第三章材料的性能

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1、1第三章材料的性能 2材料的性能材料的物理性能：讨论材料的密度、熔点、导热率、热膨胀等。材料的机械（力学）性能：拉伸、冲击、疲劳、蠕变等情况下，讨论材料的硬度、强度、塑性、韧性等。材料的腐蚀性能：讨论在反应堆条件下材料所遭受的各种腐蚀及预防措施和改进。材料的辐照性能：讨论辐照对材料的影响及辐照引起材料降级的原因。3第三章 材料的性能3.1 材料的物理性能 3.1.1 密度 材料一立方厘米体积所具有的质量称为此材料的密度。(3.1)实际的密度由于缺陷和气孔等的因素比理论密度小一些。密度测量一般采用排水法测定。th晶胞原子数 原子量晶胞体积 阿佛加德罗常数4Li（3）=0.534Mgm-3体心立方

2、体心立方Os（76）22.57密排六方密排六方U（92）19.06正交晶系正交晶系Pu（94）19.86单斜晶系单斜晶系Be（4）1.848六方晶系六方晶系Zr（40）6.505密排六方密排六方Nb（41）8.57体心立方体心立方UO210.97面心立方面心立方常用材料的理论密度值53.1.2 导热性能当两个不同的物体相互接触，或同一物体的两个不同区域间产生温差时，热能将从高温处向低温处传递。导热系数是测量热流通过材料速率的物理量。若横截面为A，在时间内流过的热量为Q，则 Q=kA（T/L）（3-2）k为常数，称为该材料的导热系数，也叫热导率。它是在单位温度梯度（T/L）时在每单位时间内流过单

3、位横截面积的热量，单位为：W/MK图3-16导热系数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。因此二氧化铀燃料的密度与它的导热系数呈正相关。二氧化铀的导热系数与氧/铀比有关（参见图3-2）。与温度的关系：在低温段，随温度上升而降低。研究认为在这温度段的热传导主要是晶格振动，即声子所作的贡献。以化学计量的二氧化铀为例，到约2000K时达到最低点。高于此温度，导热系数随温度上升又呈上升趋势，研究认为这是由于高温时电子导热所占份额增大所致。7二氧化铀（不同氧/铀比的）导热系数随温度变化趋势8常用金属和合金的导热率W/mK Na K Be Mg Al Fe Co Ni Cu Ag1

4、40 100 160 172 226 94 70 62 392 415 Zr U UO2 碳钢 18-8S.S23.7/473K 25/RT 8.4/RT 63.380.4 16.0 22.193.1.3 热膨胀 加热时相邻原子间的距离增大，这种现象称为热膨胀。设一物体在0oC时的长度为L0，则其在t oC时的长度将为 Lt=L0（1+t+t2+）(3-4)一般及其以下各项都极小，可以忽略不计。因而上式可简化为 Lt=L0（1+t）（3-5）微分表达式为 =1/LdL/dt（mm/mm）（3-6）对于钢来说，一般=（1020）X10-6 线膨胀系数不是一个恒定不变的常数，它随温度的变化而略有不

5、同。103.2 材料的机械性能（力学性能）在这里讨论的机械性能包括材料的硬度 拉伸性能所测定的各种强度、塑性指标、冲击韧性、断裂韧性疲劳和蠕变等力学性能。11 3.2.1 硬度 硬度常被说成对压入塑性变形，划痕，磨损或切削等的抗力。实际上它不是一个单纯的物理或力学量，它代表着弹性，塑性，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性能指标。对金属来说，硬度试验就是用硬的物体压入金属，看金属对它的抗力。硬度试验的种类很多，常用的有：布氏、洛氏、维氏 121布氏硬度（Brinell）布氏硬度是1900年由瑞典工程师提出的，是最常用的硬度试验方法之一。用直径为D的淬火钢球或硬质合金球

6、，以一定的载荷压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除载荷，测量试样表面的压痕直径d，再经计算得到单位压痕面积所承受的平均压力。这个值定义为试样的布氏硬度 13图 3-3 布氏硬度试验原理示意布氏硬度141 2222FHBD DDd2负荷（kg）压入表面积（mm）D 为碳化钨球的直径 d 为压痕直径 单位:kg/mm2 布氏硬度值计算152洛氏硬度（Rockwell）洛氏硬度是美国人和H.M.Rockwell于1919年提出的，也是最常用的硬度试验方法之一。和布氏硬度试验一样，它也是压痕试验方法。但它不是测定压痕的大小，而是测量压入的深度。它使用的是120的金刚石圆锥压头或直径D=1.588mm

7、的淬火钢球。测量方法如下图所示。16洛氏硬度图 3-4 洛氏硬度试验过程中，金刚石圆锥压头在各阶段的位置17100.002cKhhHR洛氏硬度计算K为常数，洛氏硬度值无量纲183维氏硬度（Vickers）维氏硬度试验法是由英国人和在1925年提出的。按照此法试制的第一台硬度计是英国维克斯公司制作的，因此称为维氏硬度法。它采用了布氏硬度试验的原理，但换用一个金刚石正四棱锥体作压头，锥面夹角为，试验时在载荷P的作用下，在试样试验面上压出一个正方形的压痕，测量压痕两对角线的平均长度d，算出压痕的面积。19图3.4 维氏硬度试验压头及压痕示意维氏硬度20维氏硬度值计算22sin2FHVd单位:（kg/

8、mm2）214.显微硬度显微硬度采用维氏硬度法，载荷降低1-2个量级，所得的压痕面可以局限在很小的范围里，如在晶粒里或某一组织里，因此可以测定某一个组成相的硬度值。这就是显微硬度试验。显微硬度试验的载荷一般为0.0981（0.01）、0.1962（0.02）、0.4903(0.03)、0.9807(0.1)、1.961(0.2)N(kgf)，对角线长度以微米计，测定值用HV表示。如400HV0.1/30，就表示载荷为0.9807N(0.1kgf)，载荷保持30秒，测得的硬度值为400；当载荷保持时间为10-15秒时，可以不标注时间；如400HV0.03，就表示载荷0.4903N(0.03 kg

9、f)，载荷保持10-15秒，测得的硬度值为400。22应用注意事项值得关注的是，由于各种硬度的试验方法和它们所根据的原理不同，各组成的物理量在不同方法中所起的作用也不一样，所得的结果不可参比。现有的一些换算公式和对照表只是根据对同类金属材料在相同状态下和一定硬度范围内进行比较试验得出的经验关系。它们有一定的实用价值，但在要求准确的数据时不宜采用。233.2.2 拉伸性能 测定金属材料在受单向静拉力作用下的正弹性模量（E），比例极限（e），屈服点（s），屈服强度（0.2），抗拉强度（b），延伸率（）及断面收缩率（）。24强度强度是材料抵抗外力作用下发生变形和断裂的能力。用单位面积所受的力，即应力

10、（MPa）来表示。塑性塑性是指材料断裂前发生塑性变形的能力，可以用材料断裂时的最大塑性变形（%）来表示。应力应力是物体受外加载荷作用时，单位截面上所受的力，应力的单位是帕斯卡，即：（3-12）Pa（帕斯卡），F牛顿，Am2。应变应变是个无量纲的比值，是在应力作用下发生变形的量与原始长度的比值。（3-13）FA00LLL25 a）拉伸试样 拉伸试验标准样品 标准试样一般受试部分直径为10毫米，标距50毫米。在稳定的变形速率下进行单一应力拉伸，得到负荷变形曲线或应力应变曲线。26 b)应力应变曲线拉伸试验曲线27 当一个固体材料受到一个负荷（或应力）作用时会产生变形.如果这个应力比较小，此时材料会

11、呈现弹性变形特征。即：一旦应力去除，变形就会消失；当应力足够大时，材料就会以塑性变形的方式发生永久变形。即：即使应力去除，材料也不能回复到原来的形态，它只能部分地恢复。材料从弹性变形转变为塑性变形时的应力称为屈服强度屈服强度。28 一些材料当应力增加到一定值时试样急剧伸长，以致出现应力松弛现象，应力下降至一较低的衡定值。这就是上下屈服点。一般下屈服点用s来表示。另一些材料有明显的屈服现象，曲线上出现平台时的应力值即为屈服点。大多数的有色金属没有明显的屈服点，因而取永久变形0.2%时的应力作为屈服强度。一般称为0.2。工程构件服役时不允许产生塑性变形，设计金属结构件时以屈服强度除以安全系数确定许

12、用应力。29过了屈服点，材料就有明显的加工硬化。只有增加外力，变形才能继续。到最大负荷以后，应力开始下降。这时可在试样上观察到颈缩现象。在弹性范围内应力与应变成正比(虎克定律)：E 为杨氏模量杨氏模量。大多数钢的弹性模量为1011Pa。E30 泊松比泊松比，泊松比是垂直方向的弹性变形与水平方向的弹性变形的比值。对理想材料来说是0.5，而对真实材料一般为0.3。比例极限比例极限（弹性极限）：表示金属材料按虎克定律变形的最大应力。屈服强度：屈服强度：是金属材料抵抗微量塑性变形（0.2%）时的应力。侧向纵向0eeFA0.20.20FA31 抗拉强度：抗拉强度：金属材料能承受最大均匀塑性变形时的应力。

13、延伸率延伸率:材料的延性指标，表示断裂前后试样标距长度的相对伸长值。断面收缩率断面收缩率:材料的延性指标，是断裂前后试样截面的相对收缩值。max0bFA00100%fLLL00fAAA323.2.3 冲击性能冲击性能 韧性和脆性韧性和脆性:在断裂前能经受塑性变形的金属，我们称它为延性的。它们呈现延性断裂。当应变足够大，裂纹产生在金属内部并且得以长大，以剪切的机制断裂。它们的断口呈现韧窝特征，我们称它们为韧性金属；而脆性金属断裂前只有极小的塑性变形。裂纹扩展很快，并沿解理面断开，断口呈现解理特征，我们称它为脆性金属。33韧韧 性性韧性韧性（也称韧度）是材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或是

14、材料抵抗裂纹扩展的能力。冲击韧性冲击韧性是应用冲击试验把规定形状的试样用弯曲的方法，使之迅速断裂,测定使之断裂所需要的功。称其为冲击韧性试验，所测得的值称为冲击韧性值。34 a）韧窝特征显示韧性断口 图3-6韧性断口（韧窝花样）35 b）解理特征显示脆性断口图3-6脆性断口（解理花样）36韧性和脆性是能转换的很多金属在一定条件下呈现韧性，而在另外条件下呈现脆性。韧性和脆性是能转换的。如果塑性流变被抑制，韧性就会变成脆性。比如：温度降低，增加应变速率，降低塑性范围，提高屈强比（通过辐照，冷加工）会减少韧性；相反，减小晶粒会增加韧性和强度。加入一些杂质，不论有意无意，都会很大程度地改变金属的韧脆性

15、能。37冲击试验：冲击试验：冲击试验是一种动态力学试验，它是把一定形状的试样用拉、扭、或弯曲的方法，使之迅速断裂而测定使之断裂所需要的功。一般认为它是试验材料韧性的，所以也称其为冲击韧性试验。冲击试验有几种类型，我们常用的是夏氏弯曲冲击试验（Charpy Test）。试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。缺口冲击韧性试验能综合反映缺口、低温和高应变速率这三个因素对材料脆化的影响。38 a）冲击试验样品 图3-7冲击试验标准样品39 b）摆锤式冲击试验机图3-8冲击试验设备40韧脆转变韧脆转变：温度对断裂的作用十分明显，很多材料在高温下能保持很好的延性，但在低温下就只有脆性了。低温脆性是体心立方结构

16、钢难以避免的特性。其表现为温度降低到某一值时，钢的冲断功显著下降。该现象称为韧脆转变。该温度定义为韧脆转变温度（DBTT）（Ductile-Brittle Transition Temperature）。一般用冲击试验的冲断功和韧脆转变温度来表征材料的低温脆化的倾向和评定材料的冶金、热处理、焊接的质量。41图3-9 韧脆转变曲线韧脆转变曲线42 压水堆的压力壳是用低合金碳钢建造的，它是体心立方结构的材料，存在韧脆转变温度，而且由于压力壳暴露在快中子场中，在高能中子辐照下，材料中会产生缺陷，使材料强化和脆化，韧脆转变温度升高。压力壳是压水堆的重要部件，我们希望压力壳在反应堆寿期内安全，不发生突然

17、的破损。即要求压力壳钢的DBTT在它所会经受的温度以下，因此在反应堆堆芯部分要悬挂监督管，监督管内装有与压力壳同批材料加工成的试验样品，定期取出，测定其DBTT，以监督压力壳材料整个寿期内的DBTT变化，防止发生任何意外。433.2.4 断裂韧性（FractueToughness）断裂韧性：在断裂力学基础上建立起来的金属材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能叫断裂韧性。它综合地反映了材料的强度和塑性。断裂力学：在承认宏观裂纹的前提下，利用力学分析原理，定量研究裂纹扩展规律的裂纹体强度理论。44线弹性条件下的断裂韧性任何形式的断裂都是由裂纹生成与扩展引起的材料中产生类似裂纹的缺陷是不可避免的脆性断裂是裂

18、纹失稳快速扩展的结果决定裂纹是否迅速扩展的临界条件是断裂韧度（性）K1c,G1c等当受力裂纹体的应力强度因子K1 K1c时,裂纹就失稳扩展，导致脆断45断裂韧性指标线弹性断裂力学分析裂纹体断裂问题的方法有两个：一是应力场强度分析方法，考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂K判据；KIc值另一种是能量分析方法，考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂G判据。G Ic值对韧性比较好的材料，由于实验样品尺寸的限制，发展了弹塑性力学分析，可以用测定弹塑性条件下的断裂韧性指标JIc计算出材料的KIc值。46裂纹扩展的基本形式47裂纹扩展有三种形式，张开型（I型），滑开型（

19、II型）和撕开型（III型）。以张开型（I型）为最危险，容易引起脆性断裂。因此，在研究裂纹体的脆性断裂问题时，以I型裂纹作为对象。裂纹尖端的应力状态和裂纹扩展的类型对裂纹扩展的难易、塑性区的大小和断裂行为影响很大对于型裂纹试样，在拉伸或弯曲时裂纹尖端是处于复杂的应力状态中。最典型的是平面应力和平面应变两种状态。前者出现在薄板中，后者则出现在厚板中。对型裂纹尖端附近的应力应变场提出数学解析式并建立了裂纹失稳扩展的K判据和材料的断裂韧性KIC。48平面应力与平面应变当单边含裂纹的大板受单向拉伸时，裂纹尖端的应力集中和形变约束导致裂纹前沿产生三轴应力（x y z）和三轴应变（x y z)。在薄板，裂

20、纹顶端的应力是二维的，应变是三维的。称此为平面应力状态。在厚板，裂纹顶端的应力是三维的，应变是二维的。称此为平面应变状态。平面应变条件下的裂纹容易扩展，引起脆断。所以线弹性力学建立的脆断判据是以满足平面应变状态为基础的。49应力强度因子K1裂纹尖端各点的应力强弱取决于K1的大小，K1是描述受力裂纹体在平衡状态时，裂纹尖端附近应力场强弱的力学参量。下标“”表示 型张开裂纹。（N mm-3/2)Y-几何因子断裂韧度Kc：将裂纹开始失稳扩展时的K1称为平面应力临界应力强度因子Kc；断裂韧度K1c：当试样厚度B 2.5(K1c/s)2时，Kc降至最低并趋于稳定，此时的Kc为平面应变断裂韧度K1c。KY

21、a50K判据和G判据K判据:因K1c是不随试样性状尺寸变化的材料性能指标，并是Kc的最低值，故可用作防脆断判据。K1 K1c 或 Y(a)K1c G判据:G1表示裂纹每扩展单位长度所需的力。G1c=(1-2)/E K1c2 由建立的防脆断判据为:G1G1c 51弹塑性条件下的断裂韧性(J1c)在测试材料的K1c时，为保证平面应变和小范围屈服，要求试样宽度B必须大于（K1c/c）2的若干倍。如常用的三点弯曲试验要求B必须大于等于2.5（K1c/c）2。这对于高强度钢容易实现，对中低强度钢来说要求的尺寸太大了。因此要发展弹塑性断裂力学，用小试样测定弹塑性条件下的断裂韧性(J1c)，以换算成K1c值

22、。常用的有J积分法和COD法。52JIc是表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力，也是断裂韧性但它的单位为MPam或MJm-2。现在可以比较方便地用小试样来测定材料在弹塑性条件下的断裂韧性JIc，再换算成KIc值。JIc试样的尺寸可以小一点，一般三点弯曲的试样，其厚度只要0.8（KIc/s）2即可。换算公式如下：21IcIcEKJ53断裂韧性的实用意义可以由材料的断裂韧性K1c 及机件的平均工作应力去估算所允许的最大裂纹尺寸ac，为制定裂纹探伤标准提供依据；可以由材料的断裂韧性K1c 及机件的裂纹尺寸a，去估算最大承载能力c，为载荷设计提供依据；根据工作应力和裂纹尺寸a，确定材料的断裂韧性，为正确选用

23、材料提供依据。543.2.5 蠕变性能 材料在恒定温度，长时间受力的状态下，即使所受应力小于其屈服强度，也会缓慢地产生永久塑性变形的现象叫做蠕变。温度越高，应力越大，蠕变断裂发生得越快。要了解金属的蠕变性能，需作不同温度和不同应力下的蠕变试验。55图3-13 蠕变曲线蠕变试验曲线56 蠕变曲线可大致分为三个阶段：第一期蠕变阶段：蠕变速度随时间增加而逐渐减小。时间较短。第二期蠕变阶段：蠕变速度很稳定，很慢。称为稳定蠕变阶段。这时形变造成的强化与位错攀移和晶界迁移造成的金属软化形成动态平衡。第三期蠕变阶段：蠕变加速，直至试样破断。此时在相邻晶粒三角区形成横向裂纹并向晶界扩散，使蠕变速率增加，直至断

24、裂。57 蠕变极限：蠕变极限：表示在高温和长期载荷作用下，材料抵抗塑性变形的抗力指标。它有两种表示方法：（1）在给定温度（T）下，使试样产生规定蠕变速率（）的应力值。以符号 来表示。单位：MPa （2）在给定的温度（T）下，及在规定的时间（t）内，使试样产生一定蠕变伸长率（）的应力值。以符号 来表示。单位：MPaTTt58 例如：蠕变强度：材料在某一温度T下，在规定的时间t内，达到规定变形量 的应力值，表示为/t T。如 1/10-5 500=100MPa，表示材料在500 下经过10万小运时行后，产生1%伸长率的应力值是100MPa。持久强度：材料在给定温度T下，经过规定的时间t后，引起断裂

25、的应力值。用 Tt表示。如 700103=30MPa,表示该材料在700 下承受30MPa应力，经1000h运行后断裂。593.2.6 疲劳性能 疲劳疲劳:是指金属材料在受重复或交变载荷或应力时，虽其所受应力远小于其抗拉强度，甚至小于其弹性极限，经多次循环后，在无显著外观变形的情况下发生突然断裂的现象称为疲劳。统计表明，在各类机件破坏中，80%是疲劳断裂。低周疲劳（应变疲劳）：是在接近屈服强度的交变载荷作用下，反复应变造成的破坏，疲劳寿命一般在102 105之间。对称循环交变应力的疲劳极限用-1表示。拉压交变应力的疲劳极限用-1P表示。60 疲劳断口有一定的特征，可以分为三个区域，成核扩展快速

26、断裂。成核区：由疲劳作用而产生微裂，并逐渐扩展，这部分的断口因经过摩擦或多次拉压比较光滑；扩展区：可观察到以裂纹开始点为中心，逐渐向里扩展的若干弧形曲线（俗称贝壳纹或海滩纹），微观分析时在扫描电镜下可观察到裂纹前沿受交变应力，断口张开合拢，材料塑变硬化开裂而留下的辉纹；快速断裂区：疲劳裂纹的扩展，使剩余受力截面不断减小，最终发生突然断裂。断裂有时可达声速。突然断裂部分的断口具有晶状脆性断裂的特征有撕裂棱或具有韧窝特征。61图 3-14 疲劳断口特征疲劳断口（海滩花样）62低活性钢JLF-1的低周疲劳断口6364图3-15 疲劳试验SN 曲线疲劳曲线65材料所受交变应力（Stress）与其断裂前

27、所能经受应力循环次数N 有如图3-11所示的关系。此曲线称为应力循环次数曲线，即：SN曲线。图3-15中曲线A（如碳钢属于这一类），从C点起与横坐标轴平行表示应力在等于或小于-1时，将不会发生疲劳断裂。此点即为疲劳极限，也称疲劳强度疲劳强度。66大多数有色金属和合金的SN曲线如曲线B 所示。在疲劳断裂前，应力循环次数随所受应力的降低而增加。因此对具有曲线B所示特征的金属和合金，只能说当应力循环N 次断裂时，其所能承受的最大应力为N如曲线B上D点所示。此N叫做该材料在疲劳寿命为N时的疲劳强度。N的数值可以根据目的和需要来定。一般在（110）107范围内。67疲劳也可以由周期改变的热应力产生。如在

28、压水堆中，稳压器经受频繁的温度变化，形成交变的热应力；而压力壳和一次回路管道也经受循环热应力，这种应力来自反应堆的启动、改变功率和停堆。这是两类不同的热应力，前者为高频，低应力；而后者为低频，高应力。对防止疲劳的发生，在不同情况下的措施要求是不同的：如稳压器负荷小，频率高，形成的是高次低应力疲劳，就要求用高强度钢来制作。而对于承受高负荷，低频率的压力壳来说，则要求用韧性好的钢材来制作。683.3 材料的腐蚀性能腐蚀的分类腐蚀的类型和分类方法很多，严格区分很困难。按外观形貌特征分，有全面腐蚀和局部腐蚀。按腐蚀机理分有化学腐蚀和电化学腐蚀。69压水堆腐蚀环境压水堆腐蚀环境压水堆材料的腐蚀主要是由电

29、化学腐蚀引起的，其压水堆材料的腐蚀主要是由电化学腐蚀引起的，其中以具有脆性破坏特征的应力腐蚀危害比较大，问中以具有脆性破坏特征的应力腐蚀危害比较大，问题也比较多。例如一回路中所使用的锆合金、不锈题也比较多。例如一回路中所使用的锆合金、不锈钢、镍基合金等长期与高温、高压水及其辐照分解钢、镍基合金等长期与高温、高压水及其辐照分解产物相接触，也会遭受腐蚀，尤其当冷却剂中含有产物相接触，也会遭受腐蚀，尤其当冷却剂中含有氯离子和氧时问题会更严重。氯离子和氧时问题会更严重。尽管冷却水要求纯净度高，卤族元素和氧含量尽可尽管冷却水要求纯净度高，卤族元素和氧含量尽可能低，并要求能低，并要求PH值偏碱性，但反应堆

30、内的强辐照还值偏碱性，但反应堆内的强辐照还会使冷却水发生分解，产生会使冷却水发生分解，产生H2O2,O2和各种氧化性和各种氧化性辐解产物，引起材料腐蚀。辐解产物，引起材料腐蚀。水中游离氧和卤族元素是造成材料腐蚀的重要原因。水中游离氧和卤族元素是造成材料腐蚀的重要原因。703.3.1 化学腐蚀和电化学腐蚀化学腐蚀和电化学腐蚀 化学腐蚀化学腐蚀金属与介质（干燥介质或非电解质）直接发生化学反应而引起的表面破坏。金属材料在液态介质中的腐蚀往往是由化学腐蚀造成的，化学腐蚀一般是均匀腐蚀。腐蚀产物直接沉积在金属表面上。均匀的金属与介质发生作用，产生均匀的氧化膜，如果这层氧化膜是致密的，就可以保护下层金属免

31、遭腐蚀。如Al2O3、Cr2O3、ZrO2。在包壳材料铝合金和锆合金的表面都有这样一层膜，这是材料与水介质作用产生的，它的产生大大地降低了进一步腐蚀的速率，因此有时要对材料进行特殊处理，钝化就是事先在材料表面生成致密的氧化膜，使里面的金属得到保护。不锈钢的铬含量达到12%以上就可以产生致密的氧化铬层，从而起到保护作用。71电化学腐蚀金属与电解质介质发生电化学反应而引起的表面破坏。由阳极反应、阴极反应和电荷转移三个基本过程组成。（形成了腐蚀原电池）阳极反应主要是氧化（金属离子化）过程：MMn+ne 阴极反应主要是还原过程：如析氢反应 2H+2eH2 氧还原反应 O2+4H+4e2H2O O2+2

32、H2O+4e4OH-高价离子的还原反应 Mn+eM(n-1)+金属沉积反应 Mn+neM 72电化学腐蚀是由于材料中存在着不均匀和不同质。这种不同可以是夹杂物和基体的不同；晶内与晶界的不同；也可以是晶粒尺寸的不同；晶粒成分的不同（成分偏析）；甚至存在有不同的机械应力也会造成这种差异。由于存在着不同，便形成了电位的差异，于是在阳极发生金属溶解，而在阴极产生氢气或氢氧化成水。这时在阳极地区可见到明显的腐蚀现象；若阳极区域和阴极区域是移动的，相互转化的，这时所形成的是均匀腐蚀，反之就形成局部腐蚀。733.3.2 局部电化学腐蚀点腐蚀点腐蚀（pitting）：是一种局部的电化学腐蚀。腐蚀集中在个别小点

33、上，并向纵深发展，甚至可以使金属蚀穿。点腐蚀的产生和介质中存在氯离子有关，也与局部（坑底）缺氧有关。当介质中存在有氯离子时会造成氧化膜的局部破坏，如果坑底能得到介质中的氧的话，氧化膜可以得到修复，蚀坑就不会加深；但如蚀坑较深，妨碍坑内外物质迁移，就会使坑内溶液发生浓缩，氯离子浓度逐渐增大，在坑内形成酸性的浓缩溶液，使腐蚀不断加深，直至穿孔。如图3-16所示。74图3-16 点蚀坑状况点蚀75预防措施为了抗点腐蚀，不锈钢中要加入适量的钼和比较高的铬，如316不锈钢就比304不锈钢抗点腐蚀性能好；设计时要考虑停机时能完全排清液体，避免有死角或滞留液体的部位，清除沉淀物方便。76 缝隙腐蚀缝隙腐蚀（

34、Crevice）：缝隙腐蚀的原理与点蚀相同，它常发生在一些铆接的缝隙处，这些缝隙有一定的宽度，液体能进去但不流动。在这种情况下，氯离子发生富集，造成局部缺氧，氧化膜得不到修复而形成局部腐蚀。在反应堆系统中，燃料元件和格架之间，控制棒驱动机构，蒸汽发生器传热管与管板之间的涨接处，传热管与支撑板之间以及管板上方结垢沉积区等部位都有间隙。都存在着缝隙腐蚀的危险。77防止缝隙腐蚀的措施1）合理的结构设计，避免缝隙。2）根据不同的介质，选择适用的材料，如在核电厂系统中选用含钼的不锈钢。3）在介质中加入缓蚀剂，或在形成缝隙的结合面上涂装加有缓蚀剂的涂料等。78 晶间腐蚀晶间腐蚀（Intergranular

35、 Corrosion）：这种腐蚀较多地发生在奥氏体不锈钢和焊接热影响区内，它也是一种局部的电化学腐蚀。由于在高温下，钢中能溶解较多的碳；而在室温下碳在奥氏体中的溶解度只有0.03%左右，因此在一定的温度下会析出过饱和的碳。当不锈钢在425-870范围内保温时，过饱和的碳向晶界迁移，到达晶界后与附近的金属原子（大部分为铬）结合形成M23C6型碳化物析出，从而使晶界附近贫铬引起晶间腐蚀。79 图3-17 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀机理晶间腐蚀80焊接热影响区的晶间腐蚀焊接热影响区的晶间腐蚀81冲刷腐蚀（Erosion)冲刷腐蚀是由于高速运动的流体撞击金属表面，带走了氧化膜，暴露了金属本体，从而加速了腐

36、蚀。这种腐蚀常发生在管道和泵的拐弯处。在核电厂中，有些设备和管道采用碳钢制作。由于碳钢在水环境中的抗腐蚀性能较差，尤其是当介质的流速加大时在一些管道的拐弯处会发生腐蚀加剧，壁厚减薄。82改进措施1）修改设计，使流体冲击力减弱，如加大弯曲半径等；2）选择合适的材料，既要考虑经济性又要考虑适用性；3）改变介质的条件，如温度PH值，溶解氧等。83 微动腐蚀微动腐蚀(Fretting)微动腐蚀常产生在两个表面的接触部分，由微动腐蚀常产生在两个表面的接触部分，由于摩擦和撞击，使表面氧化膜不断破损，暴于摩擦和撞击，使表面氧化膜不断破损，暴露新的金属而加速了腐蚀。产生微动腐蚀所露新的金属而加速了腐蚀。产生微

37、动腐蚀所需的相对运动量很小，位移大约在需的相对运动量很小，位移大约在2-20微米微米之间。之间。在压水堆条件下，压水堆燃料棒与格架之间，在压水堆条件下，压水堆燃料棒与格架之间，指套管与导套管之间就存在着这样的微小相指套管与导套管之间就存在着这样的微小相对运动，从而产生微动腐蚀。对运动，从而产生微动腐蚀。84实例实例-指套管的微动磨蚀指套管的微动磨蚀8586防止此类腐蚀的方法1）设计改进，避免或减少接触面的相对运动，如对燃料棒的约束方法进行改进；2）加强监测，及时发现处于临界状态的部件及时更换，如堆内供中子探测器运行的指套管在停堆维修时要进行监测，及时更换过度磨损的管子。87应力腐蚀（Stres

38、s Corrosion Cracking）这是一种发生在特殊环境和应力状态下的腐蚀，它可以是沿晶的也可以是穿晶的。应力腐蚀应力腐蚀的发生必须同时满足三个条件，如图3-14所示。1）存在一个临界的拉应力：可以是热应力，也可以是材料内的残余应力。2）存在一个腐蚀环境：环境中有使材料敏感的因素。3）存在材料对所处环境敏感的条件。88应力腐蚀SCC89应力腐蚀剖面形态应力腐蚀剖面形态-沿晶型沿晶型90应力腐蚀剖面形态应力腐蚀剖面形态-穿晶型穿晶型91应力腐蚀实例应力腐蚀实例穿晶解理断口穿晶解理断口92应力腐蚀实例应力腐蚀实例沿晶断口沿晶断口93腐蚀疲劳实例腐蚀疲劳实例94堆容器顶盖控制棒驱动机构处的S

39、CC95Top of Davis Besse RPVat CRDM96在控制棒驱动机构处的SCC97SCC in SS claddingat bottom of RPV corrosion98SCC of low alloy steels1.SCC of low alloy steel and carbon steel has been studied under highly oxidizing conditions as a function of temperature and electrochemical potential.SCC seems generally more inte

40、nse with higher potentials and higher temperatures.2.However,SCC of low alloy steels occurs at low potentials in the presence of cold work.3.Such SCC is of concern in steam and feedwater piping over a range of temperatures and especially as accelerated by cold work and welding.4.SCC of low alloy ste

41、els is a concern also in tertiary systems.99低合金钢管道的蠕变和SCC100低合金钢管道的蠕变和SCC101管道的拱背外侧和内侧30-70度处的裂纹102内侧表面的裂纹103外侧表面的裂纹104在稳压器穿管处的SCC105在底部穿管处的SCC106 由于应力腐蚀的发生必须同时满足三个条件，因此控制好任一条件（如：降低应力、选择对环境不敏感的材料、改进设计或控制介质中的杂质离子等）都能减缓或避免SCC的发生。107减缓或避免SCC的发生的措施1.合理选材。尽量避免金属或合金在易发生应力腐蚀的环境介质使用。如在高浓度氯化物环境中，避免选用奥氏体不锈钢，可

42、以选用铁素体不锈钢或镍基、铁镍基合金。2.控制应力。在制造或装配金属构件时，应尽量使结构具有最小的应力集中系数，并使与介质接触的部分具有最小的残余应力。加热和冷却要均匀，必要时可以采用退火工艺消除应力，也可采用喷丸、滚压等工艺使材料表面产生一定的压应力。3.改变环境。除气、脱氧、除去矿物质等方法可除去环境中危害较大的介质部分。控制温度、PH值、添加适量的缓冲剂等，达到改变环境的目的。4.采用电化学保护。使金属离开SCC敏感区，从而抑制SCC。5.添加涂层。好的镀层（涂层）可使金属表面和环境隔开，从而避免产生SCC。108氢脆（Hydrogen Embrittlement）腐蚀和吸氢现象是密切相

43、关的，锆合金在水和蒸气中的腐蚀反应为：Zr+2H2O ZrO2+4H 反应中释放出的氢有一部分（10-30%）穿过氧化膜溶解于基体金属中，形成固溶体Zr（H）sol或形成氢化锆：Zr+H Zr（H）sol 或 2Zr+3H ZrH1.5 （体积增大14%）当氢在锆中的含量超过溶解度时（在 573K为70ppm），多余的氢生成氢化锆。氢化锆呈片状析出，破坏了金属的连续性。氢化物在150以下是脆性的，因此导致材料脆化。腐蚀的后果：材料减薄，强度降低；吸氢的后果，是在金属中形成氢化物，导致脆化。109包壳中氢化物析出包壳中氢化物析出110锆合金的内氢化破损锆合金的内氢化破损图图5-3 5-3 内氢化

44、破损（内氢化破损（SunburstSunburst）111腐蚀疲劳腐蚀疲劳是机件在腐蚀介质中承受交变载荷所导致的破坏现象。由于所有金属在大多数水介质中都可能产生腐蚀疲劳，因此它不需要金属与腐蚀介质的特殊组合。由于腐蚀和疲劳都会加速裂纹的形成和扩展，当交变应力与腐蚀同时作用时，腐蚀疲劳在很低的应力下就可能发生，所以它比任意单一作用要严重得多。腐蚀疲劳所引起的损伤主要出现在机械制造、船舶制造、汽轮机、热交换器、管道、蒸汽过热器等工程领域。腐蚀疲劳可以是穿晶的，也可以是沿晶的。112腐蚀疲劳的特点 1）腐蚀环境不是特定的。这一点与应力腐蚀不同，只要环境介质对金属有腐蚀作用，同时有交变载荷存在，都可能

45、发生腐蚀疲劳，因此腐蚀疲劳更具有普遍性，断裂也发生得越快。2）腐蚀疲劳曲线无水平线段，即不存在无限寿命的疲劳极限。3）腐蚀疲劳的断口有腐蚀产物覆盖，断口常呈现棕黑色，且常为多源，并常起源于点腐蚀坑或结构上的尖角、凹槽部位。4）腐蚀疲劳的疲劳辉纹常呈现脆性特征:其疲劳辉纹有与河流花样相垂直的形态。腐蚀疲劳的防护与应力腐蚀防护相似，应从载荷、冶金、环境多方面作综合考虑。113 质量迁移 在静止或循环的液态金属系统中，材料中的组元通过液态金属发生迁移，这种现象称为质量迁移。在FBR内液态钠的温度约550，在高碳的铁素体钢的表面，碳会溶入介质钠中，而由钠介质把碳转移到低碳的奥氏体钢表面沉积下来。使前者

46、的表面发生脱碳，后者的表面发生渗碳，使两种材料都发生降级。（浓差迁移）即使是使用同一种材料，由于回路中不同位置的温度不同，也会产生质量迁移。在热端，碳进入介质；而在冷端，碳析出。尤其是介质中同时还有氧的话，这种迁移会加剧。（温差迁移）1143.4 材料的辐照性能3.4.1 两种主要的辐照1）中子与材料的反应图3-19115中子与原子核的反应中子与原子核的反应(1)中子散射：中子散射是反应堆中中子慢化过中子散射：中子散射是反应堆中中子慢化过程的主要核反应程的主要核反应1）弹性散射）弹性散射-总动能不变（动能、动量守恒）总动能不变（动能、动量守恒）2）非弹性散射）非弹性散射-总动能改变（动能不守恒

47、、动总动能改变（动能不守恒、动量守恒）量守恒）116中子与原子核的反应中子与原子核的反应(2)中子吸收：吸收反应的结果是中子损失，它中子吸收：吸收反应的结果是中子损失，它对反应堆内的中子平衡有重要影响。对反应堆内的中子平衡有重要影响。1）辐射俘获（）辐射俘获（n,)反应反应.例：例：58Fe(n,)59Fe,2）核转化生成异种原子的反应（）核转化生成异种原子的反应（n,),(n,p)反应。例：反应。例：105B+n 73Li+42He3）核裂变）核裂变(n,f)117中子与材料反应造成原子移位，产生空位和间隙原子；核反应生成氦气。多数材料发生中子辐照损伤的主要原因是它们的核与快中子发生弹性碰撞

48、。弹性碰撞中所传递的最大能量Ep可用下面的公式表示：（3-20）式中：m为中子质量；M为被碰撞原子的质量；E为中子的初始能量。2)/(4mMmMEEp118离位阈能（离位阈能（Ed）使一个阵点原子离开它在点阵中的正常位置的最低能量。这种位移原子就是中子导致的损伤源。对金属材料来讲，离位阈能一般在 25-30ev。级联碰撞级联碰撞如果传递给原子的能量仅稍高于Ed，初级原子将停留在邻近的稳定的间隙位置上形成一个空位-间隙原子对（Frankel Pair）；如果初级位移原子获得能量很大，它就会与其它基体原子相碰产生二级、三级、.n级位移原子，形成级联碰撞（cascade）。这一过程产生的平均位移原子

49、数近似地等于Ep/2Ed。119 快中子的能量是MeV 级的，所以一个快中子会造成上千个离位原子。在一定的温度下，缺陷可以通过扩散发生复合（annealing）而消失，也可以聚集而形成较大尺寸的缺陷团（位错环，空洞）。一个快中子会造成在10nm的长度上几百个位移原子。原子位移次数（原子位移次数（dpa）辐照损伤材料中，每个原子的位移次数dpa（displacements per atom）被定义为辐照损伤的单位。中子与材料产生的核反应（n，），（n，p）生成的氦气会迁移到缺陷里，促使形成空洞。120级联碰撞模型1212）燃料的裂变 在燃料裂变过程中，产生大量的固体与气体裂变产物，造成体积膨胀。

50、大量裂变气体（I，Cs，Xe，Kr等）如释放出来还会造成燃料棒的内压增加，并且导致燃料的化学、物理、机械性能的改变，有些挥发性裂变产物可造成对包壳材料内壁的侵蚀。1223.4.2 辐照损伤机理辐照损伤机理 1）位移峰位移峰:一个高能粒子击出的级联碰撞原子趋向于积聚在粒子运动的初级方向上，影响的区域称为位移峰，其长度约10nm。被击出的初级位移原子将沿垂直于初级原子径迹方向，继续运动几个原子的距离，然后停留在间隙位置上，形成一个间隙原子壳。这个极小体积所获得的能量在短时间内转变为热能，并使间隙原子壳发生熔化。在此熔融区内原子重新排列，由于接着而来的迅速冷却使原子冻结在畸变后的位置上，出现了包含大

51、量空位和间隙原子的离位峰。2）热峰热峰:一个快中子会经历几次弹性碰撞，速度下降到不可能再造成原子位移时，剩余的能量会以振动的形式消散在一个很小的范围内，形成一个热峰。局部温度可达几千度。123离位峰模型124辐照效应金属点阵中存在大量的空位和间隙原子会大大增加金属的硬度，降低它的延性。许多材料的体积会明显增加（如石墨、金属铀）。在各向异性的晶体中会发生定向生长和严重畸变。热峰过后留下永久残余变形。因此热峰的产生也将导致材料物理、机械性能变化。实际上，热峰是可以单独发生的，因为入射粒子将产生一系列的PKA，其中一些能量在离位阈能附近可以形成热峰；而离位峰常常是与热峰结合在一起的，因为离位峰内包含

52、了大量能量在离位阈能附近的反冲原子，因此离位峰本身就含有热峰。1253.4.3 材料的辐照效应一般规律1）性能改变性能改变 辐照导致材料的屈服强度（0.2或s）、抗拉强度（b）、韧脆转变温度（DBTT或 NDT）、杨氏模量（E）及高温蠕变速率（）增加；而导致塑性指标（，）、密度（D）、冲击功（Ak）、断裂韧性（Kc，Jc）及热导率（）减小。1262）辐照肿胀辐照肿胀 辐照导致材料中产生大量的缺陷，缺陷聚集后产生空位位错环和间隙位错环。空位位错环不易坍塌，因为核反应产生的氦气易聚集在空位位错环内，而使其形成三维的空洞造成体积膨胀；间隙位错环坍塌后在原晶体中多了一个原子面，使体积增加。因此辐照导致

53、材料的肿胀。辐照肿胀与温度有关。如不锈钢大约在下辐照肿胀量最大（当中子通量达1027n/m2时，肿胀可达15%）。低于此温度，空位、间隙原子可动性不大，被冻结在材料中，高于此温度，缺陷复合的机会增加，肿胀量就会减少。1273）氦脆氦脆 由于（n，）反应产生大量的氦气，一旦氦泡在晶界聚集，就会造成材料的脆化，形成沿晶断裂。4）辐照生长辐照生长 一些材料在中子辐照下表现为定向的伸长和缩短，而密度基本不变，这种现象称为辐照生长，如锆在辐照下呈现a轴生长，c轴缩短的现象，宏观上可观察到包壳管变长。128锆辐照生长锆辐照生长1295）辐照诱导放射性辐照诱导放射性 材料对中子的吸收会导致产生放射性核素。在辐照下产生的长寿命同位素，会增加废物处理的负担并给设备维修带来困难。如Co58，通过（n，2n）反应产生Co60，而Co60是长寿命同位素，放射性很强，很难处理。所以核级材料中要严格控制钴的含量。