Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Калин Физическое материаловедение Том 6 Част 1 2008.pdf
Скачиваний:
717
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
33.41 Mб
Скачать

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ФИЗИЧЕСКОЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

В шести томах

Под общей редакцией Б. А. Калина

Том 6

Часть 1. 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 2008

УДК 620.22(075) ББК 30.3я7 К17

ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов. В 6 т.

/ Под общей ред. Б.А. Калина. – М.: МИФИ, 2008. ISBN 978-5-7262-0821-3

Том 6. Часть 1. Конструкционные материалы ядерной техники. /

Б.А. Калин, П.А. Платонов, И.И. Чернов, Я.И. Штромбах. – М.: МИФИ, 2008. – 672 с.

Учебник «Физическое материаловедение» представляет собой 6-том- ное издание учебного материала по всем учебным дисциплинам базовой материаловедческой подготовки, проводимой на 5–9 семестрах обучения студентов по кафедре Физических проблем материаловедения Московского инженерно-физического института (государственного университета).

Данная книга содержит описания конструкционных материалов, применяемых 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 специальности «Физика конденсированного состояния», и аспирантов, специализирующихся в области физики конденсированных сред и материаловедения, и может быть полезен молодым специалистам в области физики металлов, твердого тела и материаловедения.

Учебник подготовлен в рамках Инновационной образовательной программы

ISBN 978-5-7262-0821-3

ISBN 978-5-7262-1073-5 (т. 6, ч. 1)

©Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2008

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Основные условные обозначения и сокращения ......................................

5

Предисловие к части 1 тома 6 ....................................................................

9

ГЛАВА 23. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Введение....................................................................................................

11

23.1. Конструкционные материалы на основе легких металлов...........

17

23.1.1. Алюминий и его сплавы...........................................................

17

23.1.2. Магний и его сплавы ...............................................................

55

23.1.3. Бериллий и его сплавы..............................................................

68

23.1.4. Титан и его сплавы....................................................................

88

Контрольные вопросы ..........................................................................

112

23.2. Конструкционные материалы на основе циркония .....................

117

23.2.1. Свойства циркония ...................................................................

117

23.2.2. Влияние легирования на структуру, механические

 

свойства и жаропрочность циркония ......................................

128

23.2.3. Коррозионная стойкость циркония и его сплавов .................

151

23.2.4. Взаимодействие циркония и его сплавов с водородом .........

174

23.2.5. Коррозионное растрескивание под напряжением .................

184

23.2.6. Модифицирование структурно-фазового состояния

 

поверхностных слоев сплавов циркония ................................

187

23.3.7. Радиационная стойкость циркония и его сплавов..................

193

Контрольные вопросы...........................................................................

211

23.3. Конструкционные материалы на основе на основе железа ........

216

23.3.1. Железо и взаимодействие его с другими элементами .......

216

23.3.2. Классификация и маркировка сталей .....................................

222

23.3.3. Влияние легирования на структуру и механические

 

свойства сталей .........................................................................

228

23.3.4. Теплоустойчивые и жаропрочные стали ................................

263

23.3.5. Углеродистые и низколегированные стали перлитного

 

класса .........................................................................................

269

23.3.6. Хромистые стали ......................................................................

313

23.3.7. Жаропрочные коррозионно-стойкие стали аустенитного

 

класса .........................................................................................

370

Контрольные вопросы...........................................................................

476

23.4. Жаропрочные никелевые сплавы ..................................................

482

23.4.1. Основные свойства никеля ......................................................

482

23.4.2. Легирующие элементы и примеси в никелевых сплавах ......

482

23.4.3. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства

 

никелевых сплавов ...................................................................

489

23.4.4. Коррозионная стойкость никелевых сплавов ........................

509

3

23.4.5. Области применения никелевых сплавов ..............................

512

Контрольные вопросы .......................................................................

527

23.5. Конструкционные материалы на основе тугоплавких металлов

 

с ОЦК решеткой ............................................................................

529

23.5.1. Особенности легирования тугоплавких металлов ................

529

23.5.2. Пластичность тугоплавких металлов и их обработка ...........

562

23.5.3. Окисление тугоплавких ОЦК металлов ................................

573

23.5.4. Взаимодействие тугоплавких металлов

 

с жидкометаллическими теплоносителями ...........................

581

23.5.5. Радиационная стойкость и применение тугоплавких

 

металлов в ЯЭУ и ТЯР ..........................................................

587

Контрольные вопросы .......................................................................

605

23.6. Реакторный графит ......................................................................

607

23.6.1. Конструкционный графит и его свойства .............................

607

23.6.2. Физические свойства графита ...............................................

619

23.6.3. Механические свойства графита ...........................................

626

23.6.4. Коррозионная стойкость графита ..........................................

629

23.6.5. Влияние облучения на свойства конструкционного

 

графита ...................................................................................

634

23.6.6. Применение графита в ЯЭУ и ТЯР .......................................

649

Контрольные вопросы .......................................................................

656

Список использованной литературы ....................................................

658

Предметный указатель .........................................................................

663

4

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

A атомная масса; аустенит а, b, с параметры решетки ак ударная вязкость (удельная

работа зарождения и роста трещины)

Аост остаточный аустенит Ап переохлажденный аустенит

АФ коэффициент радиационного охрупчивания

b вектор Бюргерса

BWR boiling water reactor

C H2 концентрация водорода

Сi концентраия i-го легирующего элемента

Сlk коэффициент анизотропии ползучести

Gn коэффициент радиационного роста Ср теплоемкость

CANDU канадский тяжеловод-

ный реактор (Canadian Deuterium Uranium)

Сrэкв эквивалент хрома

D доза облучения; коэффициент объемной диффузии

d размер зерна; диаметр

Е модульнормальной упругости; напряжение; энергия Един динамический модуль упругости Е0нстандартный потенциал,

электродный потенциал Eb энергия связи

F свободная энергия

fn текстурный показатель; показатель ориентации гидридов;

эффективная доля базисных полюсов в направлении п G модуль сдвига

НВ твердость по Бринеллю HV твердость по Виккерсу Нμ микротвердость

j плотность тока

k постоянная Больцмана KС структурный фактор; модуль ползучести

Ki коэффициент упрочнения феррита

KI коэффициент интенсивности напряжения

KIC вязкость разрушения (критический коэффициент интенсивности напряжения)

KIH критический коэффициент интенсивности напряжения для гидридного растрескивания

L удельная теплота испарения при Тк

l глубина дефекта в канальных трубах; межпластиночное расстояние; средняя длина свободного пробега электронов lкр критическая длина трещины Lm удельная теплота плавления М ориентационный множитель Niэкв эквивалент никеля

ODS oxide dispersion strengthened (steel)

р давление рН водородный показатель

ppm parts per million

PWR pressurized water reactor

РуС пироуглерод

5

QH количество поглощенного водорода

r радиус

ra атомный радиус

rо.п радиус октаэдрической пустоты

rт.п радиус тетраэдрической пустоты

SК истинное сопротивление разрыву

SGHWR тяжеловодный реактор Т температура

Тисп температура испытания Тк температура кипения Тобл температура облучения Тотж температура отжига Тотп температура отпуска Тпл температура плавления Траб рабочая температура

Трекр температура рекристаллизации

Tх температура хрупко-вязкого перехода

TSSD Terminal Solid Solubility at Dissolution

TSSP Terminal Solid Solubility at Precipitation

U потенциал ионизации V удельный объем

v скорость

W работа выхода электронов z порядковый номер элемента изменение величины

F изменение свободной энергии

Gf свободная энергия образования карбидов

GT0 изобарный потенциал образования оксида

G2980 сродство к кислороду Н2980 энтальпия образования

оксида

m привес массы при коррозии Тх прирост температуры хрупко-вязкого перехода

V/V радиационное распухание ΔσП упрочнение за счет перлита

Δσт прирост предела текучести α − растворимость α, β, γ − обозначение твердых фаз

αt коэффициент термического расширения δ − относительное удлинение

δ5 полное удлинение δр равномерное удлинение

εдеформация ползучести; пористость

ε&, vп скорость ползучести

εр деформация радиационной ползучести εро деформация радиационного роста

εт деформация термической ползучести

γстепень графитации; удельная энергия образования свободной поверхности

ϕ − плотность (интенсивность) потока нейтронов λ − теплопроводность; среднее

расстояние между центрами частиц χуд магнитная восприимчивость

Ω − атомный объем ρ − плотность

6

ρd плотность дислокаций ρр пикнометрическая плотность

ρэ удельное электросопротивление σ − напряжение

σ0 теоретическое значение напряжения Пайерлса–Набарро σа сечение захвата тепловых нейтронов

σd сечение образования смещений

σdϕdτν(Е) полное число смещенных атомов в материале σ0,2 и σт предел текучести при растяжении σв предел прочности при растяжении

σсжв разрушающие напряжения

при сжатии σдл предел длительной прочности

τ − время; напряжение сдвига τ1/2 период полураспада τдв критическое напряжение двойникования ν− коэффициентПуассона

ν(Е) каскадная функция ω − отношение α/β ψ − относительное сужение

АЭС атомная электростанция ВВЭР водо-водяной энергетический реактор ВТГР высокотемпературный

реактор с газовым охлаждением 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 плотноупакованная ГЦК гранецентрированный куб

ДУО дисперсно упрочненная оксидами (сталь)

ЖМТ жидкометаллический теплоноситель ЖМ жидкий металл

ЗГР замедленное гидридное растрескивание

ИНПА (SIPA) индуцированная напряжением преимущественная абсорбция точечных дефектов К карбид

КМ конструкционный материал КРН коррозионное растрески-

вание под напряжением М мартенсит

Мк температура конца мартенситного превращения Мн температура начала мартенситного превращения Мотп мартенсит отпуска

МКК межкристаллитная коррозия НТРО низкотемпературное

радиационное охрупчивание ОЦК объемноцентрированный куб ПД продукты деления ядерно-

го топлива ПЭЛ поглощающий элемент

ПЭМ просвечивающий электронный микроскоп

7

РБМК реактор большой мощности канальный РЗМ редкоземельные элементы

РОР Резерфордовское обратное рассеяние РПТ радиационно-пучковые технологии

РТУ радиационно-термическое упрочнение САОЗ система аварийного охлаждения и защиты

САП спеченные алюминиевые порошки

сна смещений на атом СФС структурно-фазовое состояние

ТВС тепловыделяющая сборка твэл тепловыделяющий элемент ТЯР термоядерный реактор Ф феррит

Фн флюенс нейтронов ХД холодная деформация

ЯЭУ ядерно-энергетическая установка

8

Предисловие к тому 6, книге 1

Вразд. 23.1 (авт.: профессоры Б.А. Калин и И.И. Чернов) рассмотрены металлы с высокой удельной прочностью, т.е. наиболее легкие металлы: алюминий и его сплавы, магний и его сплавы, бериллий и его сплавы, титан и его сплавы. Приведены основные свойства металлов и сплавов, принципы легирования и влияние легирования на структуру, механические свойства, коррозионную стойкость металлов, а также конкретные составы и классификация сплавов, их радиационная стойкость и применение. Рассмотрены технологические методы повышения пластичности бериллия и интерметаллидные сплавы системы Ti-Al.

Вразд. 23.2 (авт.: профессоры П.А. Платонов и И.И. Чернов) дано описание циркония и его сплавов. Рассмотрены принципы легирования циркония для создания коррозионно- и радиционно-стойких сплавов, заданного структурно-фазового состояния и текстуры изделий из циркония

иего сплавов, влияние легирования на структуру, механические свойства, жаропрочность и ползучесть циркония. Приведены основные закономерности коррозии сплавов циркония в газе и на воздухе, в воде и паре, фрет- тинг-коррозия и нодулярная коррозия, взаимодействие циркония и его сплавов с водородом, замедленное гидридное растрескивание, проблемы локального гидрирования, коррозионное растрескивание под напряжением, радиационная стойкость.

Вразд. 23.3 (авт.: профессоры И.И. Чернов, Б.А. Калин и Я.И. Штромбах) рассмотрены сплавы на основе железа, т.е. широкий круг сталей. Описаны взаимодействие железа с другими элементами, основные принципы легирования железа, влияние легирования на структуру и механические свойства сталей, классификация и маркировка сталей. Рассмотрены теплоустойчивые и жаропрочные стали, углеродистые и низколегированные стали перлитного класса, коррозионно-стойкие хромистые стали и жаропрочные коррозионно-стойкие стали аустенитного класса. Описаны закономерности взаимодействия сталей с различными средами, включая жидкометаллические теплоносители и химически активные продукты деления ядерного топлива, рассмотрены радиационная стойкость и применение различных классов сталей.

Вразд. 23.4 (авт.: профессоры И.И. Чернов и Б.А. Калин) рассмотрены жаропрочные никелевые сплавы, включая основные свойства никеля, легирующие элементы и примеси в никелевых сплавах, влияние легирую-

9

щих элементов на структурно-фазовое состояние и свойства никелевых сплавов, коррозионную, радиационную стойкость и применение никелевых сплавов

Вразд. 23.5 (авт.: профессоры Б.А. Калин и И.И. Чернов) рассмотрены тугоплавкие металлы и их сплавы с ОЦК решеткой: ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и вольфрам, включая особенности легирования тугоплавких металлов, пластичность тугоплавких металлов и их обработка, окисление тугоплавких ОЦК металлов и жаростойкость, взаимодействие тугоплавких металлов с жидкометаллическими теплоносителями, радиационная стойкость и применение тугоплавких металлов.

Вразд. 23.6 (авт.: профессоры П.А. Платонов, И.И. Чернов и

Я.И. Штромбах) рассмотрен реакторный графит и его свойства, включая технологию получения искусственного графита, структуру и пористость конструкционного графита, физические и механические свойства, коррозионную, радиационную стойкость и применение графитов, а также перспективы применения углеграфитовых С/С-композитов в будущих термоядерных реакторах.

В основу части 1 тома 6 положены учебник и учебные пособия, изданные авторами в последние годы: «Конструкционные материалы ядерных реакторов» (Бескоровайный Н.М., Калин Б.А., Платонов П.А., Чернов И.И.); «Проблемы выбора материалов для термоядерных реакторов: Радиационная эрозия» (Калин Б.А., Скоров Д.М., Якушин В.Л.); «Радиационная эрозия поверхности конструкционных материалов» (Калин Б.А., Чернов И.И.); «Диаграммы состояния и структура конструкционных материалов ядерных реакторов» (Калин Б.А., Чернов И.И., Шишкин Г.Н.).

Учебный материал представлен с учетом уровня физикоматематической подготовки студентов в соответствии с Государственным образовательным стандартом по специальности «Физика металлов».

Книга снабжена списком условных обозначений и сокращений в тексте и предметным указателем. Каждый раздел содержит контрольные вопросы и список литературы, использованной авторами и рекомендуемой студентам для более детального изучения материала.

10

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.