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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%以上的合金，因性能不好，很脆，应用较
2、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,可分为：平炉钢、转炉钢。转炉钢又可进一步分为：碱
3、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235MPa，A级的沸腾钢。,碳素结构钢的用途,Q195，Q215，Q235A，Q2
4、35B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。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
5、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,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；T
6、9、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.
7、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
8、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
9、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4-7,4.2.2 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、
10、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
11、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
12、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。
13、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
14、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：0Cr17Ni4Cu4Nb（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
15、）。,4.3 有色金属,镍基合金，钛合金，轴承合金等,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（
16、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
17、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条件复杂，成本较昂贵。钛的导热性差，只有铁的1/5，弹性模量较低，屈强比较高。纯钛塑性好、强度低，容易加工成型，可制成细丝和薄片。钛有同素异型转变，882.5以下为相，密排六方结构；882.5以上为相，体心立方结构。纯钛在室温得不到相，但若添加适量的合金元素，可在室温下得到相。相较相致密。,钛合金分类,按其显微组织分，可分为：型（TA系）、型（TB系）、+型（TC系）三类。,钛合金（TA）,主要含有稳
18、定剂，钛中加入氧、氮、碳、铝、硼等相稳定元素，获得钛合金。六方结构的-Ti在转变温度以下的环境下组织是稳定的，不能通过热处理来改变强度。一般热处理只进行退火（变形后的消除应力退火或再结晶退火）。-Ti是耐热钛合金的基础，具有良好的焊接性。钛合金的室温强度低于钛合金和+钛合金，但高温（500-600）强度比它们的高，并且组织稳定，抗氧化、抗蠕变性能好，焊接性能也很好。适合于制作耐高温蠕变的构件。典型的牌号是TA7,成分为Ti-5Al-2.5Sn。,2钛合金(TB),钛中加入Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Mo、V、W、Nb、Ta等相稳定元素，可以获得体心立方的钛合金。钛合金又可以分为可热处理的（亚
19、稳定）钛合金和热稳定钛合金。可热处理的钛合金固溶强化程度大，可通过热处理实现析出强化。钛合金在淬火状态下有非常好的工艺塑性，可以进行板材冷加工成型，并能通过时效处理获得较高的室温抗拉强度。为了使高温的相在室温附近稳定，必须添加较多的稳定性元素，因此固溶强化程度大，钛合金可以通过加工和热处理技术获得高强度的钛合金。典型的牌号是TB1-(Ti-3Al-13V-11Cr),TB2-(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)及TB8-(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.25Si).,3+钛合金(TC),含有较多的钛相稳定元素，在室温稳定状态由相和相所组成的钛合金，相一般为10%-50%。钛中加入相稳
20、定元素和相稳定元素所得到的+钛合金兼有钛合金和钛合金的优点，塑性很好，具有良好的加工性能（锻造、压延和冲压），焊接性能也可以，+钛合金与钢一样有淬透性，可通过淬火和时效进行强化，其强度与化学成分、淬火冷却速度、工件尺寸关系较大，热处理后强度可提高50-100%。典型的牌号是TC4,成分为Ti-6Al-4V。该合金经淬火和时效处理后，显微组织为+针状相，针状相是时效时从相析出的。该合金由于强度高、塑性好、低温时有良好的韧性，并有良好的抗海水应力腐蚀和抗热盐应力腐蚀的能力，所以应用比较广。用于制造在400以下长期工作的零件，要求一定高温强度的发动机零件和低温下使用的部件，如火箭、导弹的液氢燃料箱等
21、。,4.3.3 轴承合金,滑动轴承是汽轮机、飞机、机车、拖拉机、汽车等内燃机、动力机械上的重要耐磨零件。在滑动轴承中，制造轴承内衬的金属材料称为轴承合金。轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦和内衬的材料。当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷。轴承材料应该是既软又硬。太硬，会磨损轴颈；太软，承载能力又太低。因此一般采用软基体上分布硬质点的方法，也可用硬基体上分布软质点的方法。,轴承材料要求有如下的性能,足够的力学性能，（强度、硬度、塑性、韧性）抗疲劳、耐冲击和振动；良好的耐磨性和磨合能力；良好的耐蚀性能及较高的导热性能和较低的热膨胀系数常用的轴承合金有两类：一类为锡基，另一类
22、为铅基。这两类合金也称为巴氏合金（参见表4-9）。另一类为铜基和铝基的轴承合金，它们是硬基体上分布软质点的一类合金，种类很多，在核电厂应用很少，不作具体介绍。,巴氏合金的编号方法,为Z（Ch）+基本元素符号+主加元素符号及含量+辅加元素符号及含量，其中“Z”代表铸造，“Ch”代表轴，现有的书已把它省略。如Z（Ch）SnSb11Cu6，就代表锡基铸造轴承，含锑11%，含铜6%。锡基轴承合金：最常用牌号是：Z（Ch）SnSb11Cu6。,锡基轴承合金最常用牌号是Z（Ch）SnSb11Cu6,图中黑色的是固溶体相，它是锑溶解在锡中的固溶体，为软基体；白色块状是相，这是以化合物（SnSb）为基的固溶体
23、相，是硬质点；树枝状分布的是相（Cu6Sn5），由于其硬度比相高，也起硬质点作用。,锡基轴承合金的应用,锡基轴承合金的磨擦系数和热膨胀系数小，塑性和导热性好，适于制作汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。但它的疲劳强度和使用温度较低，用于150以下的场合。,铅基轴承合金常用牌号为Z（Ch）PbSb16Sn16Cu2。,含锑16%，锡16%，铜2%。基体为Pb-Sn(Sb)共晶体（软基体），白色块状是，这是以化合物（SnSb）为基的固溶体相作为硬质点，加入铜形成Cu3Sn相或Cu2Sb（白色针状），防止比重偏析，同时起硬质点的作用。铅基轴承合金的铸造性能好，耐磨性比锡基轴承合金稍低，价格便宜，可用于制造中、低载荷的轴瓦。,
