1、第八章第八章 其他专用结构材料其他专用结构材料8.1 铁道用结构材料铁道用结构材料8.1.1 概述概述车轮主要功能车轮主要功能：重量、：重量、引导车辆引导车辆通过各种形状通过各种形状的轨道、车轮本身的轨道、车轮本身起制动盘的作用起制动盘的作用。轮轨的相互作用轮轨的相互作用：车辆的重量通过车轮要传递：车辆的重量通过车轮要传递到钢轨上，车轮在钢轨上运行时，到钢轨上，车轮在钢轨上运行时，轮轨之间存在着轮轨之间存在着很大的交变接触应力，同时还有滚动摩擦和少量的很大的交变接触应力，同时还有滚动摩擦和少量的滑动摩擦滑动摩擦。在轮轨服役过程中，在轮轨服役过程中，轮轮/轨构成一对摩擦副轨构成一对摩擦副。主要失
2、效形式主要失效形式：磨损磨损和和接触疲劳接触疲劳，接触疲劳破，接触疲劳破坏的表现形式主要是剥离。坏的表现形式主要是剥离。轮轮/轨用钢的性能要求轨用钢的性能要求（1）高的屈服强度和抗拉强度高的屈服强度和抗拉强度，以能承受车辆的重量，以能承受车辆的重量，在高的接触应力作用下，不会变形和断裂；在高的接触应力作用下，不会变形和断裂；（2）较高的硬度较高的硬度，以能抵抗轮轨间的摩擦磨损，因更换，以能抵抗轮轨间的摩擦磨损，因更换钢轨较更换车轮困难，钢轨较更换车轮困难，钢轨的硬度要高于车轮的硬度钢轨的硬度要高于车轮的硬度；（3）高的接触疲劳强度高的接触疲劳强度，以抵抗接触疲劳破坏；，以抵抗接触疲劳破坏；（4
3、）足够的塑、韧性足够的塑、韧性，以保证车辆的安全。，以保证车辆的安全。（5）车轮本身起制动盘的作用，因制动时有摩擦热产生，）车轮本身起制动盘的作用，因制动时有摩擦热产生，车轮表面还承受着热疲劳的作用，因此车轮要有车轮表面还承受着热疲劳的作用，因此车轮要有较高的热疲较高的热疲劳强度劳强度。（6）好的）好的经济性经济性，车轮和钢轨的用量极大，要求尽可能，车轮和钢轨的用量极大，要求尽可能使用价格较廉、资源较丰富的元素。使用价格较廉、资源较丰富的元素。8.1.2 车轮用钢车轮用钢牌号牌号化学成分化学成分 %应用应用CSiMnPSVCL60A级级 0.550.650.170.370.500.800.03
4、5 0.040-客、货客、货车车轮车车轮CL60B级级0.550.650.170.370.500.800.040 0.040-CL45MnSiV0.440.520.500.800.801.200.035 0.0400.080.15LG650.600.700.170.370.500.800.035 0.040- -机车轮机车轮箍或车箍或车轮轮LG600.550.650.170.370.500.800.035 0.040-车轮用钢的牌号及化学成分（摘自车轮用钢的牌号及化学成分（摘自GB8601-88、GB8602-88） 成分特点成分特点 中高碳的碳素钢中高碳的碳素钢，冶金质量要求高冶金质量要求高
5、（如非金属夹（如非金属夹杂物和酸浸低倍组织的合格级别）。杂物和酸浸低倍组织的合格级别）。 CL45MnSiV降低碳含量，增加硅、锰含量，添加降低碳含量，增加硅、锰含量，添加少量钒主要是为了提高车轮的抗热疲劳性能。少量钒主要是为了提高车轮的抗热疲劳性能。热处理热处理车轮：车轮：防白点：防白点：热轧成型后冷至热轧成型后冷至640等温处理等温处理46小时小时。轮辋调质轮辋调质：喷水淬火喷水淬火+高温回火高温回火。 钢轨：钢轨：普通轨：普通轨：轨端淬火轨端淬火。热处理轨：热处理轨：全长欠速淬火全长欠速淬火。组织：细片状珠光体。组织：细片状珠光体。车轮用钢的力学性能（摘自车轮用钢的力学性能（摘自GB86
6、01-88、GB8602-88） 标准号标准号牌号牌号力学性能力学性能b (MPa) (%) (%)HBSAku(J)GB8601-88CL60A级级910115581425516B级客车轮级客车轮 8801105101425116B级货车轮级货车轮 8601090101424816TB2708-96CL60-910101426532016GB8601-88 CL45MnSiV-8801125122125123GB8602-88LG60-86011101218248-GB8602-88LG65-93011551014269-8.1.3 钢轨用钢钢轨用钢 牌号牌号化学成分化学成分 %CSiMnP
7、SCuU71 0.640.77 0.130.28 0.600.90 0.040 0.050-U740.670.80 0.130.28 0.701.00 0.040 0.050-U71Cu0.650.77 0.150.30 0.701.00 0.040 0.0500.100.40U71Mn0.650.77 0.150.35 1.101.50 0.040 0.040- -U71MnSi0.650.75 0.851.15 0.851.15 0.040 0.040-U71MnSiCu0.650.77 0.701.10 0.801.20 0.040 0.0400.100.40钢轨用钢的牌号及化学成分（摘
8、自钢轨用钢的牌号及化学成分（摘自GB2585-81） 成分特点 中高碳碳素钢，含碳量较车轮用钢高，中高碳碳素钢，含碳量较车轮用钢高，接近共析接近共析成分成分。 主加主加Mn、Si：降：降A1点，获得全珠光体。点，获得全珠光体。 添加少量铜：提高钢轨耐大气腐蚀能力。添加少量铜：提高钢轨耐大气腐蚀能力。 钢轨用钢的力学性能（摘自钢轨用钢的力学性能（摘自GB2585-88） 牌号牌号抗拉强度抗拉强度b (MPa)伸长率伸长率5 (%)不小于不小于U71 78510U747859U71Cu7859U71Mn8838U71MnSi8838U71MnSiCu88388.2 汽车用结构材料汽车用结构材料 缸
9、体、缸盖、飞轮、正时齿轮、变速器及离合器壳：缸体、缸盖、飞轮、正时齿轮、变速器及离合器壳：灰口铸铁灰口铸铁缸套、排气门阀座：缸套、排气门阀座：合金铸铁合金铸铁曲轴、后桥壳：曲轴、后桥壳：球墨铸铁球墨铸铁活塞销、变速箱齿轮、后桥齿轮：活塞销、变速箱齿轮、后桥齿轮：渗碳钢渗碳钢连杆、连杆螺栓、前桥转向节臂、半轴：连杆、连杆螺栓、前桥转向节臂、半轴：调质钢调质钢汽门弹簧、钢板弹簧：汽门弹簧、钢板弹簧：弹簧钢弹簧钢各种轴承：各种轴承：轴承钢轴承钢发动机活塞、分泵活塞、油管：有色金属发动机活塞、分泵活塞、油管：有色金属铝合金、铜铝合金、铜车身专用结构材料车身专用结构材料 牌号：牌号：“SC”“深冲深冲”
10、；“1、2、3”冲压级别的顺序号。冲压级别的顺序号。SC1深冲压用钢板及钢带；深冲压用钢板及钢带；SC2、SC3超深冲超深冲用钢板及钢带。用钢板及钢带。牌号牌号化学成分化学成分 （质量分数）（质量分数） %CSiMnPSAls (酸溶铝酸溶铝)TiSC10.080.030.400.0200.0250.020.07SC20.010.030.300.0200.0200.20SC30.0080.030.300.0200.0200.20深冲压用钢的牌号及化学成分（摘自深冲压用钢的牌号及化学成分（摘自GB/T 52132001） 成分特点成分特点超低碳超低碳、低硅低硅：以保证钢板的深冷冲压能力；：以保证
11、钢板的深冷冲压能力；Al、Ti、Nb等微合金化等微合金化，以细化晶粒，保证钢，以细化晶粒，保证钢板的强度、塑性和韧性；板的强度、塑性和韧性；硫、磷含量要求很严硫、磷含量要求很严，均属于，均属于特级优质钢特级优质钢。热处理：热处理：退火退火力学性能力学性能要求指标要求指标：强度、塑性、：强度、塑性、拉伸应变硬化指数拉伸应变硬化指数（n值）、值）、塑性应变比塑性应变比（r值）。值）。组织要求：铁素体晶粒度级别不小于组织要求：铁素体晶粒度级别不小于6级，游离渗碳体不级，游离渗碳体不大于大于2级。级。 牌号牌号公称厚度公称厚度/ /mm屈服点屈服点s / /MPa抗拉强度抗拉强度b/ /MPa断后伸长
12、率断后伸长率 / /%(b0=20mm,l0=80mm)nr(b0=20mm,l0=80mm)SC10.5024027035034n900.18r901.60.500.70230360.7021038SC20.701.5018027033040n900.20r901.9SC30.701.5018027035038n0.22r1.8深冲压用钢的力学性能（摘自深冲压用钢的力学性能（摘自GB/T 52132001） n90 =(n0+2n45+ n90)/4，r90=(r0+ r45+ r90)/4。 8.3 船体用结构材料船体用结构材料 服役条件服役条件：环境复杂多变环境复杂多变。恶劣天气，大风大
13、浪，。恶劣天气，大风大浪，一年四季，环境温度变化。一年四季，环境温度变化。制造要求：制造要求：焊接焊接。成分、性能要求成分、性能要求：低碳钢低碳钢，对碳当量有严格要求。，对碳当量有严格要求。对冲击韧性，特别是对对冲击韧性，特别是对低温冲击韧性低温冲击韧性要求高要求高 。多采用多采用铝脱氧铝脱氧，以获得细晶粒钢，或加入，以获得细晶粒钢，或加入微量微量Nb、V、Ti等。等。交货状态交货状态：控制轧制控制轧制，温度，温度-形变控制轧制、形变控制轧制、正火正火。8.3.1 分类及代号分类及代号按按屈服强度屈服强度、质量分级质量分级分类分类 。质量等级质量等级 强度级别强度级别ABDEF一般强度钢一般强
14、度钢235MpaABDE高强度钢高强度钢320MpaA32D32E32F32360MpaA36D36E36F36400MpaA40D40E40F40船体用结构钢的等级及代号船体用结构钢的等级及代号 （摘自（摘自GB7122000） 8.3.2 化学成分化学成分 钢的等级钢的等级ABDE化学成分化学成分%C0.210.210.210.18Si0.500.350.350.35Mn2.5C0.801.20 0.601.20 0.701.20P0.0350.0350.0350.035S0.0350.0350.0350.035Als0.0150.015一般强度钢的化学成分（摘自一般强度钢的化学成分（摘自
15、GB7122000） 特点：特点：低碳低碳，含碳量，含碳量0.21%，主加主加Mn，以提高材料的，以提高材料的强度和韧性。强度和韧性。 钢的等级钢的等级化学成分化学成分 %CSiMnSPAlsNbVTiCuCrNiMoNA32 A36 A40D32 D36 D40E32 E36 E400.180.500.901.600.0350.0250.0150.020.050.050.100.020.350.200.400.08F32 F36 F400.160.500.901.600.0350.0250.0150.020.050.050.100.020.350.200.80.080.009高强度钢的化学成
16、分（摘自高强度钢的化学成分（摘自GB7122000） 高强度钢：高强度钢：低碳低碳，含碳量，含碳量0.18%，主加主加Mn，微量微量Nb、V、Ti、Mo等细化晶粒；等细化晶粒；F级：级：加加Ni，提高钢的低温冲击韧性。，提高钢的低温冲击韧性。但合金元素的总量要受碳当量的限制。但合金元素的总量要受碳当量的限制。碳当量碳当量一般强度钢一般强度钢：均：均不大于不大于0.40%。C eq（%）= CMn/6高强度钢：高强度钢：一般一般不大于不大于0.40%，采用温度采用温度-形变控制轧制状形变控制轧制状态交货，应符合规定。态交货，应符合规定。C eq(%)= CMn/6(CrMoV)/5(NiCu)/
17、15钢的等级钢的等级碳当量碳当量C eq，%不大于不大于厚度，厚度，mm5050100A32 D32 E32 F320.360.38A36 D36 E36 F360.380.40A40 D40 E40 F400.40温度形变控制轧制状态交货高强度钢的碳当量温度形变控制轧制状态交货高强度钢的碳当量船体用结构钢的力学性能（摘自船体用结构钢的力学性能（摘自GB7122000） 钢材钢材等级等级屈服点屈服点sMPa不小于不小于抗拉强度抗拉强度bMPa断后断后伸长率伸长率/ %不小于不小于试验试验温度温度冲击功，冲击功，Akv，J 不小于不小于 厚度，厚度，mm50507070100纵向纵向横向横向纵向
18、纵向横向横向纵向纵向横向横向A235400520222034244127B02720D20E40A32315440570220312238264631D3220E3240F3260A36355490630210342441275034D3620E3640F3660A403905106602004127D4020E4040F40608.4 石油工业用结构材料石油工业用结构材料 石油工业用量较大的结构材料是油井管和输油管。石油工业用量较大的结构材料是油井管和输油管。油井管中，油井管中，固井用套管固井用套管的使用是一次性的，不能的使用是一次性的，不能重复利用，其消耗量占整个油井管用量的重复利用，其消
19、耗量占整个油井管用量的70%以上。以上。钻探油气井用的钻探油气井用的钻探管钻探管，可重复利用，其消耗量，可重复利用，其消耗量占整个油井管用量的占整个油井管用量的3%左右。左右。采油用的采油用的油管油管的消耗量占整个油井管用量的的消耗量占整个油井管用量的20%左右。左右。 8.4.1 石油套管的服役条件石油套管的服役条件服役条件：服役条件：径向和周向径向和周向承受着很大的承受着很大的挤压应力挤压应力，而，而轴向轴向则承受着较则承受着较大的大的拉伸应力拉伸应力。油井深度越深，套管承受的挤压应力及拉伸应力越大；油井深度越深，套管承受的挤压应力及拉伸应力越大；油井开采力度加大，频繁使用酸化、压裂、注水
20、等提高油井开采力度加大，频繁使用酸化、压裂、注水等提高石油产量的技术，使得油井套管承受的服役条件更为复杂；石油产量的技术，使得油井套管承受的服役条件更为复杂；井下地质条件的变化，如地层的错动、岩石的崩塌等，井下地质条件的变化，如地层的错动、岩石的崩塌等，可挤毁套管，使可挤毁套管，使套管缩径、破裂套管缩径、破裂，造成油井损坏、报废。，造成油井损坏、报废。 性能要求：性能要求：足够高的强度足够高的强度，以抗挤压、抗拉伸；，以抗挤压、抗拉伸；良好的抗腐蚀能力良好的抗腐蚀能力，以抗水气及硫化氢等的腐蚀；，以抗水气及硫化氢等的腐蚀；套管接箍还要求有套管接箍还要求有良好的横向抗冲击能力良好的横向抗冲击能力
21、。8.4.2 石油套管的分类石油套管的分类API （美国石油协会）（美国石油协会）Spec 5CT/ISO 11960：按使用条件，分为按使用条件，分为4组。组。第一组：普通强度套管；第一组：普通强度套管；第二组：限制屈服强度套管，适用于酸性环第二组：限制屈服强度套管，适用于酸性环境；境；第三组：高强度套管；第三组：高强度套管；第四组：限制硬度波动的高强度套管。第四组：限制硬度波动的高强度套管。 第一、第二组，再按屈服强度分为不同的钢级。第一、第二组，再按屈服强度分为不同的钢级。第一组第一组：H40、J55、K55、N80。轧态、调质态或正火态使用；轧态、调质态或正火态使用；第二组第二组：M6
22、5、L80、C90、C95、T95。M65使用态：正火、正火回火态；使用态：正火、正火回火态；其余钢级使用态：调质态；其余钢级使用态：调质态；第三组第三组： P110。调质态使用。调质态使用。第四组第四组：Q125。调质态使用。调质态使用。有些钢级还按化学成分中合金元素的含量及杂质有些钢级还按化学成分中合金元素的含量及杂质元素磷、硫的含量分为不同的类型。元素磷、硫的含量分为不同的类型。 8.4.3 石油套管的化学成分石油套管的化学成分第一组各钢级、第二组第一组各钢级、第二组M65钢级和第三组钢级和第三组套管套管：P、S最大值（最大值（0.030%）。）。 第二组第二组L80钢级的钢级的9Cr和
23、和13Cr两个类型为两个类型为低碳、高低碳、高Cr钢钢外，其余均为外，其余均为中碳、低合金结中碳、低合金结构钢构钢，主加主加Mn。C90、T95、Q125钢级：钢级：中碳、主加中碳、主加Mn，辅加辅加Cr、Ni，以进一步提高钢的强度和淬透，以进一步提高钢的强度和淬透性；加入性；加入Mo来提高钢的回火稳定性。来提高钢的回火稳定性。同一钢级中，同一钢级中，1类钢对类钢对P、S含量的要求最含量的要求最高。高。 组组别别钢级钢级 类型类型CMnMoCrNimaxCumaxPmaxSmaxSimaxmin max min max min max min max2L8010.431.900.25 0.35
24、 0.0300.030 0.45L809Cr0.15 0.30 0.60 0.90 1.10 8.00 10.0 0.50 0.25 0.0200.010 1.00L80 13Cr 0.15 0.22 0.25 1.0012.0 14.0 0.50 0.25 0.0200.010 1.00C9010.351.20 0.25 0.851.50 0.990.0200.010C9020.501.90NLNL0.990.0300.010C950.451.900.0300.030 0.45T9510.351.20 0.25 0.85 0.40 1.50 0.990.0200.010T9520.501.9
25、00.990.0300.0104Q12510.351.350.851.50 0.990.0200.010Q12520.351.00NLNL0.990.0200.020Q12530.501.90NLNL0.990.0300.010Q12540.501.90NLNL0.990.0300.020石油套管钢的化学成分要求（重量百分比）（摘自石油套管钢的化学成分要求（重量百分比）（摘自API Spec 5CT/ISO 11960） 8.4.3 石油套管的石油套管的力学性能力学性能第一钢组、第三钢组、第二钢组的第一钢组、第三钢组、第二钢组的C95钢级：钢级：只要求只要求屈服强度屈服强度和和抗拉强度抗拉强度
26、。其余各钢级：其余各钢级：要求屈服强度、抗拉强度、要求屈服强度、抗拉强度、硬度硬度。C90、T95、Q125钢级钢级：要求屈服强度、抗拉：要求屈服强度、抗拉强度、硬度，还强度、硬度，还限制了硬度的变化值限制了硬度的变化值。API Spec 5CT/ISO 11960标准还规定了钢管要标准还规定了钢管要作作静水压静水压试验、试验、压扁压扁试验、试验、硫化物应力腐蚀开裂硫化物应力腐蚀开裂试试验，并要测定验，并要测定晶粒度晶粒度。 组组别别钢级钢级类型类型加载下的加载下的总伸长率总伸长率%屈服强度屈服强度MPa抗拉强度抗拉强度minMPa硬度硬度max规定壁厚规定壁厚mm允许硬允许硬度变化度变化HR
27、CminmaxHRCHBW1H400.5276552414J550.5379552517K550.5375552655N8010.5552758689N80Q0.55527586892M650.544858658622235L8010.555265565523241L809Cr0.555265565523241L8013Cr0.555265565523241C901、20.562172468925.425512.703.0C901、20.562172468925.425512.719.044.0C901、20.562172468925.425519.0525.395.0C901、20.5621
28、72468925.425525.406.0C950.5655758724T951、20.565575872425.425512.703.0T951、20.565575872425.425512.719.044.0T951、20.565575872425.425519.0525.395.0T951、20.565575872425.425525.406.03P1100.67589658624Q125全部全部0.65862103493112.703.0Q125全部全部0.65862103493112.719.044.0Q125全部全部0.65862103493119.055.0石油套管用结构钢的力学
29、性能（摘自石油套管用结构钢的力学性能（摘自API Spec 5CT/ISO 11960） 8.5 核反应堆用结构材料核反应堆用结构材料 核反应堆结构材料核反应堆结构材料：一般分为：一般分为堆芯结构堆芯结构材料和材料和堆堆芯外结构芯外结构材料。材料。堆芯结构材料堆芯结构材料：受到中子、裂变产物的：受到中子、裂变产物的辐照辐照作用作用和和高温高温的作用。的作用。堆芯外结构材料堆芯外结构材料：不受辐照作用。：不受辐照作用。堆芯外结构材料的性能要求堆芯外结构材料的性能要求：高强度高强度、抗腐蚀抗腐蚀，比一般的结构材料更严格。比一般的结构材料更严格。 分类分类部件名称部件名称使用场合使用场合典型材料典型
30、材料堆芯结堆芯结构材料构材料燃料元件燃料元件包壳包壳金属金属Al， Zr合金，合金，304不锈不锈钢，钢，Mg合金合金陶瓷陶瓷热解炭，热解炭， SiC反射层反射层反射层反射层Be，不锈钢，石墨，不锈钢，石墨压力容器压力容器压力容器和一回压力容器和一回路路高强度钢、不锈钢高强度钢、不锈钢聚变堆第一壁材料聚变堆第一壁材料不锈钢、镍基合金、陶瓷不锈钢、镍基合金、陶瓷堆芯外堆芯外结构材结构材料料冷却系统冷却系统不锈钢，耐热合金，碳钢不锈钢，耐热合金，碳钢热交换器热交换器镍合金，铁合金等耐热合金镍合金，铁合金等耐热合金安全壳安全壳碳钢，高强度混凝土碳钢，高强度混凝土反应堆主要的结构材料反应堆主要的结构材
31、料 压水堆示意图压水堆示意图 8.5.1 包壳材料包壳材料燃料组件是由多个燃料组件是由多个燃料棒燃料棒组成的，而每个燃料棒是由组成的，而每个燃料棒是由燃燃料芯块料芯块和和包壳包壳构成。构成。包壳的作用包壳的作用：阻挡裂变产物释放阻挡裂变产物释放。第二道屏障（第一道。第二道屏障（第一道是燃料芯块本身），也是最主要的屏障。是燃料芯块本身），也是最主要的屏障。因此要求在反应堆运行过程，包壳要保持结构上的完整。因此要求在反应堆运行过程，包壳要保持结构上的完整。服役条件：服役条件：在堆芯结构材料中，在堆芯结构材料中，包壳材料的工作条件最包壳材料的工作条件最为苛刻为苛刻。很大的内压力很大的内压力、辐照辐照
32、、腐蚀腐蚀。燃料进行裂变反应，产生气体和固体裂变产物碎片，气燃料进行裂变反应，产生气体和固体裂变产物碎片，气体产物增大了包壳的内压；固体产物碎片具有较大的动能，体产物增大了包壳的内压；固体产物碎片具有较大的动能，在快中子和裂变碎片辐照下，包壳材料内部晶格产生缺陷，在快中子和裂变碎片辐照下，包壳材料内部晶格产生缺陷，造成强度增加和塑性的降低。造成强度增加和塑性的降低。有些固体裂变产物与包壳能够发生化学反应从而对包壳有些固体裂变产物与包壳能够发生化学反应从而对包壳产生腐蚀，气体裂变产物氧，对包壳产生氧化；外部冷却剂产生腐蚀，气体裂变产物氧，对包壳产生氧化；外部冷却剂对包壳也有腐蚀作用。对包壳也有腐
33、蚀作用。包壳材料的性能要求：抗辐照、抗腐蚀。包壳材料的性能要求：抗辐照、抗腐蚀。 燃料组件示意图燃料组件示意图 燃料元件在使用过程中，燃料元件在使用过程中，包壳所受的力包壳所受的力包括：外包括：外部冷却剂的压力和内部气体裂变产物的压力的压差，部冷却剂的压力和内部气体裂变产物的压力的压差，使得包壳内部产生应力；由于包壳内外温差产生的使得包壳内部产生应力；由于包壳内外温差产生的热应力。因此要求包壳应具有一定的强度。热应力。因此要求包壳应具有一定的强度。除了机械性能外，包壳材料的核性能更加重要，除了机械性能外，包壳材料的核性能更加重要，甚至是材料选择的首要条件。甚至是材料选择的首要条件。包壳材料要具
34、有小的中子吸收截面，辐照时不发包壳材料要具有小的中子吸收截面，辐照时不发生核反应。生核反应。金属中热中子吸收截面小的有金属中热中子吸收截面小的有Be、Mg、Al、Zr。包壳材料的主要性能要求包壳材料的主要性能要求（1）中子吸收截面小；）中子吸收截面小；（2）与燃料的相容性好；）与燃料的相容性好；（3）抗冷却剂的腐蚀性能好；）抗冷却剂的腐蚀性能好；（4）强度高、塑性大；）强度高、塑性大；（5）导热性能好；）导热性能好；（6）辐照损伤小；）辐照损伤小；（7）加工性能好。）加工性能好。锆（锆（Zr）的的热中子吸收截面小热中子吸收截面小，在水堆的工作温，在水堆的工作温度下，具有度下，具有优良的机械性能
35、优良的机械性能和和抗腐蚀性抗腐蚀性能，所以广泛能，所以广泛地用作压水堆、沸水堆、重水堆的包壳材料。地用作压水堆、沸水堆、重水堆的包壳材料。目前反应堆的包壳材料主要是目前反应堆的包壳材料主要是Zr-4合金。其组成合金。其组成为：为：Zr-1.5%Sn-0.15%Fe-0.1%Cr。8.5.2 压力容器和一回路管道材料压力容器和一回路管道材料 压力容器和一回路压力边界：阻挡裂变产物释放的第三压力容器和一回路压力边界：阻挡裂变产物释放的第三道屏障。道屏障。对于对于压水堆压水堆，冷却剂是高压，压力容器要满足，冷却剂是高压，压力容器要满足高压容器高压容器的要求，器壁较厚；的要求，器壁较厚；对于对于钠冷快
36、堆钠冷快堆，由于冷却剂是常压，容器只要能承受内，由于冷却剂是常压，容器只要能承受内容物的重量就可以。容物的重量就可以。压力容器和一回路受到高温中子的辐射，辐射的程度与压力容器和一回路受到高温中子的辐射，辐射的程度与容器壁到堆芯之间的距离有关。容器壁到堆芯之间的距离有关。压力容器在使用过程是不允许破损的，因此材料要有足压力容器在使用过程是不允许破损的，因此材料要有足够的够的断裂韧性断裂韧性，使用过程不断地监视辐照剂量。，使用过程不断地监视辐照剂量。目前压水堆主要使用的压力容器材料是目前压水堆主要使用的压力容器材料是A543B高强钢高强钢，组成是组成是Fe-0.23%C-0.2%Si-0.4%Mn
37、-1.5%Cr-0.5%Mo-0.03%V，组织结构是淬火回火型细晶粒组织。，组织结构是淬火回火型细晶粒组织。 8.6 兵器用结构材料兵器用结构材料 8.6.1 概述概述在各个历史时期及任何一个国家中，在各个历史时期及任何一个国家中，新兴材料新兴材料都是首先应用于军事装备上都是首先应用于军事装备上的，而战争对先进军事的，而战争对先进军事装备的需要，又推进了材料科学上的突破和材料工装备的需要，又推进了材料科学上的突破和材料工程上的革命。程上的革命。兵器结构件的兵器结构件的服役条件：服役条件：极端恶劣和苛刻，它极端恶劣和苛刻，它们需在们需在高温高温、高压高压、高速高速、高应变速率高应变速率、高腐蚀
38、高腐蚀、高烧蚀高烧蚀、疲劳疲劳、低温低温等工作环境下工作，对材料的等工作环境下工作，对材料的性能要求也就较民用结构材料高的多。性能要求也就较民用结构材料高的多。8.6.2 火炮身管材料火炮身管材料服役条件：服役条件：在在高温高温、高压高压和受和受高速火药气体高速火药气体的冲击的冲击下工作。下工作。在极短的时间（千分之几秒）内，火药气体在极短的时间（千分之几秒）内，火药气体的温度可达到的温度可达到3000以上，压力可达以上，压力可达294MPa左左右。右。火药气体的生成物，对身管内表面还有火药气体的生成物，对身管内表面还有化学化学作用作用。火炮身管材料的性能要求：火炮身管材料的性能要求：（1）足
39、够的弹性足够的弹性，保证在火药气体压力有某些变化时不会产，保证在火药气体压力有某些变化时不会产生残余变形；生残余变形；（2）比例极限与强度极限间差值要大比例极限与强度极限间差值要大；（3）足够的硬度足够的硬度，防止装填时和弹丸在膛内运动时产生磨损；，防止装填时和弹丸在膛内运动时产生磨损；（4）足够的韧性足够的韧性，保证火药气体压力升高时不会破裂；，保证火药气体压力升高时不会破裂；（5）良好的耐蚀性良好的耐蚀性，不易受火药气体生成物的化学作用；，不易受火药气体生成物的化学作用；（6）良好的工艺性和经济性。）良好的工艺性和经济性。极好的综合力学性能极好的综合力学性能身管材料的制造：身管材料的制造：
40、优质合金结构钢优质合金结构钢制作。制作。且对钢的冶金质量要求很高，应采用且对钢的冶金质量要求很高，应采用电弧炉电弧炉；电弧炉电弧炉+炉外精炼炉外精炼；电弧炉电弧炉+电渣重熔电渣重熔。8.6.2.1 分类代号、牌号及化学成分分类代号、牌号及化学成分强度等级强度等级P-P-540 P-P-590 P-P-635 P-P-685 P-P-735 P-P-785 P-835 P-P-885 P-P-930规定规定比例极限比例极限p MPa540590635685735785835885930身管用钢的强度等级（摘自身管用钢的强度等级（摘自GJB 378399） 成分特点：成分特点：中碳的中碳的CrNi
41、MoV钢钢。含碳量含碳量0.270.42%，保证钢有好的综合力学性能；，保证钢有好的综合力学性能；主加主加Cr、Ni：提高钢的淬透性，保证毛坯经过热处理后在：提高钢的淬透性，保证毛坯经过热处理后在全长和整个壁厚中具有均匀的组织和力学性能，全长和整个壁厚中具有均匀的组织和力学性能，Ni还是显著还是显著提高冲击韧性的元素；提高冲击韧性的元素；Mo、V：提高钢的回火稳定性及高温强度。提高钢的回火稳定性及高温强度。铬镍钼钒钢：铬镍钼钒钢：具有具有最为优良的综合力学性能最为优良的综合力学性能。 序序号号牌号牌号化学成分，化学成分，%CSiMnCrNiMoV1PCrMo0.320.420.170.370.
42、250.500.901.300.500.200.302PCrMoV0.320.420.170.370.250.501.001.300.500.200.300.100.253 PCrNiMoV0.320.420.170.370.250.501.301.700.600.900.200.300.100.254 PCrNi1Mo0.320.420.170.370.250.501.301.701.301.700.200.305 PCrNi2Mo0.320.420.170.370.250.500.801.201.752.250.200.306 PCrNi3Mo0.320.420.170.370.250.5
43、00.801.202.753.250.200.307PCrNi3MoVA0.340.410.170.370.250.501.201.503.003.500.350.450.100.25832Cr2Mo1VE0.280.350.170.370.250.502.002.401.251.450.200.30930CrNi2MoVE0.270.340.170.370.300.600.600.902.002.400.200.300.150.30身管用钢牌号的化学成分身管用钢牌号的化学成分 8.6.2.2 力学性能力学性能主要力学性能指标主要力学性能指标：比例极限比例极限、断面收缩率断面收缩率及及冲击吸收
44、功冲击吸收功。且在热处理后，钢棒或锻件的且在热处理后，钢棒或锻件的横向力学性能横向力学性能应满足应满足规定规定。其比例极限和冲击吸收功的测定方法与一般结构材料的要其比例极限和冲击吸收功的测定方法与一般结构材料的要求不同。求不同。规定比例极限的测定要求规定比例极限的测定要求：在拉伸曲线上，通过负荷点的：在拉伸曲线上，通过负荷点的切线与负荷轴夹角的正切值，较在弹性直线部分之值增加切线与负荷轴夹角的正切值，较在弹性直线部分之值增加50%时对应的应力为规定比例极限。时对应的应力为规定比例极限。与一般与一般p0.01及及p0.2的测定要求不同。的测定要求不同。测定冲击吸收功用的冲击试样的缺口测定冲击吸收
45、功用的冲击试样的缺口：钥匙孔型缺口钥匙孔型缺口。与一般要求的与一般要求的V型缺口也不同。型缺口也不同。 身管用钢的力学性能身管用钢的力学性能 规定比例极限，规定比例极限，p MPa断面收缩率断面收缩率，%冲击吸收功，冲击吸收功，AK，J优质钢优质钢高级优质钢高级优质钢特级优质钢特级优质钢5403517205903517206353017206853017207353017177853015178352515172088525151517930251515178.6.2.3 热处理热处理 身管材料要经正火或调质处理后，再后续加工。身管材料要经正火或调质处理后，再后续加工。 序序号号牌牌 号号试样
46、毛试样毛坯尺寸坯尺寸mm推荐热处理制度推荐热处理制度正火正火淬火淬火回火回火温度温度/ 冷却介质冷却介质 温度温度/ 冷却介质冷却介质 温度温度/ 冷却介质冷却介质1PCrMo25860空气空气850油油560650空气空气2PCrMoV258808703PCrNiMoV254PCrNi1Mo258608505PCrNi2Mo256PCrNi3Mo257 PCrNi3MoVA258808708 32Cr2Mo1VE259409306006509 30CrNi2MoVE25880870560640身管材料还需检验的项目身管材料还需检验的项目 硬度硬度：HBS10/3000，3m长度上，压痕直径之
47、差长度上，压痕直径之差不超过不超过0.1mm、0.2mm。 低倍组织低倍组织：优质钢、高级优质钢、特级优质钢的：优质钢、高级优质钢、特级优质钢的一般疏松、中心疏松、锭型偏析不大于一般疏松、中心疏松、锭型偏析不大于2.5、2、1级。级。 断口断口：不允许有层状、萘状和石状。：不允许有层状、萘状和石状。 发纹发纹：条数、总长度。：条数、总长度。 非金属夹杂非金属夹杂：不大于：不大于2级。级。 晶粒度晶粒度：A晶粒度，细于晶粒度，细于5级。级。8.6.2.4 提高火炮身管耐烧蚀性的措施提高火炮身管耐烧蚀性的措施 产生烧蚀的原因产生烧蚀的原因：由于发射弹丸引起的：由于发射弹丸引起的热热、力力、化学化学
48、等多因素同时作用于等多因素同时作用于身管内膛面身管内膛面，会使身管内，会使身管内膛面产生烧蚀。膛面产生烧蚀。烧蚀后果：烧蚀后果：使得火炮使得火炮初速降低初速降低，射程减小射程减小，精度精度丧失丧失，最终使火炮的威力下降。，最终使火炮的威力下降。提高火炮身管的耐烧蚀性的途径提高火炮身管的耐烧蚀性的途径：采用熔点高于钢的耐热材料；采用熔点高于钢的耐热材料；制造制造身管镀层或内衬身管镀层或内衬。 目前使用的身管镀层材料目前使用的身管镀层材料：铬铬。潜在的内衬材料潜在的内衬材料：钼钼、钽钽、钨钨及陶瓷材料。及陶瓷材料。镀镀软软铬层的硬度虽较镀硬铬层的硬度低一些，但铬层的硬度虽较镀硬铬层的硬度低一些，但
49、由于残余拉应力极低，抗拉强度和剪切强度略高，由于残余拉应力极低，抗拉强度和剪切强度略高，但抗热但抗热/力疲劳性能及抗烧蚀性却较好。力疲劳性能及抗烧蚀性却较好。采用经熔盐电镀采用经熔盐电镀127m钽钽层的钢衬管的航炮身层的钢衬管的航炮身管，在射击管，在射击1100发后，钽层仍呈抛光状表面无裂纹，发后，钽层仍呈抛光状表面无裂纹，也无热影响区；也无热影响区；溅射的溅射的TaW镀层在镀层在1000时仍有良好的热硬时仍有良好的热硬性。性。钼钼是一种较好的抗烧蚀材料，正在研究采用钼合是一种较好的抗烧蚀材料，正在研究采用钼合金粉末金粉末经热等静压经热等静压制造枪炮管内衬。制造枪炮管内衬。 8.7 耐磨钢耐磨
50、钢耐磨钢耐磨钢：在强烈冲击载荷作用下发生硬化的高锰钢。：在强烈冲击载荷作用下发生硬化的高锰钢。成分特点成分特点：高碳：高碳(0.901.5%)、高锰、高锰(1114%)，Ms大大幅下降，属幅下降，属A钢。钢。耐磨原理耐磨原理：受强烈冲击或较大压力变形时，表层产生：受强烈冲击或较大压力变形时，表层产生加工硬化，并伴随应力诱发加工硬化，并伴随应力诱发M相变，硬度升高。相变，硬度升高。热处理热处理：水韧处理水韧处理：加热到：加热到10501100保温，水中激冷；使保温，水中激冷；使碳化物溶入碳化物溶入A，获得单相组织。，获得单相组织。热处理后的性能：塑性、韧性很高，硬度较低热处理后的性能：塑性、韧性
