第四章 核电厂结构常用金属材料课件

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1、第四章,核电厂结构常用金属材料,内容提要,4.1 碳钢 4.2 不锈钢 4.3 有色金属 镍及镍合金 钛及钛合金 轴承合金,4.1 碳钢,碳钢由于其冶炼、加工方便，价格低廉，有一定的强度，同时塑、韧性还比较好，因此广泛地在工业、农业、国防中得到应用。核电厂中也有应用，核电厂安全壳内层使用碳钢，压力容器使用低合金碳钢。,碳钢的分类,铁碳合金中碳质量分数在0.008% - 2.11%的合金称为钢。常用的碳钢，按其含碳量又可以分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。 碳质量分数在0.008 0.25% 的为低碳钢； 0.25 0.60% 的为中碳钢； 0.60 - 1.3% 的为高碳钢。 高于1.3% 以上的合

2、金，因性能不好，很脆，应用较少。,按钢的质量要求（主要按照磷、硫含量的控制）,碳钢又可分为： 普通碳素钢（P0.045%,S0.055%） 优质碳素钢(P0.040%，S0.040%) 高级优质碳素钢（P0.035%，S0.030%）； 如按用途分还可以分为：碳素结构钢，用于制造各种工程结构件和机器零件。 碳素工具钢，用于制造各种刀具、量具、模具等； 如按钢的冶炼方法分，可分为：平炉钢、转炉钢。 转炉钢又可进一步分为：碱性转炉钢、酸性转炉钢和顶吹转炉钢等。,按用途分,还可以分为： 碳素结构钢，用于制造各种工程结构件和机器零件。 碳素工具钢，用于制造各种刀具、量具、模具等；,按钢的冶炼方法分,可

3、分为：平炉钢、转炉钢。 转炉钢又可进一步分为： 碱性转炉钢、酸性转炉钢 顶吹转炉钢等。,如，,碳钢的牌号和用途,1碳素结构钢 碳素结构钢的牌号是这样制定的：这类钢要保证机械性能，故以机械性能（屈服强度）标注其牌号（Q+数字）。 “Q”代表屈服强度，数字代表屈服强度值，单位MPa； 后缀“A”,“B”,“C”,“D”代表质量等级，即杂质元素磷、硫的含量，其中“A”等级最低，杂质含量最高； 若在牌号后面再标注，“F”“b”，“Z”或“TZ”，则为脱氧方式。 “F”为沸腾钢 “b”为半镇静钢 “Z”为镇静钢 “TZ”为特殊镇静钢（参见表4-1） 。 如：Q235A.F， 即该钢是屈服强度为235MP

4、a，A级的沸腾钢。,碳素结构钢的用途,Q195，Q215，Q235A，Q235B等钢塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等用于桥梁、建筑物等的构件，也可用来做普通的螺钉、螺帽、铆钉等。 一般在热轧状态下使用，不再进行热处理。但也可以进行正火、调质、渗碳等。,2优质碳素结构钢,优质碳素结构钢用平均碳质量分数的万分数的数字表示，若钢中锰的质量分数较高，则在这类钢的后面附加符号“Mn”表示。 如：“20”表示钢中平均含碳质量分数为0.20%的优质碳素结构钢； “16Mn”表示钢中平均含碳质量分数为0.16%，并且含较多的Mn的优质碳素结构钢。,优质碳素钢用途,主要用于制造各种机器零件。

5、 08F钢塑性好，可用于制造冷冲压零件； 10、20钢冷冲压性和焊接性能好，用作冲压件和焊接件，经热处理（渗碳）也可制造轴、销等零件； 35、40、45、50钢经热处理可获得良好的综合机械性能，可用于制造齿轮、轴、套筒等零件； 60、65号钢主要用来制造弹簧。,3碳素工具钢,碳素工具钢的碳质量分数在0.65-1.35%之间，钢号用平均碳质量分数的千分数的数字表示，数字前冠以T（“碳”的拼音字头）。如：“T10” 表示碳质量分数1.0%（千分之10）的钢。 碳素工具钢均为优质钢，如在钢号后面标注“A”则表示为高级优质碳素钢。“T12A”表示碳质量分数为1.2%的高级优质碳素钢。,碳素工具钢用途,

6、用于制造各种刀具、量具、模具等。 T7、T8硬度高、韧性较好，可制造冲头、凿子、锤子等工具； T9、T10、T11硬度高、韧性中等，可用于制造刨刀、钻头、手锯条、丝锥等刃具及冷作模具等； T12、T13 硬度高、韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。 碳素工具钢使用前都要进行热处理。,4核电站用低合金碳钢,压水堆压力容器用钢是在碳素锅炉钢的基础上进行研究，逐渐添加一些合金元素以增加强度和淬透性；同时降低碳、铬、钼含量，提高锰含量以改善焊接性能；为了减少辐照脆化效应，需要严格控制铜、磷、钒、砷、锑等微量有害元素的含量。因此压力容器用钢是低合金碳钢，我国用的是Ni-Mn-Mo低合金碳

7、钢。 压力容器内壁要堆焊1-2层奥氏体不锈钢，约5-6毫米厚，以增加压力壳的抗腐蚀性能和耐磨性。,4.2 不锈钢,不锈钢是指在大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质中耐腐蚀的合金钢，而耐酸、碱、盐等化学介质腐蚀的的合金钢称为耐酸不锈钢。两者合起来统称不锈钢。,不锈钢的历史,在上世纪初，“不锈”与“钢”的概念还是对立的。不锈钢的发现是从研究刀具开始的，1913年英国在研究刀具时发现钢中加入9-16%的Cr时有良好的抗腐蚀性能。并在1916年取得专利，主要用于刀具生产。 1916年美国获得“斯太立”合金专利，那是一种Co-Cr，Co-Cr-W合金。他们发现当加入10%的Cr和5%的Co时即使加入铁也有很好的抗

8、腐蚀性，因此1919年开始使用这种钢。 1912年德国人在法国研究并发现：如果钢中含足量的Cr和Ni，就能抗氧化和耐酸腐蚀。研究报告在1920年发表并开始生产和应用这类钢。 这是不锈钢发现和使用的开始，由于这类钢的性能优良，因此在一个世纪里发展很快。现代不锈钢已经有很多的类型，它们被用来满足各种不同的需要。,不锈钢的成分特点,不锈钢中主要的合金元素有铬、镍、钼、铜、钛、钴等，碳含量在不锈钢中的作用也不可忽视。 铬是不锈钢最主要的合金元素。实验证明，当钢中的含铬量增加至12.5at%（11.7wt%）时，阳极电位由-0.56V突增至+0.2V。这时在钢的表面形成一层很薄而致密的氧化膜，阻止了钢基

9、体被继续侵蚀，使钢的耐蚀性发生突变性上升，这就是不锈钢能防锈的原因，因此不锈钢的含铬量应不低于12wt%。当铬元素在12%以上时，表面形成稳定而致密的铬氧化膜，合金呈现钝化。,4.2.1 不锈钢的牌号,世界各国不锈钢的编号方法不同。 我国的编号方法是： 碳质量分数、合金元素的种类和数量及质量级别来编号的。 在牌号前面的第一个数代表碳质量分数，碳质量分数用千分数表示，如标为1，其意为0.1%；主要的合金元素及含量的百分数标于其后。 如：1Cr18Ni9Ti，表示的碳质量分数为0.1%左右，铬质量分数为18%左右，镍质量分数为9%左右，钛质量分数为1%左右。 世界部分国家钢号的对照请参见表4-7,

10、4.2.2 不锈钢分类及应用,核电站一回路系统的管道、泵体、阀门等设备所用的结构材料必须具有足够的强度和韧性，要耐高温、耐腐蚀、耐辐照，因此大部分选用奥氏体不锈钢来制作。 所选用的材料涵盖马氏体、铁素体、奥氏体、双相和沉淀硬化型不锈钢。 蒸汽发生器等长期在高温高压下工作的部件也选用铁素体、奥氏体不锈钢来制作。,1铁素体类不锈钢（如1Cr17，1Cr17Ti）,当含铬量在17-27%，并且含少量碳（小于0.15%）时，从高温到低温可得到单一的铁素体相，这类钢约含1%锰、硅，不含镍，有时加入Mo、Ti、Si、Nb等。 它的抗腐蚀性能呈中等，热膨胀系数低，导热性能好，易于加工，对SCC不敏感。 但强

11、度较低、焊接性能较差，对晶间腐蚀比较敏感，应用时要注意相的析出问题。 常用于化工设备、食品加工设备等要求耐腐蚀，但强度要求不高的构件上，在核电厂用得比较少，可以用作热交换器中的管板等。,2马氏体类不锈钢（如1Cr13，2Cr13，3Cr13 ，00Cr13Ni5Mo4等）,这类钢含12-18%铬，碳含量比较高，依含碳量的不同可以有不同的牌号。 这类钢虽然强度高，但只能耐大气、蒸汽和弱介质的腐蚀。1Cr13是国际上通用的牌号，美国为AISI410，法国为Z10C-13、Z12C-13，日本为SUS410，德国为X15Cr13。化学成分见表4-5。 马氏体钢主要用于抗弱腐蚀介质，同时要求较高的韧性

12、和承受冲击载荷的零部件。如汽轮机叶片、水压机阀、结构件和螺栓等，在反应堆环境中主要用于2、3级辅助泵传动轴、蒸发器支撑件、控制棒驱动机构等。,3奥氏体不锈钢（300系列）,这类钢的碳质量分数很低，约在0.1%左右，碳质量分数越低，耐蚀性越好，熔炼越困难，价格也越高。 为了得到单相奥氏体组织，如只用镍，含量需高达27%，但当铬镍配合使用时，在18%铬的钢中加入8%的镍就可以得到单一奥氏体组织，再添加少量Mo、Cu、Si等元素提高耐蚀性。就得到300系列不锈钢也称为18-8不锈钢。 它的高温强度（500以上）好、 韧性好、焊接性能好、耐腐蚀，对高温水等一般化学介质表现了出色的抗腐蚀性能。 但它对应

13、力腐蚀敏感，尤其在含氯离子和氧离子的环境中；在快中子辐照下会因硬化、肿胀、蠕变而造成性能下降，而且切削加工性能较差。这是在应用中需要注意的问题。 这类钢广泛用于核反应堆中，是压水堆堆芯容器堆焊层、热屏、管道、阀门、泵等的主要选材。,4双相不锈钢（如1Cr21Ni5Ti，1Cr18Mn10Ni5Mo3N）,双相不锈钢是指奥氏体和铁素体双相钢，这类钢是在18-8型钢的基础上，增加铬或其它铁素体形成元素，因此含有一部分铁素体相。 双相不锈钢有Cr18、Cr21、Cr25三种型号，Cr18以奥氏体为基，奥氏体占80-95%；Cr21和Cr25以铁素体为基，铁素体占50-70%。 这类钢有比较好的耐晶间

14、腐蚀能力和抗应力腐蚀能力。它兼有奥氏体和铁素体的优点，克服了两者的部分缺点：强度高、韧性好、抗应间腐蚀和应力腐蚀。 可用于制造化工化肥设备和管道，海水冷却的热交换设备等。在反应堆条件下使用要注意相析出的问题。,5沉淀硬化型不锈钢,这类钢的成分介于各类不锈钢的成分之间，铬镍含量一般都不超过18-8钢的相应值，碳含量都比较低，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。 沉淀硬化型不锈钢有马氏体型、奥氏体型、奥氏体-马氏体型和奥氏体-铁素体型四类。 这类钢有更高的硬度、耐蚀性、强度、韧性，焊接性能和冷加工性能也较好。 典型的牌号有： 0Cr1

15、7Ni4Cu4Nb（相当于美国牌号17-4PH）、0Cr17Ni7Al（相当于美国牌号17-7PH）和0Cr15Ni7Mo2Al（相当于美国牌号PH15-7Mo）。,4.3 有色金属,镍基合金， 钛合金， 轴承合金等,4.3.1镍及镍基合金,镍属面心立方结构，在高、低温度下均有良好的力学性能和加工性能。镍的熔点高（1455）耐腐蚀性和抗氧化性好，此外还有一些特殊的物理性能，如铁磁性、磁伸缩性、电真空性能等。因此广泛应用于高温、电真空、弹性、磁性、膨胀、精密电阻、热电偶等重要的部件材料中。 以含镍或铁镍为主的耐热合金具有良好的高温抗腐蚀性能，因此广泛应用于化工、航空、航天及核工业中。,镍基合金及

16、应用,这类合金包括： 因科镍合金（Inconel, 约含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Ni32-35%，Cr20-23%, Fe39.5%）。 因科镍合金因不易发生应力腐蚀，有时用于堆内代替不锈钢，但由于镍中所含杂质钴具有很大的中子俘获截面，且会生成长寿命同位素钴-60，因此镍基合金一般不用于堆芯。 镍基合金用于反应堆中，一般制作弹簧和紧固件；也用于蒸汽发生器，制作热交换管。,4.3.2 钛及钛合金,钛是一种比较新的金属，约在20世纪50年代才被用作工程结构材料。钛及钛合金密度小、比强度高、耐热性好（具有良好的中温强度），抗腐蚀（在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定，尤其是在大气和海水中耐蚀性能好，其抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢），并且具有良好的低温韧性。现已逐渐成为核电厂冷凝器的替代材料，以替代铜及铜合金。,钛的性质,钛的资源丰富，但在高温时异常活泼，钛及钛合金的熔炼、浇注、焊接和热处理都要在真空或惰性气体保护下进行，因此钛及钛合金的加工