核電廠材料chapter3-材料的性能ppt課件

1、龍龍 斌斌 教授教授中國原子能科學(xué)研究院研究生院中國原子能科學(xué)研究院研究生院China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China壓水堆壓水堆PWRPWR）河水、海河水、海水或冷卻水或冷卻塔塔1.安全殼：安

2、全殼：鋼筋混凝土鋼筋混凝土2.壓力容器：壓力容器：低合金鋼低合金鋼A508-III）3.堆芯：堆芯：燃料：燃料：UO2燃料元件包殼：燃料元件包殼：Zr-4M5，ZIRLO）組件盒：組件盒： Zr-4M5，ZIRLO）4.控制棒：控制棒：Ag-In-Cd, B4C5.蒸發(fā)器：蒸發(fā)器：外殼：低合金鋼外殼：低合金鋼傳熱管：傳熱管：Inconel 600,690,8006.一回路管道：一回路管道：316,304S.S7.二回路管道：二回路管道：碳鋼碳鋼核反應(yīng)堆用材料核反應(yīng)堆用材料材料的性能材料的性能本章需要掌握的要點本章需要掌握的要點p 了解材料的物理、力學(xué)、腐蝕和輻照性能及測試方法；p 在反應(yīng)堆條件

3、中子輻照、冷卻劑介質(zhì)下燃料材料降級的原因以及針對各種問題的解決措施。CIAECIAE，龍斌，龍斌3.1 3.1 材料的物理性能材料的物理性能 密度density）：每單位體積所具有的質(zhì)量符號：符號： 單位：單位： kg/m3 （國際單位制），（國際單位制），g/cm3 1g/cm3 =1x103 kg/m3理論密度理論密度th:實際密度：通過測量確定實際密度：通過測量確定 理論密度理論密度 與實際密度與實際密度 燃料密度表征一般以燃料密度表征一般以 xx% TD 表示表示 th=晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 相對原子質(zhì)量相對原子質(zhì)量晶胞體積晶胞體積 阿伏加德羅常數(shù)阿伏加德羅常數(shù)密度的變化與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)

4、密度的變化與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)核燃料在堆內(nèi)經(jīng)過裂變、遷移、腫脹等一系列變化，密度會發(fā)生很大變化；核燃料在堆內(nèi)經(jīng)過裂變、遷移、腫脹等一系列變化，密度會發(fā)生很大變化；包殼和其他結(jié)構(gòu)材料在輻照下也會發(fā)生腫脹等導(dǎo)致密度變化包殼和其他結(jié)構(gòu)材料在輻照下也會發(fā)生腫脹等導(dǎo)致密度變化3.1 3.1 材料的物理性能材料的物理性能 熔點melting point）：固體材料由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時，固、液兩相共存時的恒定溫度稱為該材料的熔點燃料的熔點燃料的熔點 金屬燃料金屬燃料 1406oC UO2燃料燃料 2800oC MOX燃料燃料 2768oC晶體有固定的熔點，非晶體無固定熔點晶體有固定的熔點，非晶體無固定熔點合金的熔點

5、一般低于純金屬的熔點，共晶成分的合金合金的熔點一般低于純金屬的熔點，共晶成分的合金熔點最低熔點最低對核電廠來說，核燃料的熔點高低對于燃料元件設(shè)計是非常重要的參數(shù)，對核電廠來說，核燃料的熔點高低對于燃料元件設(shè)計是非常重要的參數(shù)，熔點的變化也是反應(yīng)堆安全相關(guān)的一個重要課題熔點的變化也是反應(yīng)堆安全相關(guān)的一個重要課題Q：為什么燃料的熔：為什么燃料的熔點對燃料元件的設(shè)點對燃料元件的設(shè)計非常重要？計非常重要？3.1 3.1 材料的物理性能材料的物理性能 比熱容specific thermal capacity）：單位質(zhì)量物體溫度每升高1度所需要的熱量符號：符號：C 單位：單位： J/（kgK）（國際單位制

6、）（國際單位制） J/（kg oC）冷卻劑的比熱容：水冷卻劑的比熱容：水4200）、氦氣）、氦氣5190）、）、鈉鈉1230）、鉛鉍合金）、鉛鉍合金128）C氦氣氦氣 C水水 CNa CLBE 3.1 3.1 材料的物理性能材料的物理性能 導(dǎo)熱系數(shù)thermal conductivity）：導(dǎo)熱系數(shù)是測量熱流通過材料速率的物理量。簡單說就是表征材料的熱傳導(dǎo)性能的參數(shù)。符號：符號：單位：單位： W/（mK）（國際單位制）（國際單位制）冷卻劑的導(dǎo)熱系數(shù)：水冷卻劑的導(dǎo)熱系數(shù)：水0.62氦氣氦氣0.144鈉鈉130鉛鉍合金鉛鉍合金12.6水蒸汽水蒸汽0.025）材料的導(dǎo)熱率與材料中的氣孔率有關(guān)。氣孔率

7、增加，材料的密度減小，材料的導(dǎo)熱率與材料中的氣孔率有關(guān)。氣孔率增加，材料的密度減小，導(dǎo)熱率下降。因此，導(dǎo)熱率下降。因此，UO2燃料的熱導(dǎo)率和它的密度成正比燃料的熱導(dǎo)率和它的密度成正比材料的導(dǎo)熱系數(shù)：奧氏體不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)：奧氏體不銹鋼16-21）、鋯合金）、鋯合金17-22）燃料的導(dǎo)熱系數(shù)：燃料的導(dǎo)熱系數(shù)：UO28.4）燃料燃料UO2的熱導(dǎo)率與氧的熱導(dǎo)率與氧/鈾比、燃耗和溫度有關(guān)鈾比、燃耗和溫度有關(guān)熱導(dǎo)率低的材料在加熱和冷卻時會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。核燃料的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率低的材料在加熱和冷卻時會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。核燃料的熱導(dǎo)率低，核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)不出來，會導(dǎo)致中心溫度升高。由于較大的低，核反

8、應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)不出來，會導(dǎo)致中心溫度升高。由于較大的溫度梯度，造成燃料在堆內(nèi)環(huán)境下的開裂、重結(jié)構(gòu)等一系列變化。溫度梯度，造成燃料在堆內(nèi)環(huán)境下的開裂、重結(jié)構(gòu)等一系列變化。3.1 3.1 材料的物理性能材料的物理性能 熱膨脹thermal expansion）：物體因溫度改變而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象叫“熱膨脹”。通常是指外壓強不變的情況下，大多數(shù)物質(zhì)在溫度升高時，其體積增大，溫度降低時體積縮小。微觀：加熱時相鄰原子間距增大符號：符號： （膨脹系數(shù)）（膨脹系數(shù)） 單位：單位： mm/（mmoC或或1/ oC熱膨脹系數(shù)：當(dāng)溫度由熱膨脹系數(shù)：當(dāng)溫度由t1變到變到t2，長度相應(yīng)地由，長度相應(yīng)地由L1變到變到L2

9、時，材料在該溫區(qū)的平均線膨脹系數(shù)定義為：時，材料在該溫區(qū)的平均線膨脹系數(shù)定義為：-=L2-L1L1(t2-t1)= LL1 t材料的膨脹系數(shù)：奧氏體不銹鋼材料的膨脹系數(shù)：奧氏體不銹鋼17x10-6）、鐵素體）、鐵素體/馬氏體鋼（馬氏體鋼（ 12x10-6）、）、鋯合金鋯合金6x10-6）燃料的膨脹系數(shù)：燃料的膨脹系數(shù)：UO2（ 13x10-6 ）（）（1000oC以上）以上）反應(yīng)堆中，相互連接的材料如有不同的熱膨脹系數(shù)，在加熱或冷卻時就會有反應(yīng)堆中，相互連接的材料如有不同的熱膨脹系數(shù)，在加熱或冷卻時就會有應(yīng)力存在。應(yīng)力存在。PCI：由于：由于UO2燃料的熱膨脹系數(shù)比鋯合金包殼的大，因此發(fā)生燃料

10、的熱膨脹系數(shù)比鋯合金包殼的大，因此發(fā)生芯塊與包殼相互作用。芯塊與包殼相互作用。材料的力學(xué)性能：材料抵抗外力作用的能力材料的力學(xué)性能：材料抵抗外力作用的能力外力外力靜載荷靜載荷動載荷動載荷特殊狀態(tài)特殊狀態(tài)的載荷的載荷高溫高溫材料內(nèi)部有缺陷材料內(nèi)部有缺陷斷裂韌性斷裂韌性（抵抗裂紋失穩(wěn)（抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力或稱擴展的能力或稱抵抗脆斷的能力）抵抗脆斷的能力）3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能 硬度：材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。硬度不是一個單純的物理或力學(xué)量，它代表著彈性、塑性、塑性形變強化率、強度和韌性等一系列不同的物理量組合的一種綜合指標(biāo)。 布氏硬度布氏硬度 洛氏硬度洛氏硬

11、度 維氏硬度維氏硬度 里氏硬度里氏硬度 肖氏硬度肖氏硬度 巴氏硬度巴氏硬度 努氏硬度努氏硬度 韋氏硬度韋氏硬度3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能硬度不是金屬材料獨立的力學(xué)性能，不能用于仲裁試驗硬度不是金屬材料獨立的力學(xué)性能，不能用于仲裁試驗由于測定硬度的試驗方法比較簡單易行，試樣小，當(dāng)不便作其他力學(xué)性能由于測定硬度的試驗方法比較簡單易行，試樣小，當(dāng)不便作其他力學(xué)性能試驗時，可以利用它得到有價值的參考數(shù)據(jù)，因此無論在工廠企業(yè)或科研試驗時，可以利用它得到有價值的參考數(shù)據(jù)，因此無論在工廠企業(yè)或科研院所，硬度試驗是不可缺少的標(biāo)準試驗方法之一。院所，硬度試驗是不可缺少的標(biāo)準試驗方法之一。 布氏

12、硬度Brinell）：一般用于比較軟的材料HB450）3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能符號：符號：HRA、HRB、HRC （150kgf載荷）載荷）測量方法：使用初始試驗力測量方法：使用初始試驗力F0將壓頭將壓頭垂直壓入試樣表面，然后施加主試驗垂直壓入試樣表面，然后施加主試驗力，使用總試驗力力，使用總試驗力F0+F1壓入并保持壓入并保持一段時間後，撤除主試驗力。施加主一段時間後，撤除主試驗力。施加主試驗力后與施加主試驗力前壓痕深度試驗力后與施加主試驗力前壓痕深度的差值與材料的洛氏硬度值有著線形的差值與材料的洛氏硬度值有著線形關(guān)系，在洛氏硬度標(biāo)尺上每關(guān)系，在洛氏硬度標(biāo)尺上每2微米壓痕

13、微米壓痕深度差值代表一個洛氏硬度刻度深度差值代表一個洛氏硬度刻度HB =K-(h1-h0)0.002式中式中K為常數(shù)為常數(shù)0.2mm洛氏硬度試驗優(yōu)點：壓痕小，洛氏硬度試驗優(yōu)點：壓痕小，采用不同標(biāo)尺可以測定不同軟采用不同標(biāo)尺可以測定不同軟硬和厚薄的金屬材料硬度，廣硬和厚薄的金屬材料硬度，廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗 維氏硬度Vickers）：和布氏、洛氏硬度試驗相比，維氏硬度試驗測量范圍較寬，從較軟材料到超硬材料，幾乎涵蓋各種材料3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能符號：符號：HV, 單位：單位： kg/mm2HV =2Fsin(/2)d2下為壓痕在材料表面的投影，下為

14、壓痕在材料表面的投影，d1和和d2為壓痕對角線長；上為壓痕對角線長；上為金剛石壓頭的側(cè)面觀，其為金剛石壓頭的側(cè)面觀，其相對面夾角為相對面夾角為136測量方法：維氏硬度的測定原理基本測量方法：維氏硬度的測定原理基本上和布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單上和布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積上的載荷來計算硬度值。所不位面積上的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗的壓頭是金剛石同的是維氏硬度試驗的壓頭是金剛石的正四棱錐體。試驗時，在一定載荷的正四棱錐體。試驗時，在一定載荷的作用下，試樣表面上壓出一個四方的作用下，試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕，測量壓痕對角線長度，錐形的壓痕，測量壓痕對角線長度，除以

15、計算壓痕的表面積，載荷除以表除以計算壓痕的表面積，載荷除以表面積的數(shù)值就是試樣的硬度值面積的數(shù)值就是試樣的硬度值 維氏硬度Vickers）：和布氏、洛氏硬度試驗相比，維氏硬度試驗測量范圍較寬，從較軟材料到超硬材料，幾乎涵蓋各種材料3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能符號：符號：HV, 單位：單位： kg/mm2下為壓痕在材料表面的投影，下為壓痕在材料表面的投影，d1和和d2為壓痕對角線長；上為壓痕對角線長；上為金剛石壓頭的側(cè)面觀，其為金剛石壓頭的側(cè)面觀，其相對面夾角為相對面夾角為136Q：布氏、洛氏、維氏硬度試：布氏、洛氏、維氏硬度試驗各適應(yīng)于哪些場合下使用？驗各適應(yīng)于哪些場合下使用？

16、維氏硬度試驗視頻維氏硬度試驗視頻 顯微硬度Microhardness）：采用維氏硬度試驗相同的方法，將載荷降低12個量級3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能符號：符號：HV, 單位：單位： kg/mm2用途：壓痕很小，可落在用途：壓痕很小，可落在一個晶粒內(nèi)或組織內(nèi)，因一個晶粒內(nèi)或組織內(nèi)，因此可表征組成相的硬度值此可表征組成相的硬度值判別：顯微硬度可以測定一個判別：顯微硬度可以測定一個相的硬度。相的硬度。顯微硬度試驗優(yōu)缺點：顯微硬度試驗優(yōu)缺點：優(yōu)點：為研究金屬微觀區(qū)域的優(yōu)點：為研究金屬微觀區(qū)域的性能提供了方便，用于測定金性能提供了方便，用于測定金屬或合金組成相的硬度測定；屬或合金組成相的

17、硬度測定；缺陷：顯微硬度測定值比宏觀缺陷：顯微硬度測定值比宏觀硬度測定值更分散。硬度測定值更分散。n 拉伸性能tensile property）：測定金屬材料在受單向靜拉力作用下的強度和塑性性能參數(shù)。3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能可測量材料的可測量材料的 彈性模量彈性模量(E) 比例極限比例極限(e) 屈服點屈服點(s) 屈服強度屈服強度(0.2) 抗拉強度抗拉強度(b) 延伸率延伸率() 斷面收縮率斷面收縮率()強度：材料抵抗外力作用下發(fā)生變形和斷裂的能力強度：材料抵抗外力作用下發(fā)生變形和斷裂的能力塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力，可以用材料斷裂塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的

18、能力，可以用材料斷裂時最大塑性變形來表示時最大塑性變形來表示拉伸試驗視頻拉伸試驗視頻n 拉伸試驗的目的和意義3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能 材料的拉伸試驗可測定材料的如彈性、強度、塑材料的拉伸試驗可測定材料的如彈性、強度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)，根據(jù)拉伸性能還可預(yù)測抗疲勞、性等力學(xué)性能指標(biāo)，根據(jù)拉伸性能還可預(yù)測抗疲勞、斷裂性能等其他力學(xué)性能；斷裂性能等其他力學(xué)性能； 在工程上，拉伸性能是靜強度設(shè)計的主要依據(jù)，在工程上，拉伸性能是靜強度設(shè)計的主要依據(jù)，是設(shè)計金屬結(jié)構(gòu)件時考慮許用應(yīng)力的基礎(chǔ)：是設(shè)計金屬結(jié)構(gòu)件時考慮許用應(yīng)力的基礎(chǔ)：許用許用= 0.2/n(n為安全系數(shù)為安全系數(shù))； 通過試驗

19、可獲得材料基本的力學(xué)性能指標(biāo)：屈服通過試驗可獲得材料基本的力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率。這些強度、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率。這些參數(shù)對選擇材料和新材料開發(fā)有極其重要的作用，參數(shù)對選擇材料和新材料開發(fā)有極其重要的作用，是建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料失效準則最基本的依據(jù)是建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料失效準則最基本的依據(jù)n 拉伸試驗方法3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能試驗從樣品加工準備到試驗參數(shù)的選定需要遵循國試驗從樣品加工準備到試驗參數(shù)的選定需要遵循國家標(biāo)準，如家標(biāo)準，如GBxxx-xxx樣品樣品標(biāo)準圓柱形拉伸試驗樣品標(biāo)準圓柱形拉伸試驗樣品標(biāo)準片狀形拉伸試驗樣品

20、標(biāo)準片狀形拉伸試驗樣品l0: 標(biāo)距標(biāo)距n 拉伸試驗方法3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能 溫度溫度 環(huán)境環(huán)境 拉伸速率加載速率）拉伸速率加載速率） 樣品尺寸樣品尺寸試驗參數(shù)試驗參數(shù)拉伸試驗機拉伸試驗機拉伸試驗示意圖拉伸試驗示意圖n 拉伸試驗方法3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能試驗結(jié)果試驗結(jié)果(a) 拉伸前拉伸前(b) 拉伸后拉伸后力力-位移曲線位移曲線n 拉伸試驗3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能力力-位移曲線位移曲線工程應(yīng)力工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線工程應(yīng)力工程應(yīng)力=P/A0工程應(yīng)變工程應(yīng)變=l/l0其中其中A0是樣品初始橫截面積是樣品初始橫截面積 l0是樣品

21、的標(biāo)距是樣品的標(biāo)距n 拉伸性能3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 彈性模量彈性模量在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，符合虎克定律正比，符合虎克定律 E 為彈性模量，也叫楊氏模量。彈為彈性模量，也叫楊氏模量。彈性模量表征材料對彈性變形的抗力性模量表征材料對彈性變形的抗力 比例極限彈性極限）比例極限彈性極限）表示材料抵抗彈性變形的能力，即表示材料抵抗彈性變形的能力，即金屬材料按虎克定律變形的最大應(yīng)力金屬材料按虎克定律變形的最大應(yīng)力Fe為彈性極限時的載荷，為彈性極限時的載荷，A0為樣品為樣品的初始表面積。規(guī)定：以殘余變形為的初始表面積。規(guī)定：以殘余變形為0.01% 的應(yīng)力作為比例極限，以的應(yīng)力作為比例極限，以0.01表示，單位為表示，單位為MPa. E= e= FeA0n 拉伸性能3.2 3.2 材料的機械性能材料的機械性能應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 屈服強度屈服強度是金屬材料抵抗微量塑性變形是金屬材料抵抗微量塑性變形0.2%）時的應(yīng)力）時的應(yīng)力 F0.2為材料產(chǎn)生為材料產(chǎn)生0.2%微量塑性變形微量塑性變形時的載荷，時的載荷，A0為樣品