核用材料

金属材料核工业无损检测中心王跃辉一、金属材料1.金属材料基本概念1.1材料分类金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类金属材料通常可分为黑色金属和有色金属两大类。一、金属材料1.2黑色金属以铁元素为主要基体的金属或合金，如各类钢材和铸铁。1.3有色金属以其它金属元素作为基体的金属或合金，如铜合金、铝合金等。一、金属材料1.2金属晶体结构组成物质的原子在空间有序的排列，此种物质称为晶体。固态的金属和合金都是晶体。常见的晶体结构有体心立方面心立方密排六方一、金属材料体心立方一、金属材料面心立方一、金属材料密排六方一、金属材料•多晶体金属是由许多结晶方向不同的小晶粒组成•晶粒每个规则排列的小晶体称为一个晶粒晶粒间的交界为晶界•结晶金属从液态转变为固态的过程称为结晶一、金属材料1.3钢的基本组织含碳量0.02%-2%的铁碳合金称为钢•铁素体—F在α-铁的晶格中溶入少量的碳原子，形成的间隙固溶体，称铁素体。原子排列体心立方，强度和硬度低，塑性和韧性好一、金属材料•奥氏体—A碳在γ-铁中的固溶体称奥氏体原子排列面心立方。它塑性好，适合热压力加工•渗碳体—Cm渗碳体是铁和碳形成的化合物Fe3C，含碳量6.67%硬度很高，塑性很差一、金属材料•珠光体—PF＋Cm的机械混合物。P中的Cm以片状分布，称片状P强度和硬度较高，塑性也较好•承压设备用钢的含碳量一般低于0.25%一、金属材料2.核设备常用结构材料2.1低碳钢含碳量≦0.25%特性：含碳量增加，钢的强度增加，塑性和韧性降低，焊接性能变差一、金属材料杂质的影响：•硫硫生成硫化铁后，与铁在晶界形成低熔点共晶体，使钢在热轧时沿晶开裂，形成“热脆”，应严格限制其含量•磷磷使铁素体晶格畸变，大大降低钢的塑性和韧性，形成“冷脆”一、金属材料•氢氢还会引起氢脆，产生白点核承压设备用低碳钢的主要有：20HR、SA106B、16Mn主要在核电站的二、三级设备、主蒸汽管道、二回路管道、安全壳衬里等上面使用一、金属材料2.2低合金高强度钢钢中添加了不超过10%的合金元素改造钢的各种性能，得到既有较高的强度，又有较好的塑性和韧性一、金属材料核电站的反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、主泵壳体等。这些设备采用锻件制造，各国都用ASME规范规定的SA508cl.3钢或成分类似的其它牌号钢。核承压设备的螺栓也主要用低合金高强度钢，它们的牌号有SA540、40CrNiMo、42CrMo、42CrMo钢棒材。一、金属材料2.3奥氏体不锈钢在钢中加入18%左右的铬和8%以上的镍时，可在常温下获得单相奥氏体组织，称为奥氏体不锈钢具有优良的耐腐蚀性和焊接性堆内构件材料、离心浇注的主管道、主管道安全端、驱动机构材料、热交换器传热管等设备中被广泛使用一、金属材料2.4有色金属有色合金也是核设备制造的重要材料•蒸汽发生器的U型传热管多采用Inconel800、Inconel600或Inconel690等材料来制造，其耐应力腐蚀性强Inconel合金中的镍含量很高，可归类于镍基合金。一、金属材料•传热管设备冷却热交换器和凝汽器大量采用钛管来做传热管钛具有低的密度、高的强度和高的腐蚀稳定性。钛合金不发生接触腐蚀和溃疡腐蚀，特别重要的是不发生应力腐蚀一、金属材料3.核燃料元件常用材料3.1铀及铀合金天然存在的裂变材料只有235U，它是铀的一种同位素压水堆核电站常用UO2作为裂变材料一、金属材料3.2铀的氧化物和化合物二氧化铀和铀的化合物是制造燃料元件的主要核材料之一二氧化铀在熔点以下只有一种结晶形态，并且是各项同性二氧化铀的热导系数很低，具有良好的耐腐蚀性能一、金属材料3.3常用包壳材料核燃料元件的包壳是用于保护核燃料不受冷却剂的腐蚀和其它机械损伤，并防止裂变产物进入冷却回路。制造核燃料元件包壳的材料要求对中子的吸收截面小，有一定的机械强度，抗冷却剂腐蚀以及对裂变产物的化学稳定一、金属材料•铝及铝合金铝及铝合金是制造核燃料包壳的常用材料。由于它耐高温水腐蚀能力和强度的限制，多半应用于低温生产堆和试验堆中。铝镁硅系合金或铝铁镍镁合金的性能有所提高，但可焊性不好，影响了使用一、金属材料•锆合金锆的热中子吸收截面小，在一定的温度下能保持足够强度，耐腐蚀性和高温机械性能好在动力堆中广泛使用常用的锆-2、锆-4和M5一、金属材料•不锈钢奥氏体不锈钢已被广泛应用在快中子堆的燃料元件包壳上它的优点是对水、气体和液态金属都有很好的耐腐蚀性，可焊性好，价格比锆便宜得多一、金属材料缺点是热中子吸收截面大，它做的包壳壁厚较薄。但快中子堆的中子能量大，中子损失影响不大。若要用在热中子堆中则必须采用更浓缩的铀一、金属材料4.金属材料的性能金属材料的力学性能主要有:强度、塑性、硬度、韧性•强度金属抵抗永久变形和断裂的能力•塑性金属材料受力时，产生不可恢复的变形而不破坏的能力一、金属材料•硬度材料抵抗其它物质侵入其表面而变形的能力或抵抗破坏的能力•韧性金属材料在外力作用下，断裂前所吸收能量的大小一、金属材料5.断裂韧性和断裂力学基本概念断裂力学是从材料中存在各种裂纹缺陷的前提出发，从力学的角度，研究宏观缺陷与材料的强度和断裂间关系的学科一、金属材料•断裂韧性度量裂纹扩展阻力的指标•应力强度因子KK=Yσ(a)1/2Y－无量纲系数，与裂纹形状加载方式、试样尺寸有关σ－外加拉应力a－裂纹长度一、金属材料•平面应变断裂韧性KC当外加应力达到断裂应力时，应力强度因子K达到断裂的临界值KC在I型裂纹的几何条件下，记为KIC断裂韧性表征了材料抵抗裂纹扩展的能力，是材料抵抗脆性破坏的一个韧性指标。按应力强度因子建立的脆性断裂判据表达为：KI≥KIC一、金属材料•KIC反映材料阻止裂纹失稳扩展的能力，它是由材料本身的性质决定的•KI是一个力学参量，与材料性质无关一、金属材料6.辐射环境下的材料性能6.1核性能燃料元件芯体必须采用中子吸收截面最低的铀合金燃料元件包壳采用中子吸收截面很小的锆合金等控制棒、调节棒等采用中子吸收截面很大的材料例如Cd棒制成一、金属材料6.2辐照效应中子对金属的辐射会引起辐射损伤，高通量的的中子辐射导致屈服强度和极限的增加，塑性和冲击韧性的降低，无塑性转变温度的提高中子的通量越大，辐照的时间越长，辐照效应的影响越大一、金属材料当材料经受能量大于1兆电子伏物的快中子辐照达到一定水平时，材料的无塑性断裂转变温度（脆性转变温度）会显著提高，并且使高于脆性转变温度范围的冲击韧性降低，这就是材料的辐照效应。为了尽可能减少这些设备材料的辐照效应，要对钢中的杂质元素和气体含量作严格的控制。例如钢中的铜、硫、磷、氢等元素是越少越好一、金属材料6.3活化金属材料被腐蚀后，某些合金成分随同一回路水流入堆芯，受到中子的照射会生成放射性核素而产生放射性，这个过程叫活化，产生的放射性产物叫活化产物堆芯材料以及和一回路水接触的材料中所含的元素成分必须是在中子流中活化较弱，而且必须有很好的耐腐蚀性一、金属材料6.4抗腐蚀性高能量和高通量的辐照，金属的电化学性能和腐蚀性能会发生下列变化：•辐射分解效应使分解产物O2、H2O2的浓度增加，加快了一般钢材的氧化腐蚀速度。•辐射电化学效应使金属表面原子的能量增加，加快了电化学反应的速度，一般钢材的腐蚀速率会增快。•分解破坏效应使金属表面生成的保护性氧化膜产生辐射损伤，使一般钢材、不锈钢、锆合金等的腐蚀速率明显加快。一、金属材料7.核用材料的基本要求•具有良好的室温综合性能，即较高的强度、韧性和防脆断能力•沿截面应有良好的性能均一性，尤其是尺寸较大、较厚截面的锻件•具有良好的焊接性，再热裂纹敏感度低一、金属材料8.核设备材料的特殊要求•残留元素控制一回路材料：铅、汞、硫、磷、锌、镉、锡、锑、铋、砷、铜、稀土元素等等二回路材料：低熔点元素及其化合物，特别是铅、汞、砷、硫一、金属材料•抗晶间腐蚀性能•化学成分要求一回路中奥氏体不锈钢钴≤0.20%铌＋钽≤0.15%通常不允许硼的存在为保证耐腐蚀性能硫≤0.020%磷≤0.030%•对中子辐照应有较高的稳定性二、金属材料加工1.金属材料热处理1.1热处理的一般过程热处理是把金属加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺钢的主要热处理有：退火、正火、淬火、回火、表面淬火、化学热处理等二、金属材料加工时间热处理的基本工艺曲线加热温度保温时间温度二、金属材料加工1.2常用热处理工艺•退火将钢加热到一定的温度，保温一定的时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。根据工艺和目的不同，退火可分为完全退火，不完全退火，消应力退火等。二、金属材料加工完全退火将工件加热到Ac3以上30-50℃，保温后在炉内缓慢冷却，得到接近平衡状态组织。其目的是细化晶粒，消除应力，降低硬度，改善加工性能不完全退火将工件加热到Ac1以上30-50℃，保温后缓慢冷却。其主要目的是改善加工切削性能，消除应力二、金属材料加工消应力退火将整个工件或局部加热到Ac1以下100-200℃，保温后缓慢冷却。其主要目的是消除焊接、冷加工、锻压等加工所产生的内应力。消应力退火不改变材料组织，通过高温时的塑性变形或蠕变来释放应力。二、金属材料加工•正火正火是将工件加热到Ac3或Acm以上30-50℃，保温后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火的目的也是细化晶粒，均匀组织，降低内应力。二、金属材料加工与退火的不同在于冷却速度较快，组织中珠光体增多，珠光体片层变薄。钢的强度、硬度、韧性增高。核承压容器用的低碳钢都是以正火状态供货的。二、金属材料加工•淬火淬火是将钢件加热到Ac3以上30－50℃，保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。只有达到临界冷却速度，奥氏体才能转变为马氏体。淬火时，钢件表面冷却得快，越往心部冷却越慢。淬火时，钢件获得马氏体的深度越深，称钢的淬透性越大二、金属材料加工钢的含碳量和合金元素能降低淬火的临界冷却速度，从而大大提高钢的淬透性。马氏体组织硬度和强度都很高，但马氏体硬而淬，韧性很差，内应力很大，容易产生裂纹，承压容器材料和焊缝的组织中一般都不希望出现马氏体二、金属材料加工•回火回火是将经过淬火的钢加热到Ac1以下的适当温度，保温后冷却，获得所需组织，消除淬火时产生的内应力，适当降低硬度和强度，提高韧性的热处理工艺。按回火温度的不同分可为低温、中温、高温回火，以获得不同要求的硬度、强度和韧性。二、金属材料加工淬火后在500-650℃范围内的回火称为高温回火。淬火加高温回火的热处理又称为调质。调质后的钢材既有一定的强度，又有较高的塑性和冲击韧性，即有良好的综合机械性能。核电主设备用的低合金高强度钢都要进行调质处理。二、金属材料加工•表面热处理表面热处理包括表面淬火和化学热处理:表面淬火是应用表面快速加热随后快速冷却的方法，改变钢件表面性能的工艺。化学热处理是在一定的温度下对钢表面渗入一些元素，以改变其表层的化学成分从而提高表层的某些特殊性能如耐磨、耐腐蚀和耐疲劳等。二、金属材料加工•奥氏体不锈钢的固溶处理和稳定化处理把奥氏体不锈钢加热到1050-1100℃，保温后快速冷却，以获得单相的、均匀的奥氏体组织，这种方法称为固溶处理含18%左右的铬和8%左右镍的奥氏体不锈钢经固溶处理后，才能在室温下得到单相的奥氏体组织，提高韧性和耐腐蚀性二、金属材料加工1.3热处理缺陷氧化和脱碳硬度不足与软点过热和过烧变形与开裂二、金属材料加工•氧化和脱碳钢件加热时，表面被氧化生成氧化铁皮。同时钢表层中的碳被氧化，生成二氧化碳，即造成脱碳。氧化和脱碳使钢件表面硬度不足，降低疲劳强度。防止的措施有：表面涂料、盐浴加热、保护气或真空加热。二、金属材料加工•硬度不足与软点淬火时如果加热温度不够或保温时间不足或局部冷却速度不足都会造成硬度不足与软点。二、金属材料加工•过热和过烧由于加热温度过高或保温时间过长而造成奥氏体晶粒粗大的缺陷叫过热。过热组织可通过重新淬火予以消除。由于加热温度过高而造成奥氏体晶界局部熔化或氧化的现象称过烧。工件一旦过烧就只能报废。二、金属材料加工•变形