核电站材料-材料性能

2012年12月27日星期四
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外力去除后
σ
不能消失的
塑性
变形
b
缩颈
变形 屈服
断裂
随载荷撤除
而消失的变 形。
s
加工 硬化
k
e
弹性
变形
σe σs σb
O
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σ-ε曲线
ε
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强度: 材料在外力的作用下抵抗变形和破坏的能力。
(1) 种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。
韧脆转变温度——DBTT, Ductile-Brittle Transition Temperature； 不是一具体温度点 ，而是一个温度区间；由一系列冲击试验来 求得，测定比较复杂。
ak
金属材料的韧脆转变温度越
低，材料的低温冲击韧性越好。
60 40
20
-40
-20
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韧脆转变温 度
主要类型： 电偶腐蚀 晶间腐蚀 缝隙腐蚀 小孔腐蚀 应力腐蚀 磨损腐蚀
选择性腐蚀 氢损伤
局部腐蚀破坏有如下特征 : 复杂性、集中性、突发性
发生局部腐蚀的条件
(1) 金属方面或溶液方面存在较大的电化学不 均一性，因而形成了可以明确区分的阳极区和 阴极区，它们遵循不同的电化学反应规律。
(2) 阳极区和阴极区的电化学条件差异在腐蚀过 程中一直保持下去，不会减弱，甚至还会不断 强化，使某些局部区域的阳极溶解速度一直保 持高于其余表面。这是局部腐蚀能够持续进行 (发展)的条件。
3．热容：
材料在温度升高1℃时所吸收的热量叫做 热容,一克物质的热容也叫比热。
4. 导电性
电阻率：ρ
电导率：1/ρ
超导体：ρ——0
导体：ρ=10-8－10-5 Ω
半导体：ρ=10-5－107
绝缘体：ρ=107－1022
5. 磁性：能吸引铁、钴、镍等物质的性质称 为磁性。
物质接磁性分类：物质的磁性可以分为抗 磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁 磁性。
1. 孔蚀
孔蚀即小孔腐蚀，亦称点蚀。腐蚀破坏形态 是金属表面局部位置形成蚀孔或蚀坑，一 般孔深大于孔径。
点蚀的破坏特征:
• 破坏高度集中、蚀孔的分布不均匀
• 蚀孔通常沿重力方向发展、蚀孔口很小， 而且往往覆盖有固体沉积物，因此不易发 现；
• 孔蚀发生有或长或短的孕育期(或诱导期)
孔蚀的引发
孔蚀的形成可分为引发和成长(发展)两个阶段。 在钝态金属表面上，蚀孔优先在一些敏感位置上 形成，这些敏感位置(即腐蚀活性点)包括： • 晶界(特别是有碳化物析出的晶界)，晶格缺
断裂韧度
低应力脆断 有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会 发生脆性断裂。 应力场强度因子 KI=Yσa1/2
当KI达到临界值KIC时，零件内裂纹将发 生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而 KI＜KIC时，零件安全可靠。
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断裂韧度KIC 材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示。
疲劳性能
特点—— 疲劳强度——即疲劳极限，S-N线中，当应力
小于或等于某值时，将不会发生疲劳断裂 ，该值即为
S-N线：应力-循环次数曲线，交变应力σ与其
断裂前所能经受应力循环次数N的变化关系曲线；
σN0——疲劳寿命为N0时的疲劳强度
σ
σ-1 σN
C
A, 例如碳钢
D B,大多数金属或合金
N0
N
交变热应力
(2) 屈服强度(σs ):
Fs σs =
S0
试样屈服时的载荷( N )
( MPa )
试样原始横截面积( mm2)
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s 规定残余伸长应力：Fr0.2
σs= σr0.2 =Fr0.2/S 0
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o 0.2%l0
l
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(3) 抗拉强度(σb ): 试样在断裂前所能 承受的最大应力。
比如，空间中有两个运动的点电荷，在一个点电荷 的参考系中观察另一个点电荷，他受到的力满足 库伦定律（静止电荷不管对静止的还是运动的电 荷作用都满足库仑定律）。而在观察者所在的“ 静止”的参考系中，它受到的力就不满足库仑定 律了，而多出一个增量，这个增量就是磁场力。
磁场力是电场力的相对论效应的表现。上面提到的 受力电荷，在我们看来即受库仑力又受磁场力。 我们平时之所以见到的导线间的磁场力而不见库 仑力，是因为导线中及既有正电荷又有负电荷 ；
蠕变——在材料超过再结晶或重结晶温度时 蠕变非常明显；
伸 长
一期蠕变
二期蠕变
ε0
三期蠕变
破断寿命
时间，小时
除了加载产生的弹性变形外，蠕变曲线分为三期：
一期蠕变——蠕变速度随时间增加而逐渐减小，原因 ：位错塞积、引起变形强化，最后达到一最小值
二期蠕变——蠕变速度稳定、缓慢，动态平衡
三期蠕变——蠕变加速，直到试样断裂；
这说明铁中由于原磁体的存在能够被磁铁所磁 化；而铜、铝等金属是没有原磁体结构的，所 以不能被磁铁所吸引。
简单说来，磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁 力的作用；在相同的不均匀磁场中，由单位质量的 物质所受到的磁力方向和强度，来确定物质磁性的 强弱。
物质的磁性起源于原子中电子的运动，电子的运动会 产生一个电磁以太的涡旋。运动的带电粒子在磁场 中会受到一种称为洛仑兹(Lorentz)力作用。由带 电粒子在不同磁场中所受到洛仑磁力的大小来确定 磁场强度的高低。
T↓，ak急剧↓
韧性→脆性
T(ºC)
0
20
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RPV的韧脆转变
RPV——低合金钢建造的，b.c.c.结构，存在 韧脆转变温度；
RPV材料服役环境——暴露在快中子场中，辐 照后材料产生缺陷，韧脆转变温度升高， 使材料强化和脆化；
RPV中DBTT的测定——内部堆芯部分悬挂监督 管，定期取出，监督RPV材料整个寿期内的 DBTT的变化，防止发生任何意外。
陷； • 非金属夹杂，特别是硫化物,如FeS、MnS，是
Fb σb =
S0
试样断裂前的最大载荷(N)
( M pa )
试样原始横截面积( mm2)
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塑性: 材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏 的能力。
(1)断面收缩率（ψ）: 试样拉断处横截面积S1的收缩量与原 始横截面积S0之比。
S0 - S1
ψ=
× 100%
S0
(2)断后伸长率(延伸率，δ) :试样拉断后的标距伸长量L1与
永磁体的磁性可以用安培分子电流假说来解 释，每一个分子都是由原子核和绕它转动 的电子组成，转动的电子可以看作一个小 的环形电流（分子电流），永磁体中分子 电流的排列比较整齐，他们所产生的磁感 强度方向一致，表现宏观的磁性。
为什么运动电荷或是电流会产生磁场呢？
爱因斯坦曾经说过，他提出狭义相对论正是 以解开磁场力和电场力的关系之谜为初衷 的。根据狭义相对论，不仅时间、长度是 相对的，力也是相对的。也就是说在不同 的惯性系中观察同一个力，其结果是不一 样的。
磁化率
磁化强度M＝X·H X：磁化率(或磁化系数)
导磁率 B＝μ·H （μ：介质导磁率）
磁弹回线和矫顽力
安培提出了分子电流假说。安培认为，任何 物质的分子中都存在着环形电流，称为分 子电流，而分子电流相当一个基元磁体。 当物质在宏观上不存在磁性时，这些分子 电流做的取向是无规则的，它们对外界所 产生的磁效应互相抵消，故使整个物体不 显磁性。
☺
2013年1月
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材料性能
材
力学性能
料 使用性能 物理性能 辐射性能
的
化学性能
性
热处理性能
能
锻压性能 工艺性能 焊接性能
铸造性能
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主要内容
3.1 材料的物理性能
3.2 材料的机械性能
3.3 材料的腐蚀性能
3.4 材料的辐照性能
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疲劳：有时可由周期改变的热应力产生；稳 压器受频繁温度变化形成的交变热应力而 发生疲劳； 高频、低应力 i.e.属高次低 应力疲劳，要求高强度钢
一回路管道：反应堆启动、改变功率和停堆 产生循环热应力；低频、高应力，要求高 韧性度的钢
3.3 材料的腐蚀性能
定义——局部腐蚀是指金属表面局部区域的腐蚀破 坏比其余表面大得多，从而形成坑洼、沟槽、分 层、穿孔、破裂等破坏形态。
3.1 材料的物理性能
1．热膨胀――原子（或分子）受热后平均振幅增加 （1）体积膨胀系数β （2）线膨胀系数α
结合键越强则原子间作用力越大，原子离开 平衡位置所需的能量越高，则膨胀系数越小。 2．热传导――自由电子的运动和晶格振动。 导热系数λ：单位温度梯度下，单位时间内通过单 位垂直面积的热量 ，单位为W/(m·K)
特斯拉是磁通密度的国际单位制单位，磁通密度是描 述磁场的基本物理量，而磁场强度是描述磁场的辅 助量。特斯拉(Tesla，N)(1856~1943)是克罗地亚 裔、世界知名的发明家、物理学家、机械工程师， 曾发明变压器和交流电动机。 ”神的代言人”。
磁铁的磁性的产生原理是这样解释的：一般 物体内部都有很多的微小电流环（比如电 子圆周运动形成一个电流回路），而这些 电流回路都会产生相应的磁场；
在外磁场作用下，等效于基元磁体的各个分 子电流将倾向于沿外磁场方向取向，而使 物体显示磁性。
铁中有许多具有两个异性磁极的原磁体，在无 外磁场作用时，这些原磁体排列紊乱，它们 的磁性相互抵消，对外不显示磁性。
当把铁靠近磁铁时，这些原磁体在磁铁的作用 下，整齐地排列起来，使靠近磁铁的一端具有 与磁铁极性相反的极性而相互吸引。
H V=F/S
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韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
试样冲断时所消耗的 冲击功Ak为: Ak = mgh – mgh′ (J)
冲击韧度ak：试样缺口处单位截面积上 所消耗的冲击功ak = Ak/S (J/cm²) 。
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-2Biblioteka Baidu-
韧脆转变
韧脆转变——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、也称低 温脆性；原因是金属材料强度随温度降低急 剧增加，是b.c.c钢难以避免的特性。
蠕变极限——表示材料在高温和长期载荷作用下， 抵抗塑性变形的抗力指标，有2种表示法：
给定温度下，使试样产生规定蠕变速率ε的应力
值，σ5001X10-5=70MPa 给定温度下，在规定的时间内使试样产生一定的
蠕变伸长率δ的应力值，σ5001/105=130MPa
持久极限—— ， σ700104=30MPa
0
1 3 2
h
布氏硬度计
淬火钢球HBS (<450) 120º金刚石圆锥体
硬质合金钢球
(70-85HRA、20-
HBW(450~650)
70HRC)
F
F
HB= —— = ————
钢球(25-100 HRB)
S
πDh
HR=h/0.002
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维氏硬度计
锥面夹角为136º的 金刚石正四棱锥 体，与布氏硬度试 验原理基本相同。
反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能 力。 KIC可通过试验来测定，它是材料本身的特 性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。 为安全设计提供了一个重要的力学性能指标。
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蠕变性能 Creep Property
蠕变——材料在恒定温度、长时间受力状态 下，即使所受应力小于其屈服强度，也会 随时间缓慢地产生永久塑性变形，该现象 称为☺；
3.2 材料的机械性能
力学性能 定义 : 是指金属材料在外力的作用下所 表现出来的抵抗能力。
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主要指标： 力 学 性 能
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强度 塑性
拉伸试验
硬度
硬度试验
冲击韧性 冲击试验
断裂韧度
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拉伸试样
液压式万能电子材料试验机
d0
L0
长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
磁力的本质是什么，为什么只对铁钴镍有影响？ 而且磁性是永恒的吗？还是像放射性一样会衰变 ？
磁力实质上通过是场和场之间相互作用的效果，不过 场被定义成一种不可见的物质，而磁场和磁体本身 的关系则涉及到围观中每个电子的旋转方向，电子 的旋转产生电场，这些电子电场的叠加在宏观上构 成磁场 ；
维基百科解释： 在电磁学里，磁石、磁铁、电流、含时电场，都会 产生磁场[1]。处于磁场中的磁性物质或电流，会因 为磁场的作用而感受到磁力，因而显示出磁场的存 在。磁场是一种矢量场；磁场在空间里的任意位置 都具有方向和数值大小
原始标距L0之比。 L0 - L1
δ=
× 100%
L0
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硬度： 材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。
硬度试验方法：
（1）压入法（布氏硬度HB、洛氏硬度 HR、维氏硬度HV）
（2）划痕法（金刚石→滑石）
（3）回跳法（里氏硬度HL）
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