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锆及锆合金篇3

第1章　概述3

1.1　锆的发展简史3

1.2　锆的矿物资源3

1.3　锆的冶炼4

1.4　锆及锆合金的应用5

1.4.1　在核反应堆中的应用5

1.4.2　在化工生产中的应用8

1.4.3　在其他工业中的应用8

1.4.4　锆的化合物及其应用9

1.5　常用锆及锆合金材料9

1.5.1　锆原材料的牌号和化学成分9

1.5.2　核工业用锆及锆合金牌号及化学成分10

参考文献14

第2章　锆的基本性质15

2.1　锆的结晶学15

2.2　锆的物理性能15

2.3　锆的力学性能17

2.4　锆的化学性质18

2.5　锆的核性能19

参考文献20

第3章　锆的合金化21

3.1　锆的合金化原理21

3.2　合金元素的作用22

3.2.1　相图22

3.2.2　元素在锆中的作用30

3.2.3　热处理及其显微组织35

3.3　锆合金的发展41

3.3.1　锆-锡合金41

3.3.2　锆-铌合金42

3.3.3　新型高性能锆合金43

参考文献46

第4章　锆及锆合金加工48

4.1　锆及锆合金的塑性变形48

4.1.1　锆合金塑性变形机理48

4.1.2　锆合金的塑性加工49

4.2　锆合金铸锭制造50

4.2.1　锆合金铸锭制造工艺流程50

4.2.2　铸锭制造工艺50

4.2.3　真空自耗熔炼炉55

4.2.4　真空自耗电弧熔炼铸锭质量与常见缺陷57

4.3　锆合金铸锭锻造58

4.3.1　锆合金锻造工艺58

4.3.2　锻造方法及锻造设备59

4.3.3　锻件的检查和缺陷及消除方法61

4.4　锆及锆合金的挤压63

4.4.1　锆及锆合金挤压工艺63

4.4.2　挤压方法及挤压设备66

4.4.3　常见的挤压制品缺陷及消除方法67

4.5　锆及锆合金棒、板、带、箔材的轧制68

4.5.1　锆及锆合金板带箔材的轧制68

4.5.2　锆及锆合金棒材的轧制74

4.6　锆合金的热处理工艺77

4.6.1　锆合金的β淬火77

4.6.2　真空退火79

参考文献83

第5章　锆合金管材加工85

5.1　锆合金包壳管材加工85

5.1.1　包壳管生产工艺流程85

5.1.2　锆合金包壳管材的轧制85

5.1.3　包壳管的精整与检验90

5.1.4　轧管设备101

5.2　控制棒导向管的制造104

5.2.1　导向管的结构形式与分类104

5.2.2　导向管的制造工艺104

5.3　锆合金压力管制造106

参考文献109

第6章　锆及锆合金的腐蚀111

6.1　锆及锆合金在水和水蒸气中的腐蚀111

6.1.1　非合金锆的腐蚀111

6.1.2　Zr-Sn合金的腐蚀112

6.1.3　Zr-Nb合金的腐蚀116

6.1.4　新型系列锆合金的腐蚀行为117

6.2　锆合金腐蚀氧化膜的显微组织119

6.2.1　锆合金的氧化膜119

6.2.2　第二相粒子的氧化121

6.3　锆合金的高温氧化行为122

6.4　影响锆合金腐蚀行为的因素123

6.4.1　合金成分123

6.4.2　热加工工艺125

6.4.3　表面状态129

6.4.4　水化学129

6.4.5　温度、pH值和热流的影响133

6.4.6　其他134

6.5　腐蚀机理134

6.5.1　均匀腐蚀机理134

6.5.2　LiOH加速腐蚀机理137

6.5.3　非均匀（疖状）腐蚀机理138

6.6　锆合金腐蚀行为研究的思考139

参考文献140

第7章　锆及锆合金的吸氢142

7.1　氢在锆及锆合金中的存在形式142

7.1.1 Zr-H系相图142

7.1.2　氢在锆及锆合金中的溶解度142

7.1.3　氢的来源和吸氢量的表示144

7.1.4　氢的热迁移145

7.1.5　氢化物的相结构146

7.2　氢的危害147

7.2.1　氢化对力学性能的影响147

7.2.2　锆-锡合金的氢致脆化机理153

7.2.3　包壳管的内氢化155

7.3　吸氢机理157

7.3.1　概述157

7.3.2　腐蚀时的吸氢158

7.3.3　氢气的吸收161

7.3.4　通过金属接触的吸氢161

7.3.5　阴极极化时的吸氢161

7.4　影响锆合金吸氢的因素162

7.4.1　材质的影响162

7.4.2　腐蚀环境的影响163

7.4.3　冷却剂流速影响164

7.4.4　辐照的影响164

7.5　氢化物取向及对材料性能的影响165

7.5.1　氢化物的形貌165

7.5.2 氢化物取向和氢化物取向因子167

7.5.3　影响氢化物取向的因素168

7.5.4　氢化物取向对材料性能的影响171

7.5.5　氢化物取向因子的测定方法171

参考文献172

第8章　锆合金在反应堆内的行为174

8.1　辐照损伤和辐照效应174

8.1.1　锆合金基体的辐照效应174

8.1.2　第二相粒子的辐照损伤175

8.1.3　氧化膜的损伤176

8.1.4　辐照生长176

8.1.5　辐照蠕变177

8.1.6　力学行为的变化178

8.2　水的辐照分解178

8.2.1　整体水的辐照分解178

8.2.2　孔隙中水的辐照分解179

8.3　辐照下的腐蚀和吸氢行为179

8.3.1　辐照对腐蚀的影响179

8.3.2　辐照对吸氢的影响182

8.4　锆合金包壳与燃料芯体的相互作用182

8.4.1　燃料芯块与包壳的机械作用183

8.4.2　碘致应力腐蚀183

8.5　锆合金包壳在失水事故下的行为192

8.5.1　失水事故192

8.5.2　失水事故下包壳的行为192

参考文献193

核反应堆用钢和镍基合金篇第9章　钢和镍合金在核反应堆中的应用197

9.1　概述197

9.1.1　压力容器用钢198

9.1.2 堆芯和堆内构件以及控制棒驱动机构用不锈钢和镍合金199

9.1.3 一回路管道和冷却剂泵用不锈钢和镍合金202

9.1.4　蒸汽发生器和热交换器用不锈钢和镍合金203

9.2　核反应堆对钢和镍合金材料性能的特殊要求207

9.2.1 热中子吸收截面和吸收中子后的感生放射性207

9.2.2　轻水堆反应堆压力壳用钢的辐照脆化敏感性210

参考文献215

第10章　核反应堆用低合金高强度钢216

10.1　概述216

10.2　20MnMoNi板材用钢A533-B216

10.2.1　化学成分和热处理制度216

10.2.2　金相组织219

10.2.3　力学性能219

10.3　20MnMoNi锻件用钢A508-3228

10.3.1　化学成分228

10.3.2　金相组织229

10.3.3　力学性能229

10.4　应用实例235

参考文献236

第11章　核反应堆用耐热钢237

11.1　2-1/4Cr-lMo（12Cr2Mo）237

11.1.1　钢号简介237

11.1.2　化学成分237

11.1.3　力学性能237

11.1.4　抗氧化性能和环境因素对性能的影响244

11.1.5　热处理及组织结构247

11.1.6　焊接248

11.1.7　物理性能249

11.1.8　典型应用249

11.2　T91（10Cr9MolVNbN）250

11.2.1　钢种简介250

11.2.2　化学成分251

11.2.3　力学性能251

11.2.4　抗氧化性能255

11.2.5　热处理和组织结构256

11.2.6　焊接257

11.2.7　物理性能258

11.2.8　典型应用实例259

参考文献260

第12章　核反应堆用不锈钢262

12.1 1Cr13262

12.1.1　钢号简介262

12.1.2　化学成分263

12.1.3　力学性能263

12.1.4　抗氧化和耐蚀性270

12.1.5　热处理及组织结构271

12.1.6　工艺性能272

12.1.7　物理性能272

12.1.8　典型应用272

12.2　00Cr13Ni5Mo272

12.2.1　钢号简介272

12.2.2　化学成分273

12.2.3　力学性能273

12.2.4　耐磨蚀性274

12.2.5　热处理和组织275

12.2.6　工艺性能275

12.2.7　物理性能275

12.2.8　应用276

12.3　0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）276

12.3.1　钢号简介276

12.3.2　化学成分276

12.3.3　力学性能278

12.3.4　耐蚀性283

12.3.5　热处理和组织结构285

12.3.6　工艺性能286

12.3.7　物理性能286

12.3.8　典型应用286

12.4　00Cr25Ni6Ti和00Cr26Ni7Mo2Ti双相不锈钢287

12.4.1　钢号简介287

12.4.2　化学成分287

12.4.3　力学性能288

12.4.4　耐蚀性289

12.4.5　热处理及组织结构291

12.4.6　工艺性能291

12.4.7　物理性能292

12.4.8　应用292

12.5　00Cr18Ni6Mo3Si2Nb双相不锈钢292

12.5.1　钢号简介292

12.5.2　化学成分293

12.5.3　力学性能293

12.5.4　耐蚀性294

12.5.5　热处理和组织结构295

12.5.6　工艺性能296

12.5.7　物理性能296

12.5.8　应用297

12.6　0Cr18Ni9（AISI304）和00Cr19Ni10（AISI304L）297

12.6.1　钢号简介297

12.6.2　化学成分300

12.6.3　力学性能300

12.6.4　耐蚀性306

12.6.5　抗辐照性能314

12.6.6　工艺性能319

12.6.7　物理性能319

12.6.8　应用319

12.7　控氮0Cr19Ni10（304NG）钢320

12.7.1　钢号简介320

12.7.2　化学成分320

12.7.3　力学性能321

12.7.4　耐蚀性324

12.7.5　工艺性能327

12.7.6　物理性能327

12.7.7　应用327

12.8 0Cr17Ni12Mo2（AISI316）和00Cr17Ni14Mo2（AISI316L）328

12.8.1　钢号简介328

12.8.2　化学成分328

12.8.3　力学性能330

12.8.4　抗辐照性能336

12.8.5　耐蚀性340

12.8.6　工艺性能344

12.8.7　物理性能344

12.8.8　应用345

12.9　控氮00Cr17Ni12Mo2（316NG）345

12.9.1　钢号简介345

12.9.2　化学成分346

12.9.3　力学性能346

12.9.4　耐蚀性349

12.9.5　工艺性能350

12.9.6　物理性能351

12.9.7　应用351

12.10　0Cr18Ni10Ti（AISI321）352

12.10.1　钢号简介352

12.10.2　化学成分352

12.10.3　力学性能352

12.10.4　耐蚀性357

12.10.5　抗辐照性能357

12.10.6　工艺性能357

12.10.7　物理性能358

12.10.8　应用358

12.11 0Cr18Ni11Nb（AISI347）358

12.11.1　钢号简介358

12.11.2　化学成分358

12.11.3　力学性能359

12.11.4　耐蚀性361

12.11.5　抗辐照性能363

12.11.6　工艺性能364

12.11.7　物理性能364

12.11.8　应用365

12.12　核级316Ti365

12.12.1　钢号简介365

12.12.2　化学成分366

12.12.3　力学性能366

12.12.4　耐蚀性367

12.12.5　抗辐照性能367

12.12.6　工艺性能367

12.12.7　物理性能368

12.12.8　应用368

12.13　316MN（316FR）368

12.13.1　钢号简介368

12.13.2　化学成分368

12.13.3　蠕变断裂性能368

12.13.4　蠕变疲劳性能370

12.13.5　应用370

12.14　304B（0Cr18Ni9B）370

12.14.1　钢号简介370

12.14.2　化学成分370

12.14.3　力学性能370

12.14.4　耐蚀性371

12.14.5　焊接性能371

12.14.6　热处理和组织371

12.14.7　物理性能和吸收中子性能371

12.14.8　应用371

参考文献372

第13章　核反应堆用高镍合金377

13.1　Cr20Ni32型合金377

13.1.1　合金牌号简介377

13.1.2　化学成分378

13.1.3　金相组织379

13.1.4　力学性能379

13.1.5　耐腐蚀性能383

13.1.6　冷、热加工性能387

13.1.7　焊接性能388

13.1.8　物理性能389

13.1.9　应用实例390

13.2　00Cr25Ni35AlTi390

13.2.1　合金牌号简介390

13.2.2　化学成分392

13.2.3　金相组织392

13.2.4　力学性能392

13.2.5　耐腐蚀性能393

13.2.6　冷、热加工性能395

13.2.7　焊接性能396

13.2.8　物理性能399

13.2.9　应用实例399

13.3　0Cr15Ni75Fe399

13.3.1　合金牌号简介399

13.3.2　化学成分400

13.3.3 金相组织400

13.3.4　力学性能400

13.3.5　耐腐蚀性能402

13.3.6　冷、热加工性能406

13.3.7　焊接性能406

13.3.8　物理性能407

13.3.9　应用实例408

13.4　0Cr30Ni60Fe10合金408

13.4.1　合金牌号简介408

13.4.2　化学成分409

13.4.3　金相组织409

13.4.4　力学性能409

13.4.5　耐腐蚀性能411

13.4.6　冷、热加工性能416

13.4.7　焊接性能416

13.4.8　物理性能417

13.4.9　应用实例417

13.5　0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti417

13.5.1　合金牌号简介417

13.5.2　化学成分418

13.5.3　金相组织418

13.5.4　力学性能418

13.5.5　耐腐蚀性能421

13.5.6　冷、热加工性能423

13.5.7　焊接性能423

13.5.8　物理性能425

13.5.9　应用实例425

13.6　0Cr15Ni70Ti3AlNb425

13.6.1　合金牌号简介425

13.6.2　化学成分426

13.6.3　金相组织426

13.6.4　力学性能426

13.6.5　耐腐蚀性能428

13.6.6　冷、热加工性能430

13.6.7　焊接性能431

13.6.8　物理性能431

13.6.9　应用实例431

参考文献432

铝合金篇437

第14章　概述437

14.1　铝工业发展概论437

14.1.1　世界铝工业的发展概况438

14.1.2　中国铝工业的发展概况438

14.1.3　铝合金新材料的发展趋势439

14.2　核用铝合金发展概况439

第15章　铝合金的加工444

15.1　铝合金的合金体系444

15.2　铝合金的加工445

15.2.1　铸造法445

15.2.2　塑性成型法445

15.2.3　深加工法445

15.2.4　按变形过程的应力-应变状态分类445

15.3　铝合金的热处理449

15.3.1　热变形对铝材组织的改善449

15.3.2　热变形制品晶粒度的控制449

15.3.3　热变形的纤维组织450

15.3.4　热变形过程中的回复与再结晶450

15.4　冷变形对铝材组织性能的影响451

15.4.1　冷变形时铝材内部组织的变化451

15.4.2　冷变形对铝材性能的影响452

第16章　铝合金的基本性能及在反应堆中的应用453

16.1　铝合金的基本性能453

16.1.1　纯铝的物理性能和弹性性能453

16.1.2　变形铝合金物理性能及力学性能454

16.2　铝合金在反应堆中的应用及主要问题457

16.2.1　铝合金在反应堆中的应用457

16.2.2　铝合金在核应用中的主要问题459

第17章　铝合金的堆内外行为460

17.1　铝与铀及铀合金的相容性460

17.1.1　铝与铀的相容性460

17.1.2　铝与U3Si2的相容性462

17.1.3　铝与U-Mo的相容性465

17.2　铝合金在堆内的腐蚀行为468

17.2.1 铝及铝合金在堆内的腐蚀行为468

17.2.2　高通量研究堆铝合金包壳的腐蚀481

17.3　铝合金的辐照性能482

17.3.1　辐照对铝性能的影响482

17.3.2　辐照对铝合金性能的影响483

参考文献487