- •от 20 ноября 2008 года МГУП
- •Учебник подготовлен в рамках Инновационной образовательной программы
- •ISBN 978-5-7262-0821-3
- •ISBN 978-5-7262-1073-5 (т. 6, ч. 1)
- •Глава 23. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
- •Глава 23. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
- •Основа
- •Сплав
- •Содержание элементов, мас. %
- •Сплав
- •Содержание элементов, мас. %
- •Другие
- •Деформируемые сплавы
- •23.3. Конструкционные материалы на основе железа
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