1、第四章第四章核电厂结构常用金属材料 内容提要 w 4.1 碳钢碳钢w4.2 不锈钢不锈钢w4.3 有色金属有色金属w 镍及镍合金镍及镍合金w 钛及钛合金钛及钛合金w 轴承合金轴承合金4.1 碳钢w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w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。w碳质量分数在0.008 0.25%的为低碳钢；w0.25 0.60%的为中碳钢；w0.60-1
2、.3%的为高碳钢。w高于1.3%以上的合金，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）w碳钢又可分为：w普通碳素钢（P0.045%,S0.055%）w优质碳素钢(P0.040%，S0.040%)w高级优质碳素钢（P0.035%，S0.030%）；w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。w碳素工具钢，用于制造各种刀具、量具、模具等；w如按钢的冶炼方法分，可分为：平炉钢、转炉钢。w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w还可以分为：w碳素结构钢，用于制造各种工程结构件和机器零件。w碳素工具钢，用于制造各种刀具、
3、量具、模具等；按钢的冶炼方法分w可分为：平炉钢、转炉钢。w转炉钢又可进一步分为：w碱性转炉钢、酸性转炉钢w顶吹转炉钢等。如，碳钢的牌号和用途w1碳素结构钢碳素结构钢w碳素结构钢的牌号是这样制定的：这类钢要保证机械性能保证机械性能，故以机械性能（屈服强度）标注其牌号（Q+数字）。w“Q”代表屈服强度，数字代表屈服强度值，单位MPa；w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；w若在牌号后面再标注，“F”“b”，“Z”或“TZ”，则为脱氧方式。w“F”为沸腾钢w“b”为半镇静钢w“Z”为镇静钢w“TZ”为特殊镇静钢（参见表4-1）。w
4、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wQ195，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。w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w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。w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；w“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。
5、优质碳素钢用途w主要用于制造各种机器零件。w08F钢塑性好，可用于制造冷冲压零件；w10、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；w35、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；w60、65号钢主要用来制造弹簧。3碳素工具钢w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。w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
6、%的高级优质碳素钢。碳素工具钢用途w用于制造各种刀具、量具、模具等。wT7、T8硬度高、韧性较好，可制造冲头、凿子、锤子等工具；wT9、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；wT12、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。w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w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，
7、我国用的是Ni-Mn-Mo低合金碳钢。w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w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w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。w1916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%
8、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。w1912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。w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w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。w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
9、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。w世界部分国家钢号的对
10、照请参见表4-74.2.2 不锈钢分类及应用w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。w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。w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）w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。w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
11、不敏感。w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。w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）w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。w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。w马氏体钢主要用于抗弱腐蚀介质，同时要求
12、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、控制棒驱动机构等。3奥氏体不锈钢（300系列）w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。w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。w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。w但
13、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。w这类钢广泛用于核反应堆中，是压水堆堆芯容器堆焊层、热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。屏、管道、阀门、泵等的主要选材。4双相不锈钢（如1Cr21Ni5Ti，1Cr18Mn10Ni5Mo3N）w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。w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
14、-95%；Cr21和Cr25以铁素体为基，铁素体占50-70%。w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。w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。w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。w这类钢有
15、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。w典型的牌号有：w0Cr17Ni4Cu4Nb（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w镍基合金，w钛合金，w轴承合金等4.3.1镍及镍基合金w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。w以含镍或铁镍为主的耐热合
16、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w这类合金包括：w因科镍合金（Inconel,约含15%Cr，7%Fe及少量其它元素）；w哈斯特合金（Hastelloy,含15-30%Mo,加上Cr,Fe等）；w因科洛伊合金（Incoloy800,含Ni32-35%，Cr20-23%,Fe39.5%）。w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。w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w
17、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w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。w钛的导热性差，只有铁的1/5，弹性模量较低，屈强比较高。w纯钛塑性好、强度低，容易加工成型，可制成细丝和薄片。w钛有同
18、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w按其显微组织分，可分为：w型（TA系）、w型（TB系）、w+型（TC系）三类。钛合金（TA）w主要含有稳定剂，钛中加入氧、氮、碳、铝、硼等相稳定元素，获得钛合金。w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）。w-Ti是耐热钛合金的基础，具有良好的焊接性。w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
19、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。w典型的牌号是TA7,成分为Ti-5Al-2.5Sn。2钛合金(TB)w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。w钛合金又可以分为可热处理的（亚稳定）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。w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。w典型
20、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)w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%。w钛中加入相稳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%。w典型的牌号是TC4,成分为Ti-6Al-4V。该合金经
21、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。w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。4.3.3 轴承合金w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。w轴承材料应该是既软又硬。太硬，会磨损轴颈；太软，承载
22、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w足够的力学性能，（强度、硬度、塑性、韧性）抗疲劳、耐冲击和振动；w良好的耐磨性和磨合能力；w良好的耐蚀性能及较高的导热性能和较低的热膨胀系数w常用的轴承合金有两类：一类为锡基，另一类为铅基。这两类合金也称为巴氏合金（参见表4-9）。w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w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（
23、Ch）SnSb11Cu6，就代表锡基铸造轴承，含锑11%，含铜6%。w锡基轴承合金：最常用牌号是：wZ（Ch）SnSb11Cu6。锡基轴承合金最常用牌号是Z（Ch）SnSb11Cu6w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w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。w含锑16%，锡16%，铜2%。w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。w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。
