Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
ФИЗИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
В восьми томах
Под общей редакцией Б.А. Калина
Издание третье, переработанное
Том 6
Конструкционные материалы
ядерной техники
Рекомендовано ИМЕТ РАН в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению
«Ядерные физика и технологии».
Регистрационный номер рецензии 183
от 20 ноября 2008 года МГУП
Москва 2021
Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
Национальный исследовательский ядерный университет
«МИФИ»
2
УДК 620.22(075)
ББК 30.3я7
К17
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов: В 8 т.
/
Под общей ред. Б.А. Калина. Изд. 3-е, перераб. – М.: НИЯУ МИФИ, 2021.
ISBN 978-5-7262-2724-5
Том 6. Конструкционные материалы ядерной техники. / Б.А. Ка-
лин, П.А. Платонов, Ю.В.Тузов, И.И. Чернов, Я.И. Штромбах. – М.:
НИЯУ МИФИ, 2021. Изд. 3-е, перераб. – 736 с.
Учебник «Физическое материаловедение» представляет собой 8-том-
ное издание учебного материала по основным учебным дисциплинам ба-
зовой материаловедческой подготовки специалистов по кафедре «Физиче-
ские проблемы материаловедения» Национального исследовательского
ядерного университета «МИФИ».
Данная книга содержит описания конструкционных материалов, при-
меняемых в ядерных реакторах и термоядерных установках, включая
алюминий, магний, бериллий, титан, цирконий и их сплавы, различные
группы сталей, в том числе перлитные, коррозионно-стойкие хромистые и
хромоникелевые, высоконикелевые сплавы, тугоплавкие металлы и их
сплавы, реакторный графит. Подробно рассмотрены структурно-фазовые
состояния сплавов, свойства и применение.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлениям
«Ядерные физика и технологии» и «Материаловедение и технологии ма-
териалов» и аспирантов, специализирующихся в области физики конден-
сированных сред и материаловедения, и может быть полезен молодым
специалистам в области физики металлов, твердого тела и материалове-
дения.
ISBN 978-5-7262-2724-5
ISBN 978-5-7262-2730-6 (т. 6)
© Национальный исследовательский
ядерный университет «МИФИ», 2021
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Основные условные обозначения и сокращения .......................................... 7
Предисловие к тому ....................................................................................... 11
Глава 23. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ .......................................... 13
23.1. Алюминий и его сплавы .................................................................. 19
23.1.1. Влияние легирования на структуру и механические
свойства алюминия .............................................................. 21
23.1.2. Влияние легирования на коррозионную
стойкость алюминия ........................................................... 39
23.1.3. Применение алюминиевых сплавов ................................... 48
23.2. Магний и его сплавы ....................................................................... 57
23.2.1. Свойства магния .................................................................. 57
23.2.2. Влияние легирования на структуру
и механические свойства магния ....................................... 58
23.2.3. Влияние легирования на коррозионную
стойкость магния ................................................................. 64
23.2.4. Применение магниевых сплавов ....................................... 67
23.3. Бериллий и его сплавы .................................................................... 70
23.3.1. Свойства бериллия ............................................................... 70
23.3.2. Получение металлического бериллия ................................ 79
23.3.3. Влияние легирования на структуру и механические
свойства бериллия ............................................................... 82
23.3.4. Технологические методы повышения
пластичности бериллия ....................................................... 87
23.3.5. Сплавы бериллия и их применение .................................... 92
23.4. Титан и его сплавы ........................................................................ 100
23.4.1. Свойства титана ................................................................. 100
23.4.2. Взаимодействие титана с легирующими элементами .... 102
23.4.3. Классификация и структура сплавов титана .................. 105
23.4.4. Термическая обработка и фазовый состав
титановых сплавов ............................................................. 111
23.4.5. Коррозионная стойкость сплавов титана ......................... 115
23.4.6. Промышленные сплавы титана и их применение ........... 117
Контрольные вопросы ................................................................................. 124
Глава 24. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЯ ........................................................ 130
24.1. Свойства циркония ....................................................................... 130
24.1.1. Текстура изделий из циркония и его сплавов ................. 134
24.1.2. Ползучесть циркония и его сплавов ................................. 137
4
24.2. Влияние легирования на структуру, механические
свойства и жаропрочность циркония .......................................... 142
24.3. Коррозионная стойкость циркония и его сплавов ...................... 164
24.3.1. Взаимодействие с кислородом ......................................... 167
24.3.2. Коррозия в углекислом газе и на воздухе ........................ 169
24.3.3. Коррозия в воде и паре ...................................................... 169
24.3.4. Влияние примесей и легирующих элементов
на коррозионную стойкость циркония ............................ 173
24.3.5. Влияние структурно-фазового состояния
на коррозию циркониевых сплавов ................................. 182
24.3.6. Влияние внешних факторов на коррозию
циркониевых сплавов ........................................................ 186
24.4. Взаимодействие циркония и его сплавов с водородом .............. 190
24.4.1. Замедленное гидридное растрескивание ......................... 195
24.4.2. Локальное гидрирование ................................................... 200
24.5. Коррозионное растрескивание под напряжением ....................... 201
24.6. Модифицирование структурно-фазового состояния
поверхностных слоев сплавов циркония ..................................... 204
24.7. Радиационная стойкость циркония и его сплавов ...................... 209
24.7.1. Сопротивление хрупкому разрушению .......................... 211
24.7.2. Радиационное формоизменение ....................................... 214
Контрольные вопросы .................................................................................. 228
Глава 25. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ............................................................... 232
25.1. Железо и взаимодействие его с другими элементами ............... 232
25.2. Классификация и маркировка сталей .......................................... 238
25.3. Влияние легирования на структуру и механические
свойства сталей ............................................................................. 244
25.3.1. Сплавы системы Fe−С ....................................................... 244
25.3.2. Влияние углерода на структуру Fe−Сr
и Fe−Cr−Ni сталей ............................................................. 257
25.3.3. Структура стали ................................................................. 268
25.3.4. Упрочняющие фазы в сталях и сплавах ........................... 271
25.3.5. Формирование структуры стали путем
термической обработки ..................................................... 273
25.4. Теплоустойчивые и жаропрочные стали .................................... 278
25.5. Углеродистые и низколегированные стали
перлитного класса .......................................................................... 284
25.5.1. Химический состав и структура перлитных сталей ....... 285
25.5.2. Термическая обработка перлитных сталей ...................... 297
25.5.3. Коррозионная стойкость перлитных сталей .................... 300
5
25.5.4. Применение перлитных сталей в атомной технике ........ 305
25.5.5. Взаимодействие перлитных реакторных сталей
с водородом ........................................................................ 309
25.5.6. Радиационная стойкость перлитных сталей ................... 315
25.6. Хромистые стали............................................................................ 327
25.6.1. Сплавы системы Fe−Cr ...................................................... 327
25.6.2. Влияние легирования на структуру и свойства
хромистых сталей .............................................................. 331
25.6.3. Хромистые стали мартенситного класса ......................... 335
25.6.4. Двухфазные хромистые стали .......................................... 353
25.6.5. Ферритные хромистые стали ............................................ 359
25.6.6. Мартенситно-стареющие стали ........................................ 361
25.6.7. Коррозионная стойкость хромистых сталей ................... 375
25.6.8. Применение хромистых сталей ........................................ 391
25.7. Жаропрочные коррозионно-стойкие стали
аустенитного класса ..................................................................... 401
25.7.1. Сплавы систем Fe–Cr–Ni и Fe–Cr–Мn ............................. 401
25.7.2. Влияние легирования на структуру и свойства
аустенитных сталей ........................................................... 405
25.7.3. Гомогенные стали .............................................................. 425
25.7.4. Стали с карбидным упрочнением ..................................... 448
25.7.5. Стали с интерметаллидным упрочнением ....................... 450
25.7.6. Коррозионная стойкость аустенитных сталей ................ 458
25.7.7. Применение аустенитных коррозионно-стойких
сталей в ЯЭУ ...................................................................... 499
Контрольные вопросы .................................................................................. 523
Глава 26. ЖАРОПРОЧНЫЕ НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ ............................ 529
26.1. Основные свойства никеля ........................................................... 529
26.2. Легирующие элементы и примеси в никелевых сплавах .......... 529
26.2.1. Диаграмма состояния Ni−Cr ............................................. 534
26.2.2. Диаграммы состояния Ni−Ti и Ni−Al ............................... 535
26.3. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства
никелевых сплавов ......................................................................... 536
26.4. Коррозионная стойкость никелевых сплавов .............................. 554
26.5. Области применения никелевых сплавов .................................... 557
26.6. Радиационная стойкость и применение жаропрочных
никелевых сплавов в ЯЭУ ............................................................. 565
Контрольные вопросы ................................................................................. 571
Глава 27. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ
ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ С ОЦК РЕШЕТКОЙ ............. 573
27.1. Особенности легирования тугоплавких металлов ..................... 573
6
27.1.1. Сплавы на основе ванадия ................................................ 582
27.1.2. Сплавы на основе ниобия .................................................. 586
27.1.3. Сплавы на основе тантала ................................................. 592
27.1.4. Сплавы на основе хрома .................................................... 594
27.1.5. Сплавы на основе молибдена ............................................ 597
27.1.6. Сплавы на основе вольфрама ............................................ 602
27.2. Пластичность тугоплавких металлов и их обработка ................. 605
27.3. Окисление тугоплавких ОЦК металлов ....................................... 616
27.4. Взаимодействие тугоплавких металлов
с жидкометаллическими теплоносителями ................................. 623
27.5. Радиационная стойкость и применение
тугоплавких металлов ................................................................... 629
27.5.1. Радиационное упрочнение ................................................ 629
27.5.2. Радиационное охрупчивание ............................................ 633
27.5.3. Радиационное распухание ................................................. 635
27.5.4. Применение тугоплавких металлов в ЯЭУ и ТЯР .......... 637
27.5.5. Другие области применения тугоплавких металлов ....... 640
Контрольные вопросы .................................................................................. 648
Глава 28. РЕАКТОРНЫЙ ГРАФИТ ............................................................ 650
28.1. Конструкционный графит и его свойства .................................... 650
28.1.1.Технология получения искусственного графита ............. 653
28.1.2. Пористость конструкционного графита .......................... 657
28.1.3. Кристаллическая структура углеродных материалов ..... 659
28.1.4. Физические свойства графита........................................... 662
28.1.5. Механические свойства графита ...................................... 669
28.2. Коррозионная стойкость графита ................................................. 671
28.3. Влияние облучения на свойства конструкционного графита .... 676
28.3.1. Радиационные дефекты в графите .................................... 676
28.3.2. Изменение физических свойств ........................................ 682
28.3.3. Изменение механических свойств .................................... 686
28.3.4. Механизм деградации и критерии работоспособности
графита ............................................................................... 688
28.4. Применение графита в ЯЭУ и ТЯР .............................................. 690
28.4.1. Графит для высокотемпературного использования ........ 691
28.4.2. Мелкозернистые (квазиизотропные) графиты ................ 694
28.4.3. Легированные рекристаллизованные графиты ............... 695
28.4.4. С/C-композиты ................................................................... 696
28.5. Другие области применения графита ........................................... 698
Контрольные вопросы .................................................................................. 705
Список использованной литературы .......................................................... 706
Предметный указатель ................................................................................. 713
7
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
И СОКРАЩЕНИЯ
A − атомная масса; аустенит
а, b, с − параметры решетки
а
к
− ударная вязкость (удельная
работа зарождения и роста
трещины)
А
ост
− остаточный аустенит
А
п
− переохлажденный аустенит
А
Ф
− коэффициент радиационно-
го охрупчивания
b − вектор Бюргерса
C
2
H
− концентрация водорода
С
i
− концентраия i-го легирую-
щего элемента
С
lk
− коэффициент анизотропии
ползучести
G
n
− коэффициент радиационно-
го роста
С
р
− теплоемкость
Сr
экв
− эквивалент хрома
D − доза облучения; коэффици-
ент объемной диффузии
d − размер зерна; диаметр
Е − модуль нормальной упруго-
сти; напряжение; энергия
Е
дин
− динамический модуль
упругости
Е
0
н
− стандартный потенциал,
электродный потенциал
E
b
− энергия связи
F − свободная энергия
f
n
− текстурный показатель; по-
казатель ориентации гидридов;
эффективная доля базисных
полюсов в направлении п
G − модуль сдвига, свободная
энергия Гиббса
НВ − твердость по Бринеллю
HV − твердость по Виккерсу
Н
μ
− микротвердость
j − плотность тока
k − постоянная Больцмана
K
С
− структурный фактор; мо-
дуль ползучести
K
i
− коэффициент упрочнения
феррита
K
I
− коэффициент интенсивно-
сти напряжения
K
IC
− вязкость разрушения (кри-
тический коэффициент интен-
сивности напряжения)
K
IH
− критический коэффициент
интенсивности напряжения для
гидридного растрескивания
L − удельная теплота испарения
при Т
к
l − глубина дефекта в канальных
трубах; межпластиночное рас-
стояние; средняя длина сво-
бодного пробега электронов
l
кр
− критическая длина трещины
L
m
− удельная теплота плавления
М − ориентационный множитель
Ni
экв
− эквивалент никеля
р − давление
рН − водородный показатель
ppm − parts per million (концен-
трация)
Q
H
− количество поглощенного
водорода
r − радиус
r
a
− атомный радиус
8
r
о.п
− радиус октаэдрической пу-
стоты
r
т.п
− радиус тетраэдрической
пустоты
S
К
− истинное сопротивление
разрыву
Т − температура
Т
исп
− температура испытания
Т
к
− температура кипения
Т
обл
− температура облучения
Т
отж
− температура отжига
Т
отп
− температура отпуска
Т
пл
− температура плавления
Т
раб
− рабочая температура
Т
рекр
− температура рекристалли-
зации
T
хр
− температура хрупко-
вязкого перехода
U − потенциал ионизации
V − удельный объем
v − скорость
W − работа выхода электронов
z − порядковый номер элемента
Δ − изменение величины
ΔF − изменение свободной энер-
гии Геймгольца
ΔG
f
− изменение свободной
энергия Гиббса при образова-
нии карбидов
Δ
0
T
G
− изменение свободной
энергия Гиббса при образова-
нии оксида
Δ
0
298
G
− сродство к кислороду
Δ
0
298
Н
− энтальпия образования
оксида
Δ
m − привес массы при коррозии
Δ
Т
хр
− сдвиг температуры хруп-
ко-вязкого перехода
Δ
V/V − радиационное распуха-
ние
Δσ
П
− упрочнение за счет перли-
та
Δσ
т
− прирост предела текучести
α − растворимость
α, β, γ − обозначение твердых
фаз
α
t
− коэффициент термического
расширения
δ − относительное удлинение
δ
5
− полное относительное удли-
нение
δ
р
− равномерное относительное
удлинение
ε − деформация ползучести; по-
ристость
ε
, v
п
− скорость ползучести
ε
р
− деформация радиационной
ползучести
ε
ро
− деформация радиационного
роста
ε
т
− деформация термической
ползучести
γ − степень графитации; удель-
ная энергия образования сво-
бодной поверхности
ϕ − плотность (интенсивность)
потока нейтронов
λ − теплопроводность; среднее
расстояние между центрами
частиц
χ
уд
− магнитная восприимчи-
вость
Ω − атомный объем
ρ − плотность
ρ
d
− плотность дислокаций
ρ
р
− пикнометрическая плот-
ность
9
ρ
э
− удельное электросопротив-
ление
σ
− напряжение
σ
0
− теоретическое значение
напряжения Пайерлса–Набарро
σ
а
− сечение захвата тепловых
нейтронов
σ
d
− сечение образования сме-
щений
σ
d
ϕ
d
τν(Е) − полное число сме-
щенных атомов в материале
σ
0,2
и σ
т
− предел текучести при
растяжении
σ
в
− предел прочности при рас-
тяжении
сж
в
σ
− разрушающие напряжения
при сжатии
σ
дл
− предел длительной прочно-
сти
τ − время; напряжение сдвига
τ
1/2
− период полураспада
τ
дв
− критическое напряжение
двойникования
ν − коэффициент Пуассона
ν(
Е) − каскадная функция
k
r
− отношение α/β
ψ − относительное сужение
BWR − boiling water reactor
CANDU − канадский тяжеловод-
ный реактор (Canadian Deuteri-
um Uranium)
ODS − oxide dispersion strength-
ened (steel)
PWR − pressurized water reactor
РуС − пироуглерод
SGHWR − тяжеловодный реак-
тор
TSSD − Terminal Solid Solubility
at Dissolution
TSSP − Terminal Solid Solubility
at Precipitation
АЭС − атомная электростанция
ВВЭР − водо-водяной энергети-
ческий реактор
ВТГР − высокотемпературный
реактор с газовым охлаждени-
ем
ВТИП − высокотемпературная
импульсная плазма
ВТРО − высокотемпературное
радиационное охрупчивание
ВХР −водно-химический режим
Г-П − зоны Гинье–Престона
ГПД − газообразные продукты
деления ядерного топлива
ГПУ − гексагональная плотно-
упакованная решетка
ГЦК − гранецентрированная
кубическая решетка
ДУО − дисперсно-упрочненная
оксидами (сталь)
ЖМТ − жидкометаллический
теплоноситель
ЖМ − жидкий металл
ЗГР − замедленное гидридное
растрескивание
ИНПА (
SIPA) − индуцированная
напряжением преимуществен-
ная абсорбция точечных де-
фектов
К
− карбид
КМ − конструкционный матери-
ал
КРН − коррозионное растрески-
вание под напряжением
М
− мартенсит
М
к
− температура конца мартен-
ситного превращения
10
М
н
− температура начала мар-
тенситного превращения
М
отп
− мартенсит отпуска
МКК − межкристаллитная кор-
розия
НТРО − низкотемпературное
радиационное охрупчивание
ОЦК − объемноцентрированная
кубическая решетка
ПД − продукты деления ядерно-
го топлива
ПЭЛ − поглощающий элемент
ПЭМ − просвечивающий элек-
тронный микроскоп
РБМК − реактор большой мощ-
ности канальный
РЗМ − редкоземельные металлы
РОР − Резерфордовское обрат-
ное рассеяние
РПТ − радиационно-пучковые
технологии
РТУ − радиационно-термическое
упрочнение
САОЗ − система аварийного
охлаждения и защиты
САП − спеченные алюминиевые
порошки
сна − смещение на атом
СФС −структурно-фазовое со-
стояние
ТВС − тепловыделяющая сборка
твэл − тепловыделяющий эле-
мент
ТЯР − термоядерный реактор
Ф − феррит
Ф
н
− флюенс нейтронов
ХД − холодная деформация
ЯЭУ − ядерно-энергетическая
установка
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)