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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-B 216

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A508-3 228

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 1Cr13 262

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　00Cr13Ni5Mo 272

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316Ti 365

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　00Cr25Ni35AlTi 390

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　0Cr15Ni75Fe 399

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　0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti 417

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　0Cr15Ni70Ti3AlNb 425

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