核工业无损检测考试-核电金属材料基础-讲义.ppt

1 2020年1月24日星期五 核用金属材料基础郑会 民用核安全无损检测人员培训 2 2020年1月24日星期五 主要内容 第一部分 基本概念第二部分 材料性能第三部分 材料失效 3 2020年1月24日星期五 第一部分 基本概念 1 7 材料的分类 金属材料 黑色 有色 陶瓷材料 无机非金属材料 高分子材料 有机材料 复合材料 金属基 陶瓷基 高分子基 非金属材料 铁 锰 铬合金 铜 镍 钛 铝 4 2020年1月24日星期五 第一部分 基本概念 2 7 金属晶体结构 体心立方 bcc 常见金属有 Fe Cr W Mo V Nb 面心立方 fcc 常见金属有 Fe Al Cu Ni Au Ag Pb 密排六方 hcp 常见金属有Mg Zn Cd Be 5 2020年1月24日星期五 第一部分 基本概念 3 7 钢 0 02 2 C 和铸铁 2 4 5 C 碳素钢 低碳钢 0 02 0 25 C中碳钢 0 25 0 5 C高碳钢 0 5 2 C合金钢 低合金钢 10 合金元素 6 2020年1月24日星期五 第一部分 基本概念 4 7 钢的基本组织 铁素体 F C溶解在 Fe基体中 bcc 强度 硬度低 塑性 韧性好 奥氏体 A C溶解在 Fe基体中 fcc 塑性好 适合压力加工 渗碳体 Cm Fe与C化合物 含6 67 C 硬度很高 塑性很差 珠光体 P F与Cm的机械混合物 强度 硬度较高 塑性 韧性较好 7 2020年1月24日星期五 第一部分 基本概念 5 7 核设备常用结构材料 低碳钢 20HR SA106B 16Mn 冷脆 N P 热脆 S 氢脆 白点 H 二 三级设备 主蒸汽管道 二回路管道 安全壳衬里低合金高强度钢 SA508III SA540 40CrNiMo 合金元素 强化 细化 提高淬透性反应堆压力容器 蒸发器 稳压器 主泵壳体 1 大应力2 高温 高压3 介质冲刷4 辐照 机械和工艺性能抗腐蚀性能抗辐照性能 8 2020年1月24日星期五 第一部分 基本概念 6 7 核设备常用结构材料 奥氏体不锈钢 304 304L 321 316L 18 Cr 8 Ni 常温下单相奥氏体组织点蚀 Cl Br 晶间腐蚀 M23C6 应力腐蚀开裂 Cl 堆内构件 离心浇注主管道 主管道安全端 驱动机构 传热管有色金属 Cu Ni Ti 蒸发器U形管 奥氏体不锈钢 镍基合金 800 600 690 设备冷却器 凝汽器传热管 钛合金 9 2020年1月24日星期五 第一部分 基本概念 7 7 核燃料元件材料 核燃料 U 浓缩铀235U或天然铀燃料芯块燃料包壳 Al合金 不锈钢 Zr合金 10 2020年1月24日星期五 第二部分 材料性能 11 2020年1月24日星期五 力学性能 定义 是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力 第二部分1 力学性能 1 14 12 2020年1月24日星期五 力学性能 强度 硬度 断裂韧度 主要指标 塑性 冲击韧性 第二部分1 力学性能 2 14 拉伸试验 硬度试验 冲击试验 13 2020年1月24日星期五 液压式万能电子材料试验机 第二部分1 力学性能 3 14 拉伸试样 长试样 L0 10d0短试样 L0 5d0 14 2020年1月24日星期五 第二部分1 力学性能 4 14 外力去除后不能消失的变形 随载荷撤除而消失的变形 15 2020年1月24日星期五 强度 材料在外力的作用下抵抗变形和破坏的能力 种类 抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度 抗扭强度等 2 屈服强度 s 第二部分1 力学性能 5 14 16 2020年1月24日星期五 规定残余伸长应力 s r0 2 Fr0 2 S0 第二部分1 力学性能 6 14 17 2020年1月24日星期五 3 抗拉强度 b 试样在断裂前所能承受的最大应力 第二部分1 力学性能 7 14 18 2020年1月24日星期五 塑性 材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力 1 断面收缩率 试样拉断处横截面积S1的收缩量与原始横截面积S0之比 第二部分1 力学性能 8 14 2 断后伸长率 延伸率 试样拉断后的标距伸长量L1与原始标距L0之比 19 2020年1月24日星期五 硬度 材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力 第二部分1 力学性能 9 14 硬度试验方法 1 压入法 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 2 划痕法 金刚石 滑石 3 回跳法 里氏硬度HL 20 2020年1月24日星期五 淬火钢球HBS 450 硬质合金钢球HBW 450 650 120 金刚石圆锥体 70 85HRA 20 70HRC 钢球 25 100HRB FFHB S Dh HR h 0 002 维氏硬度计 锥面夹角为136 的金刚石正四棱锥体 与布氏硬度试验原理基本相同 HV F S 第二部分1 力学性能 10 14 21 2020年1月24日星期五 韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 第二部分1 力学性能 11 14 试样冲断时所消耗的冲击功Ak为 Ak mgh mgh J 冲击韧度ak 试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功ak Ak S J cm 22 2020年1月24日星期五 韧脆转变温度 T ak急剧 韧性 脆性 第二部分1 力学性能 12 14 金属材料的韧脆转变温度越低 材料的低温冲击韧性越好 23 2020年1月24日星期五 断裂韧度 低应力脆断有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂 第二部分1 力学性能 13 14 当KI达到临界值KIC时 零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂 而KI KIC时 零件安全可靠 应力场强度因子KI Y a1 2 24 2020年1月24日星期五 断裂韧度KIC 材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示 反应材料有裂纹存在时 抵抗脆性断裂的能力 KIC可通过试验来测定 它是材料本身的特性 与材料成分 热处理及加工工艺等有关 为安全设计提供了一个重要的力学性能指标 第二部分1 力学性能 14 14 25 2020年1月24日星期五 第二部分2 辐射性能 1 4 核性能堆芯材料 中子吸收截面小 铀燃料包壳 中子吸收截面小 锆合金调节棒 中子吸收截面大 Ag In Cd合金慢化剂 中子吸收截面小 反射截面大 水 铍 26 2020年1月24日星期五 辐照效应辐照脆化 屈服极限增加 塑性 韧性下降控制Cu 0 08 P 0 008 含量辐照监督试样辐照肿胀 燃料芯块 第二部分2 辐射性能 2 4 27 2020年1月24日星期五 第二部分2 辐射性能 3 4 活化某些合金成分随一回路水流入堆芯 受到中子照射后生成放射性核素 产生放射性 活化产物 59Co 60Co 58Ni 58Co 56Mn 59Fe堆芯及与一回路水接触的材料 活化弱 耐蚀 奥氏体不锈钢 28 2020年1月24日星期五 第二部分2 辐射性能 4 4 抗腐蚀性 高能量和高通量辐照 水分解 O2 H2O2 电化学效应 表面原子能量增加表面保护性氧化膜分解 腐蚀速率 29 2020年1月24日星期五 第二部分3 热处理 1 5 通过加热和冷却的方法 改变金属内部或表面的组织结构 以获得预期性能的工艺方法 根据热处理时加热冷却规范的基本特点及其对组织性能的影响 金属热处理可分为普通热处理 表面热处理和特殊热处理 30 2020年1月24日星期五 普通热处理包括退火 正火 淬火和回火处理退火将钢加热到一定温度进行保温 缓冷以获得接近平衡组织的热处理工艺 完全退火 不完全退火 去应力退火 第二部分3 热处理 2 5 31 2020年1月24日星期五 正火将钢加热到AC3以上温度并保温 出炉空冷至室温 得到珠光体组织的热处理 珠光体变薄 钢的强度 硬度 韧性提高 核承压容器用低碳钢 淬火将钢加热到AC1或AC3以上温度并保温 出炉快速冷却 使奥氏体转变成为马氏体的热处理工艺 提高强度 硬而脆 焊缝中不希望出现 回火把淬火后的钢件 重新加热到AC1以下某一温度 经保温后空冷至室温的热处理工艺 适当降低强度 硬度 提高塑韧性 核电主设备低合金高强度钢 调质 淬火 高温回火 第二部分3 热处理 3 5 32 2020年1月24日星期五 表面热处理包括表面淬火和化学热处理表面淬火是通过快速加热金属表面层至所要求的温度 然后进行淬火 以提高金属表面的硬度和耐磨性 化学热处理是将金属工件置于一定活性介质中加热保温 使介质元素渗入工件表面 改变其表面的化学成分和组织结构 使表面达到预期要求的性能 常用的化学热处理包括渗碳 渗氮和碳氮共渗 又称氰化 第二部分3 热处理 4 5 33 2020年1月24日星期五 第二部分3 热处理 5 5 热处理缺陷氧化和脱碳 硬度不足 疲劳性能 硬度不足与软点 淬火工艺不当 过热和过烧 晶粒粗大 晶界熔化或氧化 变形与开裂 淬火应力太大 34 2020年1月24日星期五 第二部分4 压力加工 1 3 在外力的作用下 使金属坯料产生塑性变形 从而获得一定形状 尺寸和力学性能的原材料 毛坯或零件的成型加工方法 核承压部件的毛坯和成品多数是经过锻造 轧制等压力加工方法生产的 轧制 自由锻和模锻 35 2020年1月24日星期五 第二部分4 压力加工 2 3 挤压是坯料在压力下从模孔中挤出 横截面变小 长度增加的加工方法 在核工业 它是铀及铀合金广泛采用的加工方法之一 冷拔是坯料在拉力下从模孔拉出 横截面变小 长度增加的加工方法 冲压是板材在压力下从模孔中挤出 横截面变小 长度增加的加工方法 36 2020年1月24日星期五 第二部分4 压力加工 3 3 压力加工缺陷氧化 脱碳 这会降低了强度和抗疲劳性 过热和过烧 热裂纹 终锻温度太低 内部应力和相变共同作用 会导致裂纹 锻造裂纹 内部偏析产生或外部掉入的夹杂物 钢中的氢和锻造过程中的应力共同作用 产生与裂纹一样危险的缺陷 白点 轧制由于只在一个方向进行压力加工 缺陷在长度方向的连续性将增大 除了裂纹 夹杂物和偏析外还存在分层和折叠等缺陷 挤压工艺产生缺陷的主要类型有疏松 裂纹 折叠和一些线性缺陷 37 2020年1月24日星期五 第二部分5 焊接 1 4 钢材焊接性的估算方法 影响钢材焊接性的主要因素是化学成分 碳的影响最明显 其它元素影响可折合成碳的影响 计算公式见w C 当量 w C w Mn 6 w Cr w Mo w V 5 W Ni w Cu 15 式中各元素符号为钢中相应元素的质量百分数 0 4 0 6 38 2020年1月24日星期五 第二部分5 焊接 2 4 39 2020年1月24日星期五 第二部分5 焊接 3 4 40 2020年1月24日星期五 第二部分5 焊接 4 4 焊接缺陷焊接应力 热 组织 拘束 焊接裂纹 热 冷 再热 气孔 夹渣 未熔合 母材与焊缝或焊道间 和未焊透 母材 外观缺陷 咬边 焊瘤 凹陷 烧穿 41 2020年1月24日星期五 第二部分6 铸造 1 3 铸造的特点 特点 方便 低廉 适应性强 铸件的力学性能较差 质量不够稳定 42 2020年1月24日星期五 第二部分6 铸造 2 3 铸造的方法 a 砂型铸造把液态金属浇注到砂型内而获得铸件的方法 核电厂主管道弯管 b 熔模铸造c 金属型铸造把液态金属浇注到金属铸型内而获得铸件的方法 d 压力铸造熔融金属在高压下高速充型并获得铸件的方法称压力铸造 e 离心铸造将液态金属浇入高速旋转的铸型 在离心力作用下凝固成型的铸造方法 核电厂主管道直管 43 2020年1月24日星期五 第二部分6 铸造 3 3 铸造的缺陷 缩孔 大而集中 和缩松 细小而分散 熔液供给不足 铸件的热裂 热应力 铸件的冷裂 超过极限强度 与变形 超过屈服强度 残余铸造应力 气孔和非金属夹杂物 冷隔 温度偏低 形成带有氧化层的隔层 44 2020年1月24日星期五 第三部分 材料失效 1 4 腐蚀和应力腐蚀开裂 SCC 化学腐蚀和电化学腐蚀全面腐蚀和局部腐蚀SCC1 很小拉应力 残余应力 2 低浓度特定介质 硝脆 氯脆 3 开裂速度 均匀腐蚀 而且隐蔽性强 危害性大往往失效断裂时才发现 45 2020年1月24日星期五 第三部分 材料失效 2 4 冲蚀 气蚀和流动加速腐蚀 FAC 46 2020年1月24日星期五 第三部分 材料失效 3 4 疲劳交变载荷 长时间作用下发生失效 反应堆管路中产生的有节奏震动 可能产生0 1Mpa的交变应力 而核动力装置启动或停车时 由于热应力作用 金属的变形量可达0 5 以上 可能经过几千次循环就破坏 这时称为低