱合金具有良好的高溫抗腐蝕性能，因此廣泛應(yīng)用于化工、航空、航天及核工業(yè)中。26鎳基合金及應(yīng)用這類合金包括：因科鎳合金（Inconel,約含15%Cr，7%Fe及少量其它元素）；哈斯特合金（Hastelloy,含15-30%Mo,加上Cr,Fe等）；因科洛伊合金（Incoloy800,含Ni32-35%，Cr20-23%,Fe

39.5%）。因科鎳合金因不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，有時(shí)用于堆內(nèi)代替不銹鋼，但由于鎳中所含雜質(zhì)鈷具有很大的中子俘獲截面，且會(huì)生成長壽命同位素鈷-60，因此鎳基合金一般不用于堆芯。鎳基合金用于反應(yīng)堆中，一般制作彈簧和緊固件；也用于蒸汽發(fā)生器，制作熱交換管。274.3.2鈦及鈦合金鈦是一種比較新的金屬，約在20世紀(jì)50年代才被用作工程結(jié)構(gòu)材料。鈦及鈦合金密度小、比強(qiáng)度高、耐熱性好（具有良好的中溫強(qiáng)度），抗腐蝕（在硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉等介質(zhì)中都很穩(wěn)定，尤其是在大氣和海水中耐蝕性能好，其抗氧化能力優(yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼），并且具有良好的低溫韌性?，F(xiàn)已逐漸成為核電廠冷凝器的替代材料，以替代銅及銅合金。28鈦的性質(zhì)鈦的資源豐富，但在高溫時(shí)異?；顫?，鈦及鈦合金的熔煉、澆注、焊接和熱處理都要在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，因此鈦及鈦合金的加工條件復(fù)雜，成本較昂貴。鈦的導(dǎo)熱性差，只有鐵的1/5，彈性模量較低，屈強(qiáng)比較高。純鈦塑性好、強(qiáng)度低，容易加工成型，可制成細(xì)絲和薄片。鈦有同素異型轉(zhuǎn)變，882.5℃以下為α相，密排六方結(jié)構(gòu)；882.5℃以上為β相，體心立方結(jié)構(gòu)。純鈦在室溫得不到β相，但若添加適量的合金元素，可在室溫下得到β相。β相較α相致密。29鈦合金分類按其顯微組織分，可分為：α型（TA系）、β型（TB系）、α+β型（TC系）三類。30α鈦合金（TA）主要含有α穩(wěn)定劑，鈦中加入氧、氮、碳、鋁、硼等α相穩(wěn)定元素，獲得α鈦合金。六方結(jié)構(gòu)的α-Ti在α→β轉(zhuǎn)變溫度以下的環(huán)境下組織是穩(wěn)定的，不能通過熱處理來改變強(qiáng)度。一般熱處理只進(jìn)行退火（變形后的消除應(yīng)力退火或再結(jié)晶退火）。α-Ti是耐熱鈦合金的基礎(chǔ)，具有良好的焊接性。α鈦合金的室溫強(qiáng)度低于β鈦合金和α+β鈦合金，但高溫（500-600℃）強(qiáng)度比它們的高，并且組織穩(wěn)定，抗氧化、抗蠕變性能好，焊接性能也很好。適合于制作耐高溫蠕變的構(gòu)件。典型的牌號(hào)是TA7,成分為Ti-5Al-2.5Sn。312．β鈦合金(TB)

鈦中加入Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Mo、V、W、Nb、Ta等β相穩(wěn)定元素，可以獲得體心立方的β鈦合金。β鈦合金又可以分為可熱處理的（亞穩(wěn)定）β鈦合金和熱穩(wěn)定β鈦合金?？蔁崽幚淼摩骡伜辖鸸倘軓?qiáng)化程度大，可通過熱處理實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化。β鈦合金在淬火狀態(tài)下有非常好的工藝塑性，可以進(jìn)行板材冷加工成型，并能通過時(shí)效處理獲得較高的室溫抗拉強(qiáng)度。為了使高溫的β相在室溫附近穩(wěn)定，必須添加較多的穩(wěn)定性元素，因此固溶強(qiáng)化程度大，β鈦合金可以通過加工和熱處理技術(shù)獲得高強(qiáng)度的鈦合金。典型的牌號(hào)是TB1-(Ti-3Al-13V-11Cr),TB2-((Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)及TB8-(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.25Si).323．α+β鈦合金(TC)

含有較多的鈦β相穩(wěn)定元素，在室溫穩(wěn)定狀態(tài)由α相和β相所組成的鈦合金，β相一般為10%-50%。鈦中加入β相穩(wěn)定元素和α相穩(wěn)定元素所得到的α+β鈦合金兼有α鈦合金和β鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，塑性很好，具有良好的加工性能（鍛造、壓延和沖壓），焊接性能也可以，α+β鈦合金與鋼一樣有淬透性，可通過淬火和時(shí)效進(jìn)行強(qiáng)化，其強(qiáng)度與化學(xué)成分、淬火冷卻速度、工件尺寸關(guān)系較大，熱處理后強(qiáng)度可提高50-100%。典型的牌號(hào)是TC4,成分為Ti-6Al-4V。該合金經(jīng)淬火和時(shí)效處理后，顯微組織為α+β+針狀α相，針狀α相是時(shí)效時(shí)從β相析出的。該合金由于強(qiáng)度高、塑性好、低溫時(shí)有良好的韌性，并有良好的抗海水應(yīng)力腐蝕和抗熱鹽應(yīng)力腐蝕的能力，所以應(yīng)用比較廣。用于制造在400℃以下長期工作的零件，要求一定高溫強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)零件和低溫下使用的部件，如火箭、導(dǎo)彈的液氫燃料箱等。334.3.3軸承合金滑動(dòng)軸承是汽輪機(jī)、飛機(jī)、機(jī)車、拖拉機(jī)、汽車等內(nèi)燃機(jī)、動(dòng)力機(jī)械上的重要耐磨零件。在滑動(dòng)軸承中，制造軸承內(nèi)襯的金屬材料稱為軸承合金。軸承合金是制造滑動(dòng)軸承中的軸瓦和內(nèi)襯的材料。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸瓦和軸發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦，并承受軸頸傳給的周期性載荷。軸承材料應(yīng)該是既軟又硬。太硬，會(huì)磨損軸頸；太軟，承載能力又太低。因此一般采用軟基體上分布硬質(zhì)點(diǎn)的方法，也可用硬基體上分布軟質(zhì)點(diǎn)的方法。34軸承材料要求有如下的性能足夠的力學(xué)性能，（強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性）