《核用材料讲课稿》PPT课件.ppt

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1、核核 用用 材材 料料预预 热热n n学而不思则罔学而不思则罔,思而不学则殆。思而不学则殆。n n学问学问n n技能、形象、态度、道德技能、形象、态度、道德今天计划讲点什么？今天计划讲点什么？n n基本内容基本内容n n两个案例两个案例n n几道判断题和选择题几道判断题和选择题 定义：定义：材料材料是人类社会所能接受的是人类社会所能接受的、经济地、经济地制造有用器件（或物品）的物质。制造有用器件（或物品）的物质。金属材料金属材料，陶瓷材料，陶瓷材料，高分子材料，复合材料高分子材料，复合材料目目 录录一一.金属材料金属材料 二二.金属材料加工金属材料加工三三.金属材料在运行时产生的常见缺陷金属材

2、料在运行时产生的常见缺陷分目录分目录一一.金属材料金属材料 n n金属材料基本概念金属材料基本概念金属材料基本概念金属材料基本概念 n n核设备常用结构材料核设备常用结构材料核设备常用结构材料核设备常用结构材料 n n核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料 n n金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念1 1 1 1 金属材料的化学成分金属材料的化学成分金属材料的化学成分金属材料的化学成分钢和铸铁钢和铸铁 钢钢：含碳量小于含碳量小于2.11%2.11%2.11%2.11%的铁碳合金的铁碳合金。

3、铸铁或生铁铸铁或生铁：含碳量大于含碳量大于2.11%2.11%2.11%2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。铁素体铁素体F F、渗碳体渗碳体FeFe3 3C C、珠光体珠光体P P、奥氏体奥氏体A A及其性能及其性能n n铁铁铁铁素素素素体体体体是是碳碳溶溶解解于于-Fe-Fe中中形形成成的的间间隙隙固固溶溶体体，常常用用F F或或表表示示。铁铁素素体体的的性性能与纯铁相近，即强度、硬度低，塑性、韧性好。能与纯铁相近，即强度、硬度低，塑性、韧性好。n n渗渗渗渗碳碳碳碳体体体体是是铁铁和和碳碳的的金金属属化化合合物物，分分子子式式为为FeFe3 3C C，含含碳碳量量为为6.69%6.69%，其

4、其特特点点是是熔熔点高，硬度高，点高，硬度高，HB800HB800，脆性大，塑性、韧性极低。脆性大，塑性、韧性极低。n n珠珠珠珠光光光光体体体体是是铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体两两相相组组成成的的机机械械混混合合物物。用用P P表表示示，平平均均含含碳碳量量为为0.77%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。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。n n奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体是是碳碳在在-Fe-Fe中中形形成成的的间间隙隙固固溶溶体体，常常用用A A或或表表示示。727727时时，溶溶碳碳量量为为0.77%0.77%，11481148时

5、为时为2.11%2.11%。奥氏体为顺磁性，其硬度较低，塑性较好。奥氏体为顺磁性，其硬度较低，塑性较好。n n莱氏体莱氏体莱氏体莱氏体是是奥氏体奥氏体和和渗碳体渗碳体的机械混合物的机械混合物,用用LeLe表示表示。关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念铁碳合金状态图铁碳合金状态图铁碳合金状态图铁碳合金状态图关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念碳钢及其分类与编号碳钢及其分类与编号n n碳钢是指含碳量在碳钢是指含碳量在0.02%-2.11%0.02%-2.11%0.02%-2.11%0.02%-2.11%之间的铁碳合金。之间的铁碳合金。n n(1)(1)碳钢的分类：碳

6、钢的分类：n n按按 含含 碳碳 量量 不不 同同 分分 为为 低低 碳碳 钢钢(C C 0.25%)0.25%)、中中 碳碳 钢钢(C C：0.25%-0.25%-0.55%)0.55%)和高碳钢和高碳钢(C C0.55%)0.55%)。n n按脱氧方式不同按脱氧方式不同分为沸腾钢分为沸腾钢(不完全脱氧不完全脱氧)和镇静钢和镇静钢(完全脱氧完全脱氧)。n n按按质质量量不不同同分分为为普普通通碳碳素素钢钢(S0.055%S0.055%，P0.045%)P0.045%)、优优质质碳碳素素钢钢(S0.045%S0.045%，P0.04%)P0.04%)和和 高高 级级 优优 质质 碳碳 素素 钢

7、钢(S0.03%S0.03%，P0.035%)P0.035%)。n n按用途不同按用途不同分为碳素结构钢分为碳素结构钢(C C0.7%)0.7%)和碳素工具钢和碳素工具钢(C0.7%)C0.7%)。关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念(2)(2)碳钢的编号碳钢的编号：GB221-63GB221-63钢钢铁铁材材料料牌牌号号表表示示方方法法规规定定：钢钢材材牌牌号号采采用用化化学学元元素符号和汉语拼音缩写字母并用的方法表示。素符号和汉语拼音缩写字母并用的方法表示。普普普普通通通通碳碳碳碳素素素素钢钢钢钢：分分为为甲甲类类、乙乙类类和和特特类类三三种种。甲甲类类钢钢：只只保保证证机

8、机械械性性能能，不不保保证证化化学学成成分分，用用A1A1、A2A2、A7A7表表示示，强强度度高高，塑塑性性低低。乙乙类类钢钢：只只保保证证化化学学成成分分，不不保保证证机机械械性性能能，用用B1B1、B2B2、B7B7表表示示，数数字字大大，含含碳碳量量高高。特特类类钢钢：既既保保证证化化学学成成分分，又又保保证证机机械械性性能能，用用C1C1、C2C2、C7C7表示。表示。优优优优质质质质碳碳碳碳素素素素结结结结构构构构钢钢钢钢：既既保保证证化化学学成成分分，又又保保证证机机械械性性能能，含含C C、S S、P P量量较低。常用两位数字表示。如较低。常用两位数字表示。如2020号钢平均含

9、碳量为号钢平均含碳量为0.20%0.20%。碳碳碳碳素素素素工工工工具具具具钢钢钢钢：含含碳碳量量在在0.7%-1.35%0.7%-1.35%之之间间，用用T7T7、T8T8、T13T13表表示示。数数字字表表示示平平均均含含碳碳量量为为千千分分之之几几，如如T7T7表表示示平平均均含含碳碳量量为为0.7%0.7%。钢钢号号后后加加“A”A”，表示高级碳素工具钢，如表示高级碳素工具钢，如T7AT7A。关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念合金钢合金钢 在在碳碳钢钢中中有有目目的的地地加加入入一一些些合合金金元元素素的的钢钢，称称为为合合金金钢钢。常用合金元素有常用合金元素有CrC

10、r、NiNi、MoMo、TiTi、NbNb、W W、V V、SiSi等。等。(1)(1)合金钢的分类合金钢的分类：按按合合金金元元素素总总含含量量不不同同分分为为低低合合金金钢钢(5%)5%)、中中合合金金钢钢(5%-10%)(5%-10%)和高合金钢和高合金钢(10%)10%)。按用途不同按用途不同分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。按按退退火火或或正正火火状状态态下下组组织织不不同同分分为为珠珠光光体体钢钢、奥奥氏氏体体钢钢、马马氏体钢、贝氏体钢等氏体钢、贝氏体钢等。关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念n n合金钢的编号合金钢的编

11、号：合合金金结结构构钢钢：前前面面两两位位数数字字表表示示平平均均含含碳碳量量的的万万分分之之几，合金元素用百分之几表示。几，合金元素用百分之几表示。例例例例：12121212CrNi3CrNi3CrNi3CrNi3表表表表示示示示平平平平均均均均含含含含碳碳碳碳量量量量为为为为0.12%0.12%0.12%0.12%，含含含含铬铬铬铬量量量量为为为为1%1%1%1%，含含含含镍镍镍镍量量量量为为为为3%3%3%3%左左左左右。右。右。右。合合金金工工具具钢钢：前前面面数数字字表表示示含含碳碳量量，含含碳碳量量1%1%不不标标出出，含含碳碳量量1%1%，用用千千分分之之几几表表示示。合合金金元

12、元素素用用百百分分之之几几表示。表示。例：例：例：例：Cr12Mo Cr12Mo Cr12Mo Cr12Mo，C1%C1%C1%C1%，CrCrCrCr为为为为12%12%12%12%左右。左右。左右。左右。MoMoMoMo为为为为1%1%1%1%左右。左右。左右。左右。又又又又例：例：例：例：5 5 5 5CrNiMoCrNiMoCrNiMoCrNiMo，含碳量为含碳量为含碳量为含碳量为0.5%0.5%0.5%0.5%左右，左右，左右，左右，CrCrCrCr、NiNiNiNi、MoMoMoMo含量均为含量均为含量均为含量均为1%1%1%1%左右左右左右左右。关于金属材料的一些基本概念关于金属

13、材料的一些基本概念 不锈钢及其分类不锈钢及其分类 不锈钢是指含不锈钢是指含CrCrCrCr大于大于大于大于11%11%11%11%的合金钢，它是工业上最重要的的合金钢，它是工业上最重要的(高高)合金钢。合金钢。四大类：四大类：(1)(1)马马马马氏氏氏氏体体体体不不不不锈锈锈锈钢钢钢钢 含含CrCr12%12%(常常用用钢钢种种含含Cr13%Cr13%或或17%)17%)，不不含含NiNi或或含含少少量量Ni(Ni(约约2%)2%)。特点是可以经热处理硬化，获得高强度和高硬度。特点是可以经热处理硬化，获得高强度和高硬度。(2)(2)铁铁铁铁素素素素体体体体不不不不锈锈锈锈钢钢钢钢 含含Cr C

14、r 12%27%12%27%，含含NiNi0.5%0.5%。不不能能经经热热处处理理硬硬化化，但但可可经冷加工硬化。经冷加工硬化。(3)(3)奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体不不不不锈锈锈锈钢钢钢钢 含含CrCr16%18%16%18%，NiNi8%8%，非非磁磁性性，不不能能经经热热处处理理硬硬化化。可可经经冷冷加加工工硬硬化化。它它的的耐耐蚀蚀性性和和加加工工性性都都比比前前两两类类好好，用用途途最最广广泛泛。最最普普通通 的的 品品 种种 是是 1818Cr8NiCr8Ni钢钢（300300号号 不不 锈锈 钢钢，国国 内内 写写 法法：1 1Cr18Ni9Ti,Cr18Ni9Ti,0Cr18N

15、i9Ti0Cr18Ni9Ti）。(4)(4)沉沉沉沉淀淀淀淀硬硬硬硬化化化化钢钢钢钢(或或或或称称称称时时时时效效效效硬硬硬硬化化化化钢钢钢钢)含含Cr Cr 17%17%，Ni Ni 4.257%4.257%，还还可可含含少少量量CuCu、MoMo、AlAl、TiTi等。等。在在上上述述四四类类不不锈锈钢钢中中，奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体不不不不锈锈锈锈钢钢钢钢是是是是性性性性能能能能最最最最优优优优，用用用用途途途途最最最最大大大大的的的的钢钢钢钢种种种种。(防防防防腐腐腐腐，高强，良好的焊接性能高强，良好的焊接性能高强，良好的焊接性能高强，良好的焊接性能）关于金属材料的一些基本概念关于金属

16、材料的一些基本概念化学元素化学元素MnMn、SiSi、CrCr、NiNi、TiTi、S S、P P、C C对合金钢性能的影响对合金钢性能的影响(1)(1)锰锰锰锰(Mn)Mn)Mn)Mn)：锰锰具具有有脱脱氧氧作作用用，能能减减轻轻硫硫的的有有害害作作用用。含含锰锰量量适适当当，能能提提高高钢钢的的强强度度和和硬硬度度，增增加加钢钢的的耐耐磨磨性性，减减少少气气孔孔，提提高高焊焊缝缝的的抗抗热热裂裂性性能能，但但塑塑性性和和冲冲击击值值降降低低。当当Mn1%Mn1%时时，将将增增加加焊焊缝缝的的强强度度和和韧韧性性；当当MnMn1%1%时时，则则焊焊缝缝易易产产生生裂裂纹纹和和夹夹渣渣，焊焊接

17、接性性变变坏坏。压压力力容容器器用用碳碳钢钢中中的的含含锰锰量量一般在一般在0.35-0.65%0.35-0.65%之间。之间。(2)(2)硅硅硅硅(Si)Si)Si)Si)：硅硅是是强强脱脱氧氧剂剂，溶溶入入铁铁素素体体中中能能提提高高钢钢的的强强度度，使使焊焊缝缝致致密密均均匀匀，提提高高钢钢的的抗抗腐腐蚀蚀性性和和抗抗氧氧化化能能力力，加加工工硬硬化化作作用用强强。但但含含量量过过大大时时易易使使焊焊缝缝中中形形成成夹夹渣渣，同同时时降降低低抗抗弯弯角角度度和和冲冲击击韧韧性性，焊焊接接性性变变差差。压压力力容容器用碳钢中的含硅量一般在器用碳钢中的含硅量一般在0.15%-0.30%0.1

18、5%-0.30%之间。之间。(3)(3)铬铬铬铬(Cr)Cr)Cr)Cr):为为了了提提高高钢钢的的耐耐腐腐蚀蚀性性能能,要要提提高高铁铁基基固固溶溶体体的的电电极极电电位位,使使其其在在氧氧化化介介质质作作用用下下,表表面面形形成成致致密密的的、稳稳定定的的钝钝化化膜膜,在在这这方方面面铬铬是是最最有有效的合金元素。铬在奥氏体不锈钢中最低含量为效的合金元素。铬在奥氏体不锈钢中最低含量为11.7%11.7%。关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念化学元素化学元素MnMn、SiSi、CrCr、NiNi、TiTi、S S、P P、C C对合金钢性能的影响对合金钢性能的影响(4)(4)

19、镍镍镍镍(Ni)Ni)Ni)Ni):镍是扩大奥氏体区的元素镍是扩大奥氏体区的元素,将镍提高至将镍提高至8%8%时时,合金在常温下合金在常温下也具有奥氏体组织也具有奥氏体组织,除具有除具有耐腐蚀性能耐腐蚀性能外外,还具有冷变形性能、焊接性能、还具有冷变形性能、焊接性能、冲击韧性和没有磁性等冲击韧性和没有磁性等。(5)(5)钛钛钛钛(Ti)Ti)Ti)Ti):钛钛加加于于不不锈锈钢钢中中是是为为了了防防止止晶晶间间腐腐蚀蚀,必必须须要要与与碳碳保保持持一一定定比比例例。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。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)(6)硫硫硫硫(

20、S)S)S)S)：硫硫是是钢钢中中的的有有害害杂杂质质，含含硫硫量量多多时时，晶晶界界存存在在低低熔熔点点组组成成相相，在在热热加加工工过过程程中中容容易易产产生生热热裂裂现现象象，即即热热脆脆。焊焊接接时时，容容易易导导致致焊焊缝缝热热裂裂。在在焊焊接接过过程程中中硫硫易易与与氧氧化化合合，生生成成SOSO2 2，使使焊焊缝缝中中产产生生气气孔孔和和疏疏松松。故故应应限限制含硫量。压力容器用碳钢中含硫量一般控制在制含硫量。压力容器用碳钢中含硫量一般控制在0.045%0.045%以下。以下。关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念化学元素化学元素MnMn、SiSi、CrCr、NiN

21、i、TiTi、S S、P P、C C对合金钢性能的影响对合金钢性能的影响(7)(7)磷磷磷磷(P)P)P)P)：磷是钢中有害杂质，能与碳化合，并析出脆性化合磷是钢中有害杂质，能与碳化合，并析出脆性化合物物(FeFe3 3P)P)，使钢的使钢的塑性塑性、韧性韧性，特别是，特别是冲击值冲击值明显下降，在低明显下降，在低温时尤为显著，即出现温时尤为显著，即出现冷脆现象冷脆现象。磷的存在使钢的焊接性变坏，。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%0.04%以下。以下。(8)(8)碳碳碳碳(C)C)C)C)：

22、碳是钢中的重要碳是钢中的重要强化元素强化元素。含碳量增加，钢的强度。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结合成碳化铬碳化铬,降低不锈钢的耐腐蚀性能降低不锈钢的耐腐蚀性能,所以含碳量都比较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低。故一般压力容器用钢含碳量必须控制在0.24%0.24%以下。以下。关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念 铁铁碳钢碳钢合金钢合金钢（低合金钢）（低合金钢）不锈钢不锈钢镍基合金镍基合金Monel/镍铜镍铜Inconel/镍基镍基Incoloy/铁

23、镍基铁镍基Cr11C2.11%188奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢CrCr、NiNi、MoMo、TiTi、SiSi 关于金属材料的一些基本概念关于金属材料的一些基本概念高高温温工工作作条条件件对对材材料料的的要求要求n n对对制制造造高高温温容容器器用用钢钢的的要要求求是是：在在高高温温条条件件下下，具具有有足足够够的的强强度度、稳稳定定性性和高温抗氧化性能。和高温抗氧化性能。n n高高温温容容器器用用钢钢不不宜宜选选用用碳碳钢钢，因因为为碳碳钢在钢在300300以上时，强度显著下降。以上时，强度显著下降。n n 400400900900是是 18188 8奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢的的敏敏化化温温度

24、度区区间间（产产生生晶晶间间腐腐蚀蚀的的碳碳化物析出区化物析出区 晶间腐蚀晶间腐蚀 有害）。有害）。分目录分目录n n金属材料金属材料 n n金属材料基本概念金属材料基本概念金属材料基本概念金属材料基本概念 n n核设备常用结构材料核设备常用结构材料核设备常用结构材料核设备常用结构材料 n n核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料 n n金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能1.1.核用材料性能核用材料性能的总体要求的总体要求(概念）概念）1）核性能中子吸收截面，活化截面，半衰期中子吸收截面，活化截面，半衰期2）力学性能强度，塑韧性，耐热性强

25、度，塑韧性，耐热性3）化学性能化学稳定性，抗腐蚀性，相容性化学稳定性，抗腐蚀性，相容性4）物理性能导热，热膨胀，熔点，晶体结构稳导热，热膨胀，熔点，晶体结构稳定定 5）辐照性能辐照敏感辐照敏感6）工艺性能加工，制造，焊接等加工，制造，焊接等7）经济性材料来源，生产工艺，制造成本材料来源，生产工艺，制造成本1.1.核用材料性能核用材料性能的总体要求的总体要求（规范（规范/标准）标准）1)1)选用的化学成分；选用的化学成分；2)2)交货件的热处理；交货件的热处理；3)3)根据可焊性要求须作的加速晶间腐蚀试验；根据可焊性要求须作的加速晶间腐蚀试验；4)4)室温下的力学性能；室温下的力学性能；5)5)

26、设设计计温温度度下下力力学学性性能能。即即：保保载载5 5分分钟钟测测定定残残余余伸伸长长0.2%0.2%条条件件下下屈屈服服强强度度。如如有有必必要要时时，也也适用测定抗拉强度。适用测定抗拉强度。2 2.核设备常用材料核设备常用材料反应堆冷却剂系统（也叫一回路系统）反应堆冷却剂系统（也叫一回路系统）高压（高压（1515MPaMPa）高温（高温（330330）强核辐照强核辐照(中子通量中子通量6106101010n/(cmn/(cm2 2s)s)工作寿命要求有工作寿命要求有3030年或更长。年或更长。对对核核设设备备材材料料的的一一般般选选用用要要求求必必须须满满足足耐耐腐腐蚀蚀、耐耐辐辐射射

27、、耐耐湿湿、耐耐温温热热和和耐疲劳耐疲劳等。等。也必须通过力学性能、腐蚀性能和辐照性能的试验。也必须通过力学性能、腐蚀性能和辐照性能的试验。规范规范规范规范要求要求要求要求：IAEAIAEA国际原子能机构国际原子能机构IAEA 50-C-D“IAEA 50-C-D“核电厂安全设计实施核电厂安全设计实施”法规法规美国美国ASME“ASME“锅炉和压力容器规范锅炉和压力容器规范”第第IIIIII卷卷法法国国RCC-M“RCC-M“压压水水堆堆核核电电厂厂核核岛岛机机械械部部件件的的设设计计和和建建造造规规则则”第第IIII卷卷（M M卷）卷）SGSG传热管选材案例分析传热管选材案例分析0Cr18N

28、i10Ti 在含氯离子和含氧的高温水中，不同合金的耐应力在含氯离子和含氧的高温水中，不同合金的耐应力在含氯离子和含氧的高温水中，不同合金的耐应力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腐蚀性能腐蚀性能腐蚀性能（T T T T穿晶型，穿晶型，穿晶型，穿晶型，I I I I晶间型，晶间型，晶间型，晶间型，TITITITI穿晶晶间混合型）穿晶晶间混合型）穿晶晶间混合型）穿晶晶间混合型）钛合金钛合金1.钛合金：以钛为基体加入其它元素组成的合钛合金：以钛为基体加入其它元素组成的合金金2.比强度高（抗拉强度可达比强度高（抗拉强度可达10101414MPaMPa，而密度而密度仅为钢的仅为钢的60

29、60）；热强性好（可在）；热强性好（可在450450500500C C的温度下长期工作）；资源丰富。的温度下长期工作）；资源丰富。3.很耐海水腐蚀很耐海水腐蚀。4.大量用于核电厂设备冷却热交换器核冷凝器大量用于核电厂设备冷却热交换器核冷凝器的传热管的传热管 （配合于除盐装置，防腐）（配合于除盐装置，防腐）5.可用可用UT,ECT,PTUT,ECT,PT等多种等多种NDTNDT方法对其进行检方法对其进行检测。测。在海水中腐蚀电位在海水中腐蚀电位高低次序表高低次序表分目录分目录n n金属材料金属材料 n n金属材料基本概念金属材料基本概念金属材料基本概念金属材料基本概念 n n核设备常用结构材料核

30、设备常用结构材料核设备常用结构材料核设备常用结构材料 n n核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料 n n金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能燃料元件包壳材料燃料元件包壳材料n n性能要求：1)热中子吸收截面小，感生放射性小，半衰期热中子吸收截面小，感生放射性小，半衰期短；短；2)强度好、塑韧性好、抗腐蚀性强、对晶间腐强度好、塑韧性好、抗腐蚀性强、对晶间腐蚀、应力腐蚀和吸氢不敏感；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；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，与材料和冷却剂导热率高、热膨胀系数小，与

31、材料和冷却剂相容性好；相容性好；5)易加工、便于焊接和成本低廉。易加工、便于焊接和成本低廉。燃料元件包壳材料燃料元件包壳材料（续）（续）n n适宜作包壳用的材料：1)铝及铝合金铝及铝合金2)镁合金镁合金3)锆合金锆合金锆合金锆合金4)奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢5)高密度热解炭（石墨）高密度热解炭（石墨）几种锆合金的成分几种锆合金的成分【质量分数（）】分目录分目录n n金属材料金属材料 n n金属材料基本概念金属材料基本概念金属材料基本概念金属材料基本概念 n n核设备常用结构材料核设备常用结构材料核设备常用结构材料核设备常用结构材料 n n核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料核燃料元件常用材料核

32、燃料元件常用材料 n n金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能1 1 1 1.材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能(机械性能机械性能机械性能机械性能)材料的机械性能及指标材料的机械性能及指标n n金金属属材材料料的的机机机机械械械械性性性性能能能能：是是指指金金属属材材料料在在一一定定的的温温度度条条件件下下受受到到外外力力作作用时，抵抗变形和断裂的能力，又称材料的用时，抵抗变形和断裂的能力，又称材料的力学性能力学性能力学性能力学性能。n n机机械械性性能能包包括括强强度度、硬硬度度、韧韧性性、塑塑性性等等。对对于于压压力力容容

33、器器用用材材料料，最最重要的是材料的强度、塑性和韧性指标。重要的是材料的强度、塑性和韧性指标。n n一一般般材材料料的的强强度度和和塑塑性性通通过过拉拉伸伸试试验验测测定定，韧韧性性通通过过冲冲击击试试验验测测定定，硬度通过硬度试验测定。硬度通过硬度试验测定。*比例极限；比例极限；比例极限；比例极限；*弹性极限；弹性极限；弹性极限；弹性极限；*屈服强度；屈服强度；屈服强度；屈服强度；*极限强度；极限强度；极限强度；极限强度；*断裂强度断裂强度断裂强度断裂强度金属材料的性能（续）金属材料的性能（续）塑性材料的应力塑性材料的应力 应变曲线应变曲线金属材料的性能（续）金属材料的性能（续）脆性材料的脆

34、性材料的应力应变曲线应力应变曲线金属材料的性能（续）金属材料的性能（续）强度强度n n强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。塑性塑性n n金属材料在外力作用下产生永久变形的能力，叫做塑性。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延伸率和断面收缩率硬度硬度n n硬硬度度是是指指金金属属材材料料抵抵抗抗硬硬物物压压入入其其表表面面的的能能力力。它它表表示示金金属属材材料料的的坚坚硬硬程程度。度。n n布氏硬度试验法、洛氏硬度和维氏硬度试验法。布氏硬度试验法、洛氏硬度和维氏硬度试验法。金属的冲击韧性金属的冲击韧

35、性n n冲冲击击韧韧性性是是指指金金属属材材料料在在冲冲击击载载荷荷（指指突突然然增增加加的的载载荷荷）作作用用下下，抵抵抗抗破破坏的能力坏的能力。金属材料的性能（续）金属材料的性能（续）脆脆 性性 转转 变变 温温 度度(NDTT-Nil(NDTT-Nil Ductility Ductility Transition Transition Temperature)Temperature)n n冲冲击击韧韧性性与与试试验验温温度度有有关关。在在低低温温下下，材材料料会会出出现现由由塑塑性性状状态态转转变变为为脆脆性性状状态态。使使材材料料的的冲冲击击韧韧性性值值急急剧剧降降低低的的温温度，叫做

36、脆性转变温度。度，叫做脆性转变温度。n n脆性转变温度越低的金属，越能在低温下承受冲击载荷。脆性转变温度越低的金属，越能在低温下承受冲击载荷。n n脆性转变温度的高低也是金属材料的性能指标之一。脆性转变温度的高低也是金属材料的性能指标之一。什么是断裂力学什么是断裂力学?n n它是研究带裂纹物体的强度以及裂纹扩展规律的它是研究带裂纹物体的强度以及裂纹扩展规律的一门科学。一门科学。n n断裂力学是建立在断裂力学是建立在“缺陷理论缺陷理论”的基础上，即认的基础上，即认为断裂的发生是由于材料中存在不可避免的微小为断裂的发生是由于材料中存在不可避免的微小裂纹而引起。裂纹而引起。n n解释了解释了“低应力

37、脆断低应力脆断”现象。现象。n n剩余强度慨念。剩余强度慨念。线弹性断裂力学的基本概念线弹性断裂力学的基本概念 由由裂纹引起的破坏类型裂纹引起的破坏类型裂纹引起的破坏类型裂纹引起的破坏类型n n1)1)1)1)脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂n n2)2)2)2)韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂n n3)3)3)3)疲劳疲劳疲劳疲劳n n4)4)4)4)蠕变蠕变蠕变蠕变n n5)5)5)5)腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀 应应应应力力力力强强强强度度度度因因因因子子子子（K K K K）：K K K K反反反反映映映映了了了了裂裂裂裂纹纹纹纹端端端端的的的的应应应应力力力力场场场场的的的的强强强强弱弱弱弱程

38、程程程度度度度，也也也也就就就就是是是是说说说说可可可可以以以以用用用用K K K K来来来来描描描描述述述述裂裂裂裂纹纹纹纹尖尖尖尖端端端端应应应应力力力力场场场场的的的的强强强强弱弱弱弱，进进进进而判断裂纹是否进入临界状态。而判断裂纹是否进入临界状态。而判断裂纹是否进入临界状态。而判断裂纹是否进入临界状态。材材材材料料料料的的的的断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性（K K K K1c1c1c1c ）：表表表表示示示示了了了了材材材材料料料料阻阻阻阻抗抗抗抗裂裂裂裂纹纹纹纹扩扩扩扩展展展展的的的的能能能能力力力力，可可可可看看看看作作作作是是是是材材材材料料料料抵抵抵抵抗抗抗抗脆脆脆脆性性性性

39、破破破破坏坏坏坏能能能能力力力力的的的的一一一一个个个个断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性参参参参量量量量。断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性可可可可以以以以说说说说既既既既是是是是强强强强度度度度指指指指标标标标，又又又又是是是是韧韧韧韧性性性性指指指指标标标标。在在在在一定条件下，它是一个材料常数一定条件下，它是一个材料常数一定条件下，它是一个材料常数一定条件下，它是一个材料常数。线弹性断裂力学的基本概念线弹性断裂力学的基本概念（续）（续）n n 判断裂纹体是否安全？判断裂纹体是否安全？判断裂纹体是否安全？判断裂纹体是否安全？K K K KK K K K1C1C1C1C裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展

40、裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展(破坏破坏破坏破坏)K K K KK K K K1C1C1C1C裂纹不扩展裂纹不扩展裂纹不扩展裂纹不扩展(安全安全安全安全)n n开裂的三种类型开裂的三种类型开裂的三种类型开裂的三种类型 线弹性断裂力学的基本概念线弹性断裂力学的基本概念（续）（续）n n疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率 da/dNda/dNC(K)C(K)n n 断裂力学的工程应用断裂力学的工程应用n n应用断裂力学方法所需要的信息应用断裂力学方法所需要的信息应用断裂力学方法所需要的信息应用断裂力学方法所需要的信息(1)(1)(1)(1)确定最小可检测到的裂纹长度。确定最

41、小可检测到的裂纹长度。确定最小可检测到的裂纹长度。确定最小可检测到的裂纹长度。(2)(2)(2)(2)在在在在结结结结构构构构含含含含裂裂裂裂纹纹纹纹的的的的前前前前提提提提下下下下，预预预预计计计计剩剩剩剩余余余余强强强强度度度度；根根根根据据据据所所所所要求的失效安全载荷，确定临界裂纹长度。要求的失效安全载荷，确定临界裂纹长度。要求的失效安全载荷，确定临界裂纹长度。要求的失效安全载荷，确定临界裂纹长度。(3)(3)(3)(3)建立所期望的加载历史。建立所期望的加载历史。建立所期望的加载历史。建立所期望的加载历史。(4)(4)(4)(4)确确确确定定定定从从从从最最最最小小小小可可可可检检检

42、检测测测测裂裂裂裂纹纹纹纹尺尺尺尺寸寸寸寸扩扩扩扩展展展展至至至至临临临临界界界界裂裂裂裂纹纹纹纹尺尺尺尺寸的裂纹扩展曲线。寸的裂纹扩展曲线。寸的裂纹扩展曲线。寸的裂纹扩展曲线。(5)(5)(5)(5)具有预计易引发裂纹部位的知识。具有预计易引发裂纹部位的知识。具有预计易引发裂纹部位的知识。具有预计易引发裂纹部位的知识。(6)(6)(6)(6)考考考考虑虑虑虑所所所所及及及及结结结结构构构构或或或或部部部部件件件件可可可可达达达达性性性性因因因因素素素素，实实实实现现现现可可可可靠靠靠靠的检测。的检测。的检测。的检测。断裂力学的工程应用断裂力学的工程应用（续）（续）n n选择最有效的检测方法与

43、下列因素有关：选择最有效的检测方法与下列因素有关：选择最有效的检测方法与下列因素有关：选择最有效的检测方法与下列因素有关：(1)(1)(1)(1)可达性；可达性；可达性；可达性；(2)(2)(2)(2)检测技术的灵敏性和最小可检裂纹长度；检测技术的灵敏性和最小可检裂纹长度；检测技术的灵敏性和最小可检裂纹长度；检测技术的灵敏性和最小可检裂纹长度；(3)(3)(3)(3)检测频率。检测频率。检测频率。检测频率。直接法直接法应用说明应用说明1.目视目视只只适适用用于于易易达达区区域域，检检测测微微小小裂裂纹纹则则需需要要较较多多的的经经验。验。2.液体渗透液体渗透只适用于易达区域，与目视检测具有同级

44、别的检测只适用于易达区域，与目视检测具有同级别的检测灵敏度。灵敏度。3.磁粉磁粉只只适适用用于于磁磁性性材材料料，需需要要拆拆卸卸部部件件，在在专专门门的的机机构构上上进进行行检检测测。缺缺口口或或不不平平会会产产生生显显示示信信号号，是是灵灵敏敏的检测方法。的检测方法。4.射线射线用用途途广广泛泛，灵灵敏敏度度高高。若若在在角角焊焊缝缝或或加加强强筋筋边边缘缘有有裂裂纹纹，则则评评片片较较难难，厚厚板板中中的的小小平平面面裂裂纹纹不不易易检检测测到。到。检测方法及与结构断裂相关的特点检测方法及与结构断裂相关的特点 间接法间接法应用说明应用说明1.超声波超声波通通过过选选择择不不同同的的探探头

45、头和和输输入入脉脉冲冲,可可应应用用广广泛泛.获获取取缺陷的尺寸和性质则有一定的难度缺陷的尺寸和性质则有一定的难度.2.涡流涡流便便宜宜，宜宜于于使使用用。线线圈圈可可做做得得足足够够小小，以以实实现现伸伸入入孔孔内内进进行行检检测测。若若应应用用的的人人技技能能高高，则则可可达达较较高高的的灵灵敏敏度度。对对缺缺陷陷的的性性质质和和尺尺寸寸基基本本不不知知或或知知之之甚甚少少.。3.声发射声发射结结构构加加载载，方方可可检检测测，可可连连续续监监督督。设设备备昂昂贵贵，对对信号的解释有一定的难度。信号的解释有一定的难度。检测方法及与结构断裂相关的特点检测方法及与结构断裂相关的特点（续）（续）

46、断裂力学的工程应用断裂力学的工程应用（续）（续）n n中子辐照对材料性能的影响中子辐照对材料性能的影响中子辐照对材料性能的影响中子辐照对材料性能的影响 n n脆性断裂与温度的关系脆性断裂与温度的关系脆性断裂与温度的关系脆性断裂与温度的关系:必须有下列三个条件同时存在必须有下列三个条件同时存在必须有下列三个条件同时存在必须有下列三个条件同时存在才会产生脆性断裂：才会产生脆性断裂：才会产生脆性断裂：才会产生脆性断裂：n n(1)(1)(1)(1)必须有缺陷必须有缺陷必须有缺陷必须有缺陷(裂纹或缺口裂纹或缺口裂纹或缺口裂纹或缺口)存在；存在；存在；存在；n n(2)(2)(2)(2)必须有足够大的拉

47、伸应力存在；必须有足够大的拉伸应力存在；必须有足够大的拉伸应力存在；必须有足够大的拉伸应力存在；n n(3)(3)(3)(3)金属必须处在足够低的温度下。金属必须处在足够低的温度下。金属必须处在足够低的温度下。金属必须处在足够低的温度下。qq中中中中子子子子辐辐辐辐照照照照对对对对脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂的的的的影影影影响响响响:材材材材料料料料经经经经辐辐辐辐照照照照后后后后，脆脆脆脆性转变温度将会升高。性转变温度将会升高。性转变温度将会升高。性转变温度将会升高。大亚湾核电站反应堆钢材脆性转变温度大亚湾核电站反应堆钢材脆性转变温度随中子注量的变化随中子注量的变化-27-27C 30C

48、 30年年年年 25 25 C C 上升上升上升上升 52 52 C C-27C25C国外规范推荐的断裂力学分析方法国外规范推荐的断裂力学分析方法n nASMEASMEASMEASME第第第第IIIIIIIIIIII卷附录卷附录卷附录卷附录G G G G和和和和ASMEASMEASMEASME第第第第XIXIXIXI卷附录卷附录卷附录卷附录A A A A n n方法的基础是线弹性断裂力学方法的基础是线弹性断裂力学方法的基础是线弹性断裂力学方法的基础是线弹性断裂力学 n n方法方法方法方法：1)1)1)1)将缺陷化成可以进行分析的形状将缺陷化成可以进行分析的形状将缺陷化成可以进行分析的形状将缺陷

49、化成可以进行分析的形状；2)2)2)2)求出反应堆寿命期间在各种状态下相应的应求出反应堆寿命期间在各种状态下相应的应求出反应堆寿命期间在各种状态下相应的应求出反应堆寿命期间在各种状态下相应的应力；力；力；力；3)3)3)3)算出恰当的应力强度因子；算出恰当的应力强度因子；算出恰当的应力强度因子；算出恰当的应力强度因子；4)4)4)4)试验测出材料的断裂韧性值；试验测出材料的断裂韧性值；试验测出材料的断裂韧性值；试验测出材料的断裂韧性值；5)5)5)5)采用线弹性断裂力学方法计算裂纹的扩展和采用线弹性断裂力学方法计算裂纹的扩展和采用线弹性断裂力学方法计算裂纹的扩展和采用线弹性断裂力学方法计算裂纹

50、的扩展和缺陷的临界尺寸；缺陷的临界尺寸；缺陷的临界尺寸；缺陷的临界尺寸；n n与第与第与第与第IIIIIIIIIIII卷卷卷卷IWB-3600IWB-3600IWB-3600IWB-3600中的判据进行比较以确定缺陷的中的判据进行比较以确定缺陷的中的判据进行比较以确定缺陷的中的判据进行比较以确定缺陷的可接受程度。可接受程度。可接受程度。可接受程度。ASMEASME第第XIXI卷附录卷附录A A推荐的显示验收流程示意图推荐的显示验收流程示意图分目录分目录n n金属材料加工金属材料加工n n热处理热处理热处理热处理 n n压力加工压力加工压力加工压力加工 n n焊接焊接焊接焊接 n n铸造铸造铸造