1、龙 斌 教授,中国原子能科学研究院研究生院,China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China,核电厂材料Materials for Nuclear Power Plants,福清核电2016年运行人员基础理论培训北京， 2016,China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China,核电厂材料Materials for Nuclear Power Plants,第三章 材料的性能Property of materials for nuclear applicationPa
2、rt 01,压水堆（PWR）,河水、海水或冷却塔,1.安全壳：钢筋混凝土,2.压力容器：低合金钢（A508-III）,3.堆芯：燃料：UO2燃料元件包壳：Zr-4（M5，ZIRLO）组件盒： Zr-4（M5，ZIRLO）,4.控制棒：Ag-In-Cd, B4C,5.蒸发器：外壳：低合金钢传热管：Inconel 600,690,800,6.一回路管道：316,304S.S,7.二回路管道：碳钢,核反应堆用材料,材料的性能,本章需要掌握的要点,了解材料的物理、力学、腐蚀和辐照性能及测试方法； 在反应堆条件（中子辐照、冷却剂介质）下燃料材料降级的原因以及针对各种问题的解决措施。,CIAE，龙斌,3.
3、1 材料的物理性能,密度（density）：每单位体积所具有的质量,符号： 单位： kg/m3 （国际单位制），g/cm3 1g/cm3 =1x103 kg/m3,理论密度th:,实际密度：通过测量确定 理论密度 与实际密度 燃料密度表征一般以 xx% TD 表示,密度的变化与晶体结构相关,核燃料在堆内经过裂变、迁移、肿胀等一系列变化，密度会发生很大变化；包壳和其他结构材料在辐照下也会发生肿胀等导致密度变化,3.1 材料的物理性能,熔点（melting point）：固体材料由固态向液态转变时，固、液两相共存时的恒定温度称为该材料的熔点,燃料的熔点 金属燃料 1406oC UO2燃料 2800
4、oC MOX燃料 2768oC,晶体有固定的熔点，非晶体无固定熔点合金的熔点一般低于纯金属的熔点，共晶成分的合金熔点最低,对核电厂来说，核燃料的熔点高低对于燃料元件设计是非常重要的参数，熔点的变化也是反应堆安全相关的一个重要课题,Q：为什么燃料的熔点对燃料元件的设计非常重要？,3.1 材料的物理性能,比热容（specific thermal capacity）：单位质量物体温度每升高1度所需要的热量,符号：C 单位： J/（kgK）（国际单位制） J/（kg oC）,冷却剂的比热容：水（4200）、氦气（5190）、钠（1230）、铅铋合金（128）C氦气 C水 CNa CLBE,3.1 材料
5、的物理性能,导热系数（thermal conductivity）：导热系数是测量热流通过材料速率的物理量。简单说就是表征材料的热传导性能的参数。,符号：单位： W/（mK）（国际单位制）,冷却剂的导热系数：水（0.62）氦气（0.144）钠（130）铅铋合金（12.6）水蒸汽（0.025）,材料的导热率与材料中的气孔率有关。气孔率增加，材料的密度减小，导热率下降。因此，UO2燃料的热导率和它的密度成正比,材料的导热系数：奥氏体不锈钢（16-21）、锆合金（17-22）,燃料的导热系数：UO2（8.4）,燃料UO2的热导率与氧/铀比、燃耗和温度有关,热导率低的材料在加热和冷却时会产生较大的热应力
6、。核燃料的热导率低，核反应产生的热量传导不出来，会导致中心温度升高。由于较大的温度梯度，造成燃料在堆内环境下的开裂、重结构等一系列变化。,3.1 材料的物理性能,热膨胀（thermal expansion）：物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。微观：加热时相邻原子间距增大,符号： （膨胀系数） 单位： mm/（mmoC）或1/ oC,热膨胀系数：当温度由t1变到t2，长度相应地由L1变到L2时，材料在该温区的平均线膨胀系数定义为：,-,=,L2-L1,L1(t2-t1),=, L,L1, t,材料的膨胀
7、系数：奥氏体不锈钢（17x10-6）、铁素体/马氏体钢（ 12x10-6）、锆合金（6x10-6）,燃料的膨胀系数：UO2（ 13x10-6 ）（1000oC以上）,反应堆中，相互连接的材料如有不同的热膨胀系数，在加热或冷却时就会有应力存在。PCI：由于UO2燃料的热膨胀系数比锆合金包壳的大，因此发生芯块与包壳相互作用。,材料的力学性能：材料抵抗外力作用的能力,外力,静载荷,动载荷,特殊状态的载荷,高温,材料内部有缺陷,断裂韧性（抵抗裂纹失稳扩展的能力或称抵抗脆断的能力）,3.2 材料的机械性能,硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。硬度不是一个单纯的物理或力学量，它代表着弹性、塑性
8、、塑性形变强化率、强度和韧性等一系列不同的物理量组合的一种综合指标。, 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 里氏硬度 肖氏硬度 巴氏硬度 努氏硬度 韦氏硬度,3.2 材料的机械性能,硬度不是金属材料独立的力学性能，不能用于仲裁试验,由于测定硬度的试验方法比较简单易行，试样小，当不便作其他力学性能试验时，可以利用它得到有价值的参考数据，因此无论在工厂企业或科研院所，硬度试验是不可缺少的标准试验方法之一。,布氏硬度（Brinell）：一般用于比较软的材料（HB450）,3.2 材料的机械性能,符号：HRA、HRB、HRC （150kgf载荷）,测量方法：使用初始试验力F0将压头垂直压入试样表面，然后施加
9、主试验力，使用总试验力F0+F1压入并保持一段时间後，撤除主试验力。施加主试验力后与施加主试验力前压痕深度的差值与材料的洛氏硬度值有着线形关系，在洛氏硬度标尺上每2微米压痕深度差值代表一个洛氏硬度刻度,HB,=,K-(h1-h0),0.002,式中K为常数0.2mm,洛氏硬度试验优点：压痕小，采用不同标尺可以测定不同软硬和厚薄的金属材料硬度，广泛用于热处理质量的检验,维氏硬度（Vickers）：和布氏、洛氏硬度试验相比，维氏硬度试验测量范围较宽，从较软材料到超硬材料，几乎涵盖各种材料,3.2 材料的机械性能,符号：HV, 单位： kg/mm2,HV,=,2Fsin(/2),d2,下为压痕在材料
10、表面的投影，d1和d2为压痕对角线长；上为金刚石压头的侧面观，其相对面夹角为136,测量方法：维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头是金刚石的正四棱锥体。试验时，在一定载荷的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度，除以计算压痕的表面积，载荷除以表面积的数值就是试样的硬度值,维氏硬度（Vickers）：和布氏、洛氏硬度试验相比，维氏硬度试验测量范围较宽，从较软材料到超硬材料，几乎涵盖各种材料,3.2 材料的机械性能,符号：HV, 单位： kg/mm2,下为压痕在材料表面的投影，d1和d2为压痕对角线长；
11、上为金刚石压头的侧面观，其相对面夹角为136,Q：布氏、洛氏、维氏硬度试验各适应于哪些场合下使用？,维氏硬度试验视频,显微硬度（Microhardness）：采用维氏硬度试验相同的方法，将载荷降低12个量级,3.2 材料的机械性能,符号：HV, 单位： kg/mm2,用途：压痕很小，可落在一个晶粒内或组织内，因此可表征组成相的硬度值,判断：显微硬度可以测定一个相的硬度。,显微硬度试验优缺点：优点：为研究金属微观区域的性能提供了方便，用于测定金属或合金组成相的硬度测定；缺点：显微硬度测定值比宏观硬度测定值更分散。,拉伸性能（tensile property）：测定金属材料在受单向静拉力作用下的强
12、度和塑性性能参数。,3.2 材料的机械性能,可测量材料的 弹性模量(E) 比例极限(e) 屈服点(s) 屈服强度(0.2) 抗拉强度(b) 延伸率() 断面收缩率(),强度：材料抵抗外力作用下发生变形和断裂的能力塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力，可以用材料断裂时最大塑性变形来表示,拉伸试验视频,拉伸试验的目的和意义,3.2 材料的机械性能,材料的拉伸试验可测定材料的如弹性、强度、塑性等力学性能指标，根据拉伸性能还可预测抗疲劳、断裂性能等其他力学性能； 在工程上，拉伸性能是静强度设计的主要依据，是设计金属结构件时考虑许用应力的基础：许用= 0.2/n(n为安全系数)； 通过试验可获得材料基本的
13、力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。这些参数对选择材料和新材料开发有极其重要的作用，是建立复杂应力状态下材料失效准则最基本的依据,拉伸试验方法,3.2 材料的机械性能,试验从样品加工准备到试验参数的选定需要遵循国家标准，如GBxxx-xxx,样品,标准圆柱形拉伸试验样品,标准片状形拉伸试验样品,l0: 标距,拉伸试验方法,3.2 材料的机械性能,温度 环境 拉伸速率（加载速率） 样品尺寸,试验参数,拉伸试验机,拉伸试验示意图,拉伸试验方法,3.2 材料的机械性能,试验结果,(a) 拉伸前,(b) 拉伸后,力-位移曲线,拉伸试验,3.2 材料的机械性能,力-位移曲线,工程应
14、力-应变曲线,工程应力=P/A0,工程应变=l/l0,其中A0是样品初始横截面积 l0是样品的标距,拉伸性能,3.2 材料的机械性能,应力-应变曲线,弹性模量在弹性变形范围内，应力与应变成正比，符合虎克定律 E 为弹性模量，也叫杨氏模量。弹性模量表征材料对弹性变形的抗力 比例极限（弹性极限）表示材料抵抗弹性变形的能力，即金属材料按虎克定律变形的最大应力Fe为弹性极限时的载荷，A0为样品的初始表面积。规定：以残余变形为0.01% 的应力作为比例极限，以0.01表示，单位为MPa.,拉伸性能,3.2 材料的机械性能,应力-应变曲线,屈服强度是金属材料抵抗微量塑性变形（0.2%）时的应力 F0.2为
15、材料产生0.2%微量塑性变形时的载荷，A0为样品的初始表面积。以0.2表或s示，单位为MPa材料的许用应力为 抗拉强度是金属材料能承受最大均匀塑性变形时的应力抗拉强度也叫断裂强度，单位MPa,拉伸性能,3.2 材料的机械性能,应力-应变曲线,延伸率是材料的塑性指标，表示断裂前后试样标距长度的相对伸长值L0为试样原始标距长度Lf为试样断裂后的标距长度 断面收缩率断裂前后试样截面的相对收缩值,X100%,X100%,拉伸性能,3.2 材料的机械性能,拉伸性能受温度影响较大，温度升高，强度指标（0.2、 b）下降，塑、韧性指标（、）升高 在反应堆条件下，由于辐照的影响，材料的拉伸性能指标随中子注量增加，强度升高，塑、韧性下降,强度：材料抵抗外力作用下发生变形和断裂的能力塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力，可以用材料断裂时最大塑性变形来表示,第三章 材料的性能,CIAE，龙斌,To be continue,
