最新-第四章-核電廠結構常用金屬材料-PPT精品課件

1、第四章核電廠結構常用金屬材料 內容提要 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4.1 碳鋼碳鋼由于其冶煉、加工方便，價格低廉，有一定的強度，同時塑、韌性還比較好，因此廣泛地在工業(yè)、農業(yè)、國防中得到應用。核電廠中也有應用，核電廠安全殼內層使用碳鋼，壓力容器使用低合金碳鋼。 碳鋼的分類鐵碳合金中碳質量分數在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。碳質量分數在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

2、脆，應用較少。按鋼的質量要求（主要按照磷、硫含量的控制）碳鋼又可分為：普通碳素鋼（P0.045%,S0.055%）優(yōu)質碳素鋼(P0.040%，S0.040%)高級優(yōu)質碳素鋼（P0.035%，S0.030%）；如按用途分還可以分為：碳素結構鋼，用于制造各種工程結構件和機器零件。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、轉爐鋼。轉爐鋼又可進一步分為：堿性轉爐鋼、酸性轉爐鋼和頂吹轉爐鋼等。按用途分還可以分為：碳素結構鋼，用于制造各種工程結構件和機器零件。碳素工具鋼，用于制造各種刀具、量具、模具等；按鋼的冶煉方法分可分為：平爐鋼、轉爐鋼。轉爐鋼又可進一步分為：堿性

3、轉爐鋼、酸性轉爐鋼頂吹轉爐鋼等。如，碳鋼的牌號和用途1碳素結構鋼碳素結構鋼的牌號是這樣制定的：這類鋼要保證機械性能，故以機械性能（屈服強度）標注其牌號（Q+數字）。“Q”代表屈服強度，數字代表屈服強度值，單位MPa；后綴“A”,“B”,“C”,“D”代表質量等級，即雜質元素磷、硫的含量，其中“A”等級最低，雜質含量最高；若在牌號后面再標注，“F”“b”，“Z”或“TZ”，則為脫氧方式。“F”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， 即該鋼是屈服強度為235MPa，A級的沸騰鋼。碳素結構鋼的用途Q195，Q215，Q235A，Q235B等

4、鋼塑性較好，有一定的強度，通常軋制成鋼筋、鋼板、鋼管等用于橋梁、建筑物等的構件，也可用來做普通的螺釘、螺帽、鉚釘等。一般在熱軋狀態(tài)下使用，不再進行熱處理。但也可以進行正火、調質、滲碳等。2優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼用平均碳質量分數的萬分數的數字表示，若鋼中錳的質量分數較高，則在這類鋼的后面附加符號“Mn”表示。如：“20”表示鋼中平均含碳質量分數為0.20%的優(yōu)質碳素結構鋼；“16Mn”表示鋼中平均含碳質量分數為0.16%，并且含較多的Mn的優(yōu)質碳素結構鋼。 優(yōu)質碳素鋼用途主要用于制造各種機器零件。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

5、熱處理（滲碳）也可制造軸、銷等零件；35、40、45、50鋼經熱處理可獲得良好的綜合機械性能，可用于制造齒輪、軸、套筒等零件；60、65號鋼主要用來制造彈簧。 3碳素工具鋼碳素工具鋼的碳質量分數在0.65-1.35%之間，鋼號用平均碳質量分數的千分數的數字表示，數字前冠以T（“碳”的拼音字頭）。如：“T10” 表示碳質量分數1.0%（千分之10）的鋼。碳素工具鋼均為優(yōu)質鋼，如在鋼號后面標注“A”則表示為高級優(yōu)質碳素鋼。“T12A”表示碳質量分數為1.2%的高級優(yōu)質碳素鋼。 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、T1

6、1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行熱處理。4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上進行研究，逐漸添加一些合金元素以增加強度和淬透性；同時降低碳、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，需要嚴格控制銅、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。 4.2 不銹鋼不銹鋼是指

7、在大氣、蒸汽和水等弱腐蝕介質中耐腐蝕的合金鋼，而耐酸、堿、鹽等化學介質腐蝕的的合金鋼稱為耐酸不銹鋼。兩者合起來統稱不銹鋼。 不銹鋼的歷史在上世紀初，“不銹”與“鋼”的概念還是對立的。不銹鋼的發(fā)現是從研究刀具開始的，1913年英國在研究刀具時發(fā)現鋼中加入9-16%的Cr時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。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)現當加入10%的Cr和5%的Co時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：如果鋼中含足量的Cr和Ni，就能抗氧化和耐酸腐蝕。研究報

8、告在1920年發(fā)表并開始生產和應用這類鋼。這是不銹鋼發(fā)現和使用的開始，由于這類鋼的性能優(yōu)良，因此在一個世紀里發(fā)展很快?，F代不銹鋼已經有很多的類型，它們被用來滿足各種不同的需要。不銹鋼的成分特點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。實驗證明，當鋼中的含鉻量增加至12.5at%（11.7wt%）時，陽極電位由-0.56V突增至+0.2V。這時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不低于12wt%。當鉻元素在12%以上時，表面形成

9、穩(wěn)定而致密的鉻氧化膜，合金呈現鈍化。4.2.1 不銹鋼的牌號 世界各國不銹鋼的編號方法不同。 我國的編號方法是： 碳質量分數、合金元素的種類和數量及質量級別來編號的。 在牌號前面的第一個數代表碳質量分數，碳質量分數用千分數表示，如標為1，其意為0.1%；主要的合金元素及含量的百分數標于其后。 如：1Cr18Ni9Ti，表示的碳質量分數為0.1%左右，鉻質量分數為18%左右，鎳質量分數為9%左右，鈦質量分數為1%左右。世界部分國家鋼號的對照請參見表4-74.2.2 不銹鋼分類及應用核電站一回路系統的管道、泵體、閥門等設備所用的結構材料必須具有足夠的強度和韌性，要耐高溫、耐腐蝕、耐輻照，因此大部分

10、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。 1鐵素體類不銹鋼（如1Cr17，1Cr17Ti）當含鉻量在17-27%，并且含少量碳（小于0.15%）時，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，有時加入Mo、Ti、Si、Nb等。它的抗腐蝕性能呈中等，熱膨脹系數低，導熱性能好，易于加工，對SCC不敏感。但強度較低、焊接性能較差，對晶間腐蝕比較敏感，應用時要注意相的析出問題。常用于化工設備、食品加工設備等要求耐腐蝕，但強度要求不高的構件上，在核電廠用得比較少，可

11、以用作熱交換器中的管板等。2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。這類鋼雖然強度高，但只能耐大氣、蒸汽和弱介質的腐蝕。1Cr13是國際上通用的牌號，美國為AISI410，法國為Z10C-13、Z12C-13，日本為SUS410，德國為X15Cr13?；瘜W成分見表4-5。馬氏體鋼主要用于抗弱腐蝕介質，同時要求較高的韌性和承受沖擊載荷的零部件。如汽輪機葉片、水壓機閥、結構件和螺栓等，在反應堆環(huán)境中主要用于2、3級輔助泵傳動軸、蒸發(fā)器支撐件、控制棒驅動機構等。3奧氏體不銹鋼（300系列

12、）這類鋼的碳質量分數很低，約在0.1%左右，碳質量分數越低，耐蝕性越好，熔煉越困難，價格也越高。為了得到單相奧氏體組織，如只用鎳，含量需高達27%，但當鉻鎳配合使用時，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。 它的高溫強度（500以上）好、 韌性好、焊接性能好、耐腐蝕，對高溫水等一般化學介質表現了出色的抗腐蝕性能。但它對應力腐蝕敏感，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。這是在應用中需要注意的問題。這類鋼廣泛用于核反應堆中，是壓

13、水堆堆芯容器堆焊層、熱屏、管道、閥門、泵等的主要選材。4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，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力腐蝕能力。它兼有奧氏體和鐵素體的優(yōu)點，克服了兩者的部分缺點：強度高、韌性好、抗應間腐蝕和應力腐蝕?？捎糜谥圃旎せ试O備和管道，海水冷卻的熱交換設備等。在反應堆條件下使

14、用要注意相析出的問題。5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、強度、韌性，焊接性能和冷加工性能也較好。典型的牌號有：0Cr17Ni4Cu4Nb（相當于美國牌號17-4PH）、0Cr17Ni7Al（相當于美國牌號17-7PH）和0Cr15Ni7Mo2Al（相當于美國牌號PH15-7Mo）。4.3 有色金屬鎳基合金，鈦合金

15、，軸承合金等4.3.1鎳及鎳基合金鎳屬面心立方結構，在高、低溫度下均有良好的力學性能和加工性能。鎳的熔點高（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，因此廣泛應用于化工、航空、航天及核工業(yè)中。鎳基合金及應用這類合金包括：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-

16、35%，Cr20-23%, Fe39.5%）。因科鎳合金因不易發(fā)生應力腐蝕，有時用于堆內代替不銹鋼，但由于鎳中所含雜質鈷具有很大的中子俘獲截面，且會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。 4.3.2 鈦及鈦合金鈦是一種比較新的金屬，約在20世紀50年代才被用作工程結構材料。鈦及鈦合金密度小、比強度高、耐熱性好（具有良好的中溫強度），抗腐蝕（在硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉等介質中都很穩(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)于大多數奧氏體不銹鋼），并且具有良好的低溫韌性?，F已逐漸成為核電廠冷凝器的

17、替代材料，以替代銅及銅合金。鈦的性質鈦的資源豐富，但在高溫時異?；顫姡伡扳伜辖鸬娜蹮?、澆注、焊接和熱處理都要在真空或惰性氣體保護下進行，因此鈦及鈦合金的加工條件復雜，成本較昂貴。鈦的導熱性差，只有鐵的1/5，彈性模量較低，屈強比較高。純鈦塑性好、強度低，容易加工成型，可制成細絲和薄片。鈦有同素異型轉變，882.5以下為相，密排六方結構；882.5以上為相，體心立方結構。純鈦在室溫得不到相，但若添加適量的合金元素，可在室溫下得到相。相較相致密。鈦合金分類按其顯微組織分，可分為：型（TA系）、型（TB系）、+型（TC系）三類。鈦合金（TA）主要含有穩(wěn)定劑，鈦中加入氧、氮、碳、鋁、硼等相穩(wěn)定元素，

18、獲得鈦合金。六方結構的-Ti在轉變溫度以下的環(huán)境下組織是穩(wěn)定的，不能通過熱處理來改變強度。 一般熱處理只進行退火（變形后的消除應力退火或再結晶退火）。-Ti是耐熱鈦合金的基礎，具有良好的焊接性。鈦合金的室溫強度低于鈦合金和+鈦合金，但高溫（500-600）強度比它們的高，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件。典型的牌號是TA7,成分為Ti-5Al-2.5Sn。2鈦合金(TB)鈦中加入Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Mo、V、W、Nb、Ta等相穩(wěn)定元素，可以獲得體心立方的鈦合金。鈦合金又可以分為可熱處理的（亞穩(wěn)定）鈦合金和熱穩(wěn)定鈦合金?？蔁崽幚淼拟伜辖鸸倘?/p>

19、強化程度大，可通過熱處理實現析出強化。鈦合金在淬火狀態(tài)下有非常好的工藝塑性，可以進行板材冷加工成型，并能通過時效處理獲得較高的室溫抗拉強度。為了使高溫的相在室溫附近穩(wěn)定，必須添加較多的穩(wěn)定性元素，因此固溶強化程度大，鈦合金可以通過加工和熱處理技術獲得高強度的鈦合金。典型的牌號是TB1-(Ti-3Al-13V-11Cr), TB2-(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)及TB8-(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.25Si).3+鈦合金(TC)含有較多的鈦相穩(wěn)定元素，在室溫穩(wěn)定狀態(tài)由相和相所組成的鈦合金，相一般為10%-50%。鈦中加入相穩(wěn)定元素和相穩(wěn)定元素所得到的+鈦合金兼有鈦合金和鈦合

20、金的優(yōu)點，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，+鈦合金與鋼一樣有淬透性，可通過淬火和時效進行強化，其強度與化學成分、淬火冷卻速度、工件尺寸關系較大，熱處理后強度可提高50-100%。典型的牌號是TC4, 成分為Ti-6Al-4V。該合金經淬火和時效處理后，顯微組織為+針狀相，針狀相是時效時從相析出的。該合金由于強度高、塑性好、低溫時有良好的韌性，并有良好的抗海水應力腐蝕和抗熱鹽應力腐蝕的能力，所以應用比較廣。用于制造在400以下長期工作的零件，要求一定高溫強度的發(fā)動機零件和低溫下使用的部件，如火箭、導彈的液氫燃料箱等。4.3.3 軸承合金滑動軸承是汽輪機、飛機、機車、拖拉機、汽車等內燃機、動力機械上的重要耐磨零件。在滑動軸承中，制造軸承內襯的金屬材料稱為軸承合金。軸承合金是制造滑動軸承中的軸瓦和內襯的材料。當軸旋轉時，軸瓦和軸發(fā)生強烈的摩擦，并承受軸頸傳給的周期性載荷。軸承材料應該是既軟又硬。太硬，會磨損軸頸；太軟，承載能力又太低。因此一般采用軟基體上分布硬質點的方法，也可用硬基體上分布軟質點的方法。軸承材料要求有如下的性能足夠的力學性能，（