核材料概論培訓(xùn)正式課件第

目錄前核電站是以反應(yīng)堆作為鍋爐的發(fā)電站.壓水材料發(fā)展歷人類社會的發(fā)展歷程，是以材料為主要標(biāo)志的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進(jìn)行加工，使之成為器皿和精致的工具，從而進(jìn)入新石器時代 塑料，以及綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合合成化工原料和特殊工藝的發(fā)展，使陶瓷材料產(chǎn)生了1)各國反應(yīng)堆運行經(jīng)驗表明，運行上出現(xiàn)的問題或故障搶修，多半與料有關(guān)反應(yīng)堆材料的工況復(fù)雜，除受溫度、應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)作用外，還子輻照，引起材料性能 ，對核電廠運行核安全存 在設(shè)計和 應(yīng)堆過程中，每個部件、每個環(huán)節(jié)都離不開材料題從降低成本、延 和改進(jìn)堆型考慮，必須涉及合理選材、改進(jìn)藝和開發(fā)新材料的問題核電站的定型化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和商品化的各階段，都需要料試驗數(shù)據(jù)作基礎(chǔ)一.金屬學(xué)基本知自然界中的固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子、離子）的瀝青、玻璃等。而絕大多數(shù)的固態(tài)物質(zhì)都是晶體。例如，固態(tài)金及原子間的結(jié)合方式所致。金屬晶體是依靠各正離子與共有自由電子間的引力而結(jié)合起來。而離子與離子間及電子與電子間的斥力則與這種引力相平衡，使金屬處于穩(wěn)定的晶體狀態(tài)。金屬原子的這種結(jié)合方式稱為“金屬鍵”就形成一個空間格架，這種空間格架稱為晶格。晶格中的每個點稱為 晶 晶、、面心立方晶格：具有較高的塑性，屬于這類晶格的金屬有γ-Fe、鎳、鋁Fe3C、鎂、鋅、鎘；

體心立 面心立 密排六---晶向指數(shù)、晶向---晶面指數(shù)、晶面---晶胞中原子---配位---致密---晶體結(jié)構(gòu)中的間隙：四面體間隙與八面體面心立方4體心立方28密排六方-6單晶體:有向性。體結(jié)構(gòu)一定的條件下，缺陷成為影響材料性能的重要因素。置換固溶間隙固溶溶質(zhì)原子填充到母相的間隙位置由于金屬間化合物的形成區(qū)處于二元相圖上兩個固溶體的中間位故稱為中間相中間相的形成受原子大小，電子濃度和化學(xué)親和力的影響，進(jìn)而成各種類型的中間相合金點缺陷：三尺寸非常小，其大小和實際材料在空間上占有的尺寸相比刃型余范刃型位錯如圖所示。設(shè)有一簡單立方結(jié)構(gòu)的晶體，在切應(yīng)力的作用下發(fā)生局部滑移，發(fā)生局部晶體內(nèi)在垂直方向出現(xiàn)了一個多余受到壓應(yīng)力，而下部鄰近范圍受到拉應(yīng)力，離位錯線較遠(yuǎn)處原子列正常。通常稱晶體上半部多出原子面的位錯為正刃型位錯，用符“┴”表示，反之為負(fù)刃型位錯，用“┬”余范螺型螺型位錯如圖-所示。設(shè)想在簡單立方晶體右端施加一切應(yīng)力，使右端ABCD滑移面上下兩部分晶體發(fā)生一個原子間距的相對切變，從()中可以看出，在已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界處，AB線兩側(cè)的上下兩層原子發(fā)生了錯排和不對齊現(xiàn)象，它們圍繞著AB線連成了一個螺旋線，而被AB線所貫穿的一組原來是平行的晶面則變成了一個以AB線為軸的螺旋面。鑒于原子的這種排列特點，此種晶格缺陷被稱為螺型位錯。螺旋位錯分為左旋和右旋。以大拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面的旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則的稱右旋螺旋位錯，符合左手法則的稱左旋螺旋位錯。圖-1為右旋螺旋位錯。解釋晶體的實際強(qiáng)度為什么遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)金屬的塑性變形是通過滑移進(jìn)行的,必將破壞金屬原子之間的結(jié)合鍵位錯區(qū)域原子處于亞穩(wěn)狀態(tài)，只需很低的外力能使原子離開平置，發(fā)生滑晶體為什么出現(xiàn)加工硬晶體加工過程實際是位錯的移動過程，包括位錯的滑移和攀移晶體在塑性變形過程中，位錯密度不斷增位錯周圍彈性應(yīng)力場不斷增大位錯交互作用增強(qiáng)，位錯的移 3)金屬退火---位錯在內(nèi)應(yīng)力作用下通過滑移和攀移而重新排列，以及正負(fù)錯抵消，使位錯密度下降4）固溶強(qiáng)---沉淀相和彌散相周圍應(yīng)力場阻礙位錯移金屬在外力作用下所引起的尺寸和形狀的變化稱為變形。變形可分為三個階段，即彈性變形階段；彈性-塑性變形階段；斷裂。在三個階段中，對金屬的組織和性能影響最大的是彈性-塑性變形部分。晶界滑動和擴(kuò)散性蠕變:扭折(形變帶):滑移示意 裂幾個階段 組織的變性能的變產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)金屬在固態(tài)時，隨著溫度的變化，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與結(jié)晶過程類似，也有晶核形成與長大兩個過程，稱重結(jié)晶或二次結(jié)晶。但重結(jié)晶轉(zhuǎn)變所需時間較長，快速冷卻的條件，實際轉(zhuǎn)變溫度大為降低，過冷度較大，轉(zhuǎn)變時由于晶排列密度不同，轉(zhuǎn)變后的體積一般也將發(fā)生變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵能夠進(jìn)行熱處理的內(nèi)因和根據(jù)，也是料性能多樣性、用途廣泛的原因之一１．熱加工與冷加工的回復(fù)階段性能與組織的變硬度和流變應(yīng)力的變化隨金屬而異。像密排六方金屬、Cd化；而Cu則直接加熱到350Fe在350。結(jié)晶時，首先是在液態(tài)金屬中形成一些極微小的晶體，然后以其中部分微小晶體（晶核 不斷地在液態(tài)金屬中長大，這種方式稱為自發(fā)形核此外液體金屬中會存在一些外來的固體粒子，金屬結(jié)晶時，某些雜質(zhì)會促進(jìn)晶核的形成，這種形核方式稱為非自發(fā)形核。結(jié)晶過程就形成晶核和晶核長大的過程，這是物質(zhì)結(jié)晶的普遍規(guī)律。隨著晶核的不斷形成和長大，長大起來的晶體在某個方向彼些相遇時，這個方集著低雜質(zhì)和非金屬夾雜物，強(qiáng)度和塑性變差。鑄錠傾斜樹枝晶T大型鋼錠宏觀組織示意鐵素體：碳在α-Fe中的固溶體，常用Ｆ（或α）奧氏體：碳在γ-Fe中的固溶體，常用Ａ（或γ）珠光體：是鐵素體與滲碳體兩相層片相間的機(jī)械混合物，平均含碳量為％，用符號P萊氏體：是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，平均含碳量為4.3%，溫度低于727℃時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，故室溫時的萊氏體由珠光體和滲碳體組成。將奧氏體和滲碳體組成的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號Ld表示；而將珠光體和滲碳體組成的萊氏體稱為低溫萊氏體，用Ld表示。 Fe-Fe3CFe-Fe3CFe-Fe3C1.正確選可通過鐵碳合金的成分組織和性能之間的關(guān)系，分析選取合適的鋼：含碳量亞共析鋼共析鋼過共析鋼2.制定熱加工工通過Fe-Fe3C狀態(tài)圖可以確熱加工規(guī)范圖，給定合適的澆鑄溫區(qū)、鍛溫區(qū)及熱處理溫區(qū)等

擴(kuò)大A（奧氏體）增大過冷奧氏體的穩(wěn)定提高鋼的淬透性，形成強(qiáng)化所需的碳化碳含量增加，鋼的焊接性能劣化，熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬組冷變形性能變差C是保證合金強(qiáng)度滿足要求的主要元素，C含量低，強(qiáng)度不能滿足要求，含量過高，則焊接性能變差，同時，增加輻照脆化傾向奧氏體穩(wěn)定化元素降低奧氏體化溫度不形成碳化物，強(qiáng)化鐵素體使硬度稍有增加，主要提高鋼的韌性。如：發(fā)電機(jī)大軸2r2i4MoV含i的提高，主要是提高鋼的韌性。i能明顯改變鋼的冷態(tài)韌性，提高淬透性，但i含量高，則輻照脆性大，因此，在保證低溫韌性的情況下，盡量減少i的含量。合金元素對金屬組織和性能的影鐵素體穩(wěn)定化元中等碳化物形成元提高淬透性，易于形成M，空冷、爐冷就能產(chǎn)生r、溶于滲碳體中的σ相和℃脆性。合金元素對金屬組織和性能的影鐵素體穩(wěn)定化元提高淬透性為B熱強(qiáng)鋼的重要合金化元固溶強(qiáng)化，提高鋼的熱強(qiáng)性和蠕變抗回火形成彌散碳化物，二次硬含量0.5％時，能降低或抑止其它合金元素導(dǎo)致的回火脆合金元素對金屬組織和性能的影擴(kuò)大γ及i的強(qiáng)化；提高淬透性效果強(qiáng)于r；有增加晶粒粗化和回火脆性的傾向，且對過熱敏感，焊接脫氧劑－渣，出爐前加FeSi合金脫為硅鋼片、彈簧鋼主要合金對鐵素體有固溶強(qiáng)化作對焊接性不利，因焊接時噴濺嚴(yán)重，易導(dǎo)致對中、高碳鋼回火時易產(chǎn)生石墨合金元素對金屬組織和性能的影V、Ti、Nb、縮小γ-相區(qū)固溶狀態(tài)具有較強(qiáng)的強(qiáng)化作用最主要是回火二次硬化，彌散強(qiáng)可提高鋼的蠕變和持久強(qiáng)度降低不銹鋼的晶間腐蝕細(xì)化晶粒形成AB2，產(chǎn)生時效強(qiáng)化作W具有二次硬化作用，增加耐對淬透性、回火穩(wěn)定性、機(jī)械性能與熱強(qiáng)性能的影響，與Mo的作類似，但較Mo對鋼的抗氧化性擴(kuò)大A（奧氏體）區(qū)，但不無限互溶主要作用是改善普通低合金鋼的抗大氣腐蝕性可提高鋼的強(qiáng)當(dāng)銅含量較高時，由于改善了鋼液的流動性，會給焊接帶 ，加鋼的脆性傾向；對熱加工帶來不利的影響合金元素對金屬組織和性能的影N氮化物在晶界析出，提高晶界高溫強(qiáng)度，從而增加鋼的蠕變強(qiáng)形成C、N化物，有沉淀硬化作表面滲氮，提高硬度和耐磨性，改善抗蝕性在低碳鋼中，殘余N導(dǎo)致時效脆性B晶界強(qiáng)化元---鐵素體溶碳能力極差F具有良好的塑性和韌性，但硬度低（約為80～100HB），依靠合金元素強(qiáng)化。在℃以下具有鐵磁性。網(wǎng)狀，疲勞性能很差。針狀F（組織），亞共析鋼因為過熱而形成的粗晶奧氏體，在一定的定的結(jié)晶位向關(guān)系，塑性與沖擊韌性顯著下降，退火或正火消除---奧氏體

碳或合金元素溶于γ－Fe中的間隙固溶體。γ－Fe為面心立方結(jié)構(gòu)（0～HB。在金相組織中呈現(xiàn)為規(guī)則的多邊形。---滲碳體6.（B0P。Fe3CⅡ存在于過共析鋼和鑄鐵Fe3CⅢ只存在于C＜0.0218的超下B，黑色針狀，鐵素體內(nèi)均勻分布著彌散的碳化物。下B性能優(yōu)于上B，上B鋼中常見組錯M火低碳M二.鋼的熱處定義：鋼的熱處理就是將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)加熱到給定的溫度，經(jīng)過保溫，然后按選定的冷卻速度冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需的性能的一種工藝方法。對于低碳鋼，γ→α＋Fe3C晶體結(jié)構(gòu)變化使溶碳量從0.77～.2％，是熱處理的重要指導(dǎo)思想。 組織的臨界轉(zhuǎn)變溫度（臨界點）是極其緩慢的加熱或冷卻條件下測得的 A1：奧氏體和珠光體的轉(zhuǎn)變溫Acm:過共析鋼中二次滲碳體開始析出溶解終了的溫度Ac1：加熱時，由P→A的轉(zhuǎn)變溫Ar1：冷卻時，由A→P的轉(zhuǎn)變溫Ac3：加熱時，F(xiàn)溶解終了溫度Ar3：冷卻時，F(xiàn)開始析出溫度Acm：加熱時，二次滲碳體溶解終了溫；Arm：冷卻時，二次滲碳體開始析出溫；

共析鋼等溫轉(zhuǎn)變、連續(xù)冷卻C退火:把鋼加熱到一定的溫度,經(jīng)過保溫,然后緩慢冷卻的一種熱處理工藝方法.完全退火：Ac3＋30～50℃Ac1＋30～50℃消除應(yīng)力、降低硬度，改善加工性能。用于Ac1以下100～200例如：應(yīng)用于壓力容器的鋼板，加熱至Ac3＋30～50℃、空冷，冷速快、過淬火：把鋼件加熱到Ac1(共析鋼、過共析鋼）或Ac3(亞共析鋼）某一溫度，保溫一定時間，然后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻獲得馬氏（和）淬透性：鋼在淬火后能獲得淬硬層深度的一種性能，淬硬層越深，淬c0，使奧氏體→馬氏體。為亞穩(wěn)定狀態(tài)，C與合金元素在α-e中的過飽和固溶體，.→產(chǎn)生大的晶格畸變。高強(qiáng)度和硬度，但韌性差，內(nèi)應(yīng)力很大，容易產(chǎn)生裂紋。常見熱處理方回火：是把淬火鋼加熱到Ac1以下某一溫度，經(jīng)過保溫，然后緩慢冷卻或快速冷卻的熱處理工藝過程。主要用于，獲得所需組織，改善韌性、塑性，消高溫回火：500～650℃，回火索氏體。淬火＋高溫回火，調(diào)質(zhì)處理。具有一定的強(qiáng)度，同時又有較高的塑性和沖擊韌性?；鼗鸫嘈裕耗承┙Y(jié)構(gòu)鋼，在250~350℃回火會產(chǎn)生第一類回火脆性，不易消除，又稱為第一類回火脆性；某些合金結(jié)構(gòu)鋼（Cr鋼、Cr-Ni鋼）450~650℃回火后緩冷，會出現(xiàn)第二類回火脆性，可通過回火后快冷消除，固溶處理：奧氏體不銹鋼加熱到1050～1100℃固溶，快冷至427℃以下，以獲得均勻的奧氏體組織。良好的高溫穩(wěn)定化處理：含i或Nb的奧氏體鋼，加熱到850～900℃保溫6h，空冷或緩冷，使i或Nb先與C形成碳化物，防止鉻與C。三.金屬材料基礎(chǔ)知一)根 。合金元素符號最前的數(shù)字表示含碳量（以萬分之幾計），平均含碳量小于千分之一用結(jié)構(gòu)鋼一般采用代表鋼屈服點的符號“Q”屈服點數(shù)值和國標(biāo)中規(guī)定的代表產(chǎn)品用途的符號表示。鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方鋼的編號表示方合金元素強(qiáng)化機(jī)向鋼或合金中加入合金元素使之溶入作為基體的固溶體（ 或金屬間化合物的小質(zhì)點。它們在高溫下不易，了位錯運動，從而沉淀強(qiáng)化機(jī)理：（1）沉淀相出現(xiàn)之前，出現(xiàn)因原子 微觀不均勻而造成強(qiáng)化；(2)沉淀過程中，當(dāng)沉淀出的第二相與基體之間產(chǎn)生共格，這種共格聯(lián)系使鋼強(qiáng)化，這種強(qiáng)化也叫時效強(qiáng)化或脫溶強(qiáng)化；(3)共格關(guān)系破壞后，彌散的第二相質(zhì)點分布在基體上造成鋼的強(qiáng)化，稱彌散強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化的效果取決于沉淀相的類型、形狀、分布、大小、數(shù)量、彌散度、穩(wěn)定性。合金元素強(qiáng)化機(jī)晶界強(qiáng)化：晶界部位自由能較高、大量的缺陷強(qiáng)度高于晶內(nèi)；高溫時，晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)凈化晶界：Nb、Zr等元素與晶界 夾雜物作用生成穩(wěn)定而難化合物，減少晶界夾雜物的含量，提高晶界原子間的填充晶界空位：向鋼中加入一些微量的表面活性元素，如B、TiZr和稀土元素產(chǎn)生內(nèi)吸附，自發(fā)向晶界，填充境界空位，改善晶界性質(zhì)，了合金元素沿晶界的擴(kuò)散、晶界碳化物和空位的長大，使鋼的蠕變極限和持久強(qiáng)度顯著提高。如珠光體耐12Cr2MoWVTiB，即利用硼的晶界強(qiáng)化作合金元素強(qiáng)化機(jī)（3）晶界沉淀強(qiáng)化：在晶界沉淀出不連續(xù)的強(qiáng)化相，使塑性沿晶界的滑移和裂紋沿晶界擴(kuò)展受阻，提高鋼的熱強(qiáng) ）晶粒細(xì)化 式中：σs—屈服強(qiáng)σ0--點陣摩擦力，常數(shù)d--晶粒直徑對于在蠕變溫度以下運行的部件，要求鋼的晶粒細(xì)化對于高溫下運行k部件，晶粒要大一些，使鋼保持較高的持久強(qiáng)s0度 鋼中碳化物的穩(wěn)定性：碳化物形成元素均為過渡族金屬，其穩(wěn)定性主要取決于金屬元素的層電子數(shù)，越少，與C的親和力越大。穩(wěn)定性順序排列：不形成碳化物元素，如Ni、Al、Si、Co、Cu等，大多溶于鐵素體中形成碳化物元素，按親和力由小到大Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、、Nb、Zr、擴(kuò)大γ相區(qū)如 、 、、、Cu、Zn等，使A4點升高、點下降，從而擴(kuò)大γ相區(qū)的存在范圍，其中