Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Калин Физическое материаловедение Том 6 Част 1 2008.pdf
Скачиваний:
1028
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
33 Мб
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 Е0н− стандартный 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

ε− деформация ползучести; пористость

ε&, vп − скорость ползучести

εр − деформация радиационной ползучести εро − деформация радиационного роста

εт − деформация термической ползучести

γ− степень 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