核用材料讲课稿

核用材料预热学而不思则罔,思而不学则殆。学问技能、形象、态度、道德今天计划讲点什么？基本内容两个案例几道判断题和选择题定义：材料是人类社会所能接受的、经济地制造有用器件（或物品）的物质。金属材料，陶瓷材料，高分子材料，复合材料目录一.金属材料二.金属材料加工三.金属材料在运行时产生的常见缺陷分目录一.金属材料金属材料基本概念核设备常用结构材料核燃料元件常用材料金属材料的性能关于金属材料的一些基本概念1金属材料的化学成分★钢和铸铁钢：含碳量小于2.11%的铁碳合金。铸铁或生铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。★铁素体F、渗碳体Fe3C、珠光体P、奥氏体A及其性能铁素体是碳溶解于α-Fe中形成的间隙固溶体，常用F或α表示。铁素体的性能与纯铁相近，即强度、硬度低，塑性、韧性好。渗碳体是铁和碳的金属化合物，分子式为Fe3C，含碳量为6.69%，其特点是熔点高，硬度高，HB800，脆性大，塑性、韧性极低。珠光体是铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物。用P表示，平均含碳量为0.77%。性能介于渗碳体与铁素体之间，强度较高，硬度适中，有一定塑性。奥氏体是碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体，常用A或γ表示。727℃时，溶碳量为0.77%，1148℃时为2.11%。奥氏体为顺磁性，其硬度较低，塑性较好。莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物,用Le表示。关于金属材料的一些基本概念铁碳合金状态图关于金属材料的一些基本概念★碳钢及其分类与编号碳钢是指含碳量在0.02%--2.11%之间的铁碳合金。(1)碳钢的分类：按含碳量不同分为低碳钢(C＜0.25%)、中碳钢(C：0.25%--0.55%)和高碳钢(C＞0.55%)。按脱氧方式不同分为沸腾钢(不完全脱氧)和镇静钢(完全脱氧)。按质量不同分为普通碳素钢(S≤0.055%，P≤0.045%)、优质碳素钢(S≤0.045%，P≤0.04%)和高级优质碳素钢(S≤0.03%，P≤0.035%)。按用途不同分为碳素结构钢(C＜0.7%)和碳素工具钢(C≥0.7%)。关于金属材料的一些基本概念(2)碳钢的编号：GB221-63《钢铁材料牌号表示方法》规定：钢材牌号采用化学元素符号和汉语拼音缩写字母并用的方法表示。①普通碳素钢：分为甲类、乙类和特类三种。甲类钢：只保证机械性能，不保证化学成分，用A1、A2、…A7表示，强度高，塑性低。乙类钢：只保证化学成分，不保证机械性能，用B1、B2、…B7表示，数字大，含碳量高。特类钢：既保证化学成分，又保证机械性能，用C1、C2、…C7表示。②优质碳素结构钢：既保证化学成分，又保证机械性能，含C、S、P量较低。常用两位数字表示。如20号钢平均含碳量为0.20%。③碳素工具钢：含碳量在0.7%--1.35%之间，用T7、T8、…T13表示。数字表示平均含碳量为千分之几，如T7表示平均含碳量为0.7%。钢号后加“A”，表示高级碳素工具钢，如T7A。关于金属材料的一些基本概念★合金钢在碳钢中有目的地加入一些合金元素的钢，称为合金钢。常用合金元素有Cr、Ni、Mo、Ti、Nb、W、V、Si等。(1)合金钢的分类：按合金元素总含量不同分为低合金钢(＜5%)、中合金钢(5%--10%)和高合金钢(＞10%)。按用途不同分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。按退火或正火状态下组织不同分为珠光体钢、奥氏体钢、马氏体钢、贝氏体钢等。关于金属材料的一些基本概念合金钢的编号：①合金结构钢：前面两位数字表示平均含碳量的万分之几，合金元素用百分之几表示。例：12CrNi3表示平均含碳量为0.12%，含铬量为1%，含镍量为3%左右。②合金工具钢：前面数字表示含碳量，含碳量≥1%不标出，含碳量＜1%，用千分之几表示。合金元素用百分之几表示。例：Cr12Mo，C≥1%，Cr为12%左右。Mo为1%左右。又例：5CrNiMo，含碳量为0.5%左右，Cr、Ni、Mo含量均为1%左右。关于金属材料的一些基本概念★不锈钢及其分类不锈钢是指含Cr大于11%的合金钢，它是工业上最重要的(高)合金钢。四大类：(1)马氏体不锈钢含Cr＞12%(常用钢种含Cr13%或17%)，不含Ni或含少量Ni(约2%)。特点是可以经热处理硬化，获得高强度和高硬度。(2)铁素体不锈钢含Cr12%—27%，含Ni＜0.5%。不能经热处理硬化，但可经冷加工硬化。(3)奥氏体不锈钢含Cr＞16%—18%，Ni＞8%，非磁性，不能经热处理硬化。可经冷加工硬化。它的耐蚀性和加工性都比前两类好，用途最广泛。最普通的品种是18Cr8Ni钢（300号不锈钢，国内写法：1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti）。(4)沉淀硬化钢(或称时效硬化钢)含Cr17%，Ni4.25—7%，还可含少量Cu、Mo、Al、Ti等。在上述四类不锈钢中，奥氏体不锈钢是性能最优，用途最大的钢种。(防腐，高强，良好的焊接性能）关于金属材料的一些基本概念★化学元素Mn、Si、Cr、Ni、Ti、S、P、C对合金钢性能的影响(1)锰(Mn)：锰具有脱氧作用，能减轻硫的有害作用。含锰量适当，能提高钢的强度和硬度，增加钢的耐磨性，减少气孔，提高焊缝的抗热裂性能，但塑性和冲击值降低。当Mn≤1%时，将增加焊缝的强度和韧性；当Mn＞1%时，则焊缝易产生裂纹和夹渣，焊接性变坏。压力容器用碳钢中的含锰量一般在0.35--0.65%之间。(2)硅(Si)：硅是强脱氧剂，溶入铁素体中能提高钢的强度，使焊缝致密均匀，提高钢的抗腐蚀性和抗氧化能力，加工硬化作用强。但含量过大时易使焊缝中形成夹渣，同时降低抗弯角度和冲击韧性，焊接性变差。压力容器用碳钢中的含硅量一般在0.15%--0.30%之间。(3)铬(Cr):为了提高钢的耐腐蚀性能,要提高铁基固溶体的电极电位,使其在氧化介质作用下,表面形成致密的、稳定的钝化膜,在这方面铬是最有效的合金元素。铬在奥氏体不锈钢中最低含量为11.7%。关于金属材料的一些基本概念★化学元素Mn、Si、Cr、Ni、Ti、S、P、C对合金钢性能的影响(4)镍(Ni):镍是扩大奥氏体区的元素,将镍提高至8%时,合金在常温下也具有奥氏体组织,除具有耐腐蚀性能外,还具有冷变形性能、焊接性能、冲击韧性和没有磁性等。(5)钛(Ti):钛加于不锈钢中是为了防止晶间腐蚀,必须要与碳保持一定比例。另外还要考虑到钛与氧和氮易形成氧化物和氮化物等夹杂物。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋(6)硫(S)：硫是钢中的有害杂质，含硫量多时，晶界存在低熔点组成相，在热加工过程中容易产生热裂现象，即热脆。焊接时，容易导致焊缝热裂。在焊接过程中硫易与氧化合，生成SO2，使焊缝中产生气孔和疏松。故应限制含硫量。压力容器用碳钢中含硫量一般控制在0.045%以下。关于金属材料的一些基本概念★化学元素Mn、Si、Cr、Ni、Ti、S、P、C对合金钢性能的影响(7)磷(P)：磷是钢中有害杂质，能与碳化合，并析出脆性化合物(Fe3P)，使钢的塑性、韧性，特别是冲击值明显下降，在低温时尤为显著，即出现冷脆现象。磷的存在使钢的焊接性变坏，焊接时易产生裂纹。压力容器用碳钢的含磷量一般控制在0.04%以下。(8)碳(C)：碳是钢中的重要强化元素。含碳量增加，钢的强度和硬度提高，但塑性和韧性降低，焊接性变坏。基于碳要与铬结合成碳化铬,降低不锈钢的耐腐蚀性能,所以含碳量都比较低。故一般压力容器用钢含碳量必须控制在0.24%以下。关于金属材料的一些基本概念铁碳钢合金钢（低合金钢）不锈钢镍基合金Monel/镍铜Inconel/镍基Incoloy/铁镍基Cr11％C2.11%18－8奥氏体不锈钢Cr、Ni、Mo、Ti、Si关于金属材料的一些基本概念★高温工作条件对材料的要求对制造高温容器用钢的要求是：在高温条件下，具有足够的强度、稳定性和高温抗氧化性能。高温容器用钢不宜选用碳钢，因为碳钢在300℃以上时，强度显著下降。400℃～900℃是18－8奥氏体不锈钢的敏化温度区间（产生晶间腐蚀的碳化物析出区晶间腐蚀有害）。分目录金属材料金属材料基本概念核设备常用结构材料核燃料元件常用材料金属材料的性能1.核用材料性能的总体要求(概念）1）核性能－－中子吸收截面，活化截面，半衰期2）力学性能－强度，塑韧性，耐热性3）化学性能－化学稳定性，抗腐蚀性，相容性4）物理性能－导热，热膨胀，熔点，晶体结构稳定5）辐照性能－辐照敏感6）工艺性能－加工，制造，焊接等7）经济性－－材料来源，生产工艺，制造成本1.核用材料性能的总体要求（规范/标准）1)选用的化学成分；2)交货件的热处理；3)根据可焊性要求须作的加速晶间腐蚀试验；4)室温下的力学性能；5)设计温度下力学性能。即：保载5分钟测定残余伸长0.2%条件下屈服强度。如有必要时，也适用测定抗拉强度。2.核设备常用材料反应堆冷却剂系统（也叫一回路系统）高压（15MPa）高温（330℃）强核辐照(中子通量6×1010n/(cm2·s))工作寿命要求有30年或更长。对核设备材料的一般选用要求必须满足耐腐蚀、耐辐射、耐湿、耐温热和耐疲劳等。也必须通过力学性能、腐蚀性能和辐照性能的试验。规范要求：IAEA国际原子能机构IAEA50-C-D“核电厂安全设计实施”法规美国ASME“锅炉和压力容器规范”第III卷法国RCC-M“压水堆核电厂核岛机械部件的设计和建造规则”第II卷（M卷）SG传热管选材案例分析0Cr18Ni10Ti在含氯离子和含氧的高温水中，不同合金的耐应力腐蚀性能（T－穿晶型，I－晶间型，TI－穿晶＋晶间混合型）钛合金1.钛合金：以钛为基体加入其它元素组成的合金2.比强度高（抗拉强度可达10～14MPa，而密度仅为钢的60％）；热强性好（可在450～500°C的温度下长期工作）；资源丰富。3.很耐海水腐蚀。4.大量用于核电厂设备冷却热交换器核冷凝器的传热管（配合于除盐装置，防腐）5.可用UT,ECT,PT等多种NDT方法对其进行检测。在海水中腐蚀电位高低次序表分目录金属材料金属材料基本概念核设备常用结构材料核燃料元件常用材料金属材料的性能燃料元件包壳材料性能要求：1)热中子吸收截面小，感生放射性小，半衰期短；2)强度好、塑韧性好、抗腐蚀性强、对晶间腐蚀、应力腐蚀和吸氢不敏感；3)热强性、热稳定性和抗辐照性能好；4)导热率高、热膨胀系数小，与材料和冷却剂相容性好；5)易加工、便于焊接和成本低廉。燃料元件包壳材料（续）适宜作包壳用的材料：1)铝及铝合金2)镁合金3)锆合金4)奥氏体不锈钢5)高密度热解炭（石墨）几种锆合金的成分【质量分数（％）】分目录金属材料金属材料基本概念核设备常用结构材料核燃料元件常用材料金属材料的性能金属材料的性能1.材料的力学性能(机械性能)★材料的机械性能及指标金属材料的机械性能：是指金属材料在一定的温度条件下受到外力作用时，抵抗变形和断裂的能力，又称材料的力学性能。机械性能包括强度、硬度、韧性、塑性等。对于压力容器用材料，最重要的是材料的强度、塑性和韧性指标。一般材料的强度和塑性通过拉伸试验测定，韧性通过冲击试验测定，硬度通过硬度试验测定。**比例极限；**弹性极限；**屈服强度；**极限强度；**断裂强度金属材料的性能（续）塑性材料的应力－应变曲线金属材料的性能（续）脆性材料的应力－应变曲线金属材料的性能（续）★强度强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。★塑性金属材料在外力作用下产生永久变形的能力，叫做塑性。★延伸率和断面收缩率★硬度硬度是指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力。它表示金属材料的坚硬程度。布氏硬度试验法、洛氏硬度和维氏硬度试验法。★金属的冲击韧性冲击韧性是指金属材料在冲击载荷（指突然增加的载荷）作用下，抵抗破坏的能力。金属材料的性能（续）★脆性转变温度(NDTT-NilDuctilityTransitionTemperature)冲击韧性与试验温度有关。在低温下，材料会出现由塑性状态转变