核能用结构合金

　　本书概述了水冷裂变反应堆、第四代裂变反应堆以及聚变反应堆用结构材料；当前可用的研究工具，分析检测核电结构材料的微观结构和力学性能及利用计算热力学设计新型高性能合金；辐射引起的材料显微组织和性能变化及辐照环境下材料的腐蚀、疲劳、氢脆等；反应堆压力容器的低合金钢的制备；回火铁素体/马氏体钢的发展；纳米级氧化物弥散强化铁素体/马氏体钢的加工方法和性能以及难熔合金的制备。本书对从事核电反应堆材料和反应堆设计、研究、运行、生产和教学以及相关材料专业的科技人员、本科生、研究生都有重要的参考价值。

　　（美）G·罗伯特·奥德特（G. Robert Odette），在麻省理工学院核工程专业获硕士和博士学位，加州大学圣巴巴拉分校化学工程系教授，美国矿产、金属及材料学会（TMS）会员及美国核学会（ANS）会员。曾获TMS年度结构材料科学家奖，ANS Mishima奖。主要研究方向为固体力学，材料与结构等。Dr. Steven J. Zinkle，1985年博士毕业于威斯康星大学核工程专业， 美国工程院院士，田纳西大学诺克斯维尔分校核工程系教授，原橡树岭国家实验室（ORNL）材料科学与技术部主任。现任Journal of Nuclear Materials 编辑，国家科学院国家材料与制造委员会成员，主要研究方向为结构材料的物理冶金，离子和中子辐照对微观结构的影响，金属和陶瓷的物理和机械性能，聚变和裂变反应堆材料，及变形和断裂机理。

第1章 水冷裂变反应堆中结构材料综述 11.1　引言 11.2　轻水反应堆环境和主要退化模式 91.2.1　热老化与疲劳 91.2.2　辐照 91.2.3　水环境 111.3　轻水反应堆用关键结构材料综述 121.3.1　锆基合金 121.3.2　奥氏体不锈钢 131.3.3　铸造奥氏体不锈钢 141.3.4　镍基合金 151.3.5　低合金钢 17参考文献 19第2章 第四代裂变核反应堆系统和结构材料运行环境综述 222.1　引言 232.2　液态金属冷却快堆 232.2.1　钠冷快堆（SFR）——总体设计与应用 232.2.2　铅冷快堆（LFR） 292.3　氦冷堆 352.3.1　超高温反应堆（VHTR） 352.3.2　气冷快堆 382.4　其他第四代裂变反应堆系统 392.4.1　熔盐燃料反应堆（MSR） 392.4.2　熔盐冷却反应堆 412.4.3　超临界水冷反应堆（SCWR） 422.4.4　总结 44参考文献 44第3章 聚变核反应堆系统和结构材料运行环境综述 503.1　引言 513.2　基础物理学概述 513.2.1　聚变反应周围材料的中子和热负荷 533.3　核聚变环境中材料退化的基础 543.3.1　与裂变环境的比较 563.4　MCF.和.ICF.概念型设计的概述 583.4.1　MCF.概念型电厂设计 593.4.2　ICF.概念型电厂设计 623.5　第一壁/包覆层结构材料的选择 643.5.1　RAF/M.钢 643.5.2　纳米结构铁素体合金 693.5.3　钒合金 713.5.4　连续.SiC.纤维增强.SiC.陶瓷基复合材料 733.5.5　氦在聚变结构材料中的作用 753.6　偏滤器/限幅器应用材料 803.6.1　钨及钨合金 803.6.2　碳纤维复合材料 843.6.3　液壁 863.7　真空容器（VV）材料 873.8　磁性结构材料 89参考文献 90第4章 微观结构、力学性能及计算热力学研究工具 984.1　简介 994.1.1　背景 994.1.2　辐照材料表征 1014.2　微观结构工具 1024.2.1　辐照诱导微观结构 1024.2.2　微观结构工具 1044.2.3　电子显微学 1054.2.4　原子探针层析技术 1114.2.5　中子小角散射（SANS） 1194.2.6　基于正电子湮没谱学的技术 1234.2.7　微结构技术小结 1274.3　基于小尺寸试样测试辐照材料的力学性能 1274.3.1　引言 1274.3.2　小尺寸试样拉伸测试 1284.3.3　显微硬度测试 1304.3.4　辐照脆化实验：转变温度移位与断裂韧性 1314.3.5　辐照硬化-脆化关系 1354.3.6　纳米尺度下的力学测试数据 1354.3.7　小结 1364.4　计算合金设计与优化 1374.4.1　引言 1374.4.2　合金优化 1374.4.3　合金选择与设计 1394.4.4　动力学和力学性能模拟 1404.4.5　小结 141参考文献 141第5章 反应堆用结构合金中的辐照及热机械退化效应 1615.1　概述 1625.2　热机械性能退化过程 1645.2.1　热老化 1645.2.2　热蠕变 1655.2.3　疲劳和蠕变疲劳 1685.3　辐照硬化和脆化 1715.3.1　与辐照剂量相关的低温辐照硬化和塑性降低 1715.3.2　与温度相关的辐照硬化和塑性降低 1735.3.3　低温辐照脆化 1735.4　辐照诱发相和微量化学变化 1755.4.1　非晶化 1765.4.2　辐照增强和诱发偏聚（及析出） 1775.5　辐照改性和应力改性作用下的腐蚀和开裂现象 1815.6　辐照诱发的尺寸不稳定性 1845.6.1　空穴肿胀 1845.6.2　辐照蠕变 1875.6.3　辐照生长 1895.7　高温氦脆 1905.8　结论 194致谢 195参考文献 195第6章 当代和下一代核反应堆的腐蚀问题 2116.1　核反应堆系统的腐蚀 2126.1.1　腐蚀类型 2126.1.2　核反应堆系统的运行条件 2136.2　水冷堆的腐蚀 2156.2.1　亚临界水 2156.2.2　超临界水 2206.3　氦冷堆的腐蚀 2236.3.1　VHTR.环境中的氧化 2246.3.2　VHTR.环境中的脱碳 2256.3.3　VHTR.环境中的渗碳 2276.3.4　内氧化 2276.3.5　其他问题 2286.4　熔盐堆和液态金属堆的腐蚀 2286.4.1　熔盐 2296.4.2　钠 2356.4.3　铅合金 238参考文献 240扩展阅读 245第7章 轻水堆燃料包壳和堆芯构件用锆合金 2477.1 锆合金概述 2487.2 制造和微观结构 2517.2.1　概述 2517.2.2　晶格结构及第二相粒子 2527.2.3　锆合金的加工与制造 2537.2.4　锆合金的各向异性 2547.2.5　织构 2547.3 腐蚀和积垢 2577.3.1　概述 2577.3.2　锆合金腐蚀 2577.3.3　燃料棒积垢 2587.3.4　PWR.冷却剂化学 2597.3.5　BWR.冷却剂化学 2607.3.6　严重腐蚀和积垢引起的燃料组件破坏 2617.4 氢化和机械完整性 2627.4.1　概述 2627.4.2　氢化对未辐照合金力学性能的影响 2627.4.3　氢化对辐照力学性能的影响 2647.4.4　氢化物对事故后瞬态力学性能的影响 2697.5 辐照效应 2697.5.1　概述 2697.5.2　辐照对耐蚀性的影响 2717.5.3　辐照硬化和脆化 2717.5.4　辐照生长 2727.5.5　辐照蠕变 2737.6 破坏机制 2747.6.1　概述 2747.6.2　碎片磨损 2757.6.3　格架-燃料棒微动磨损（GTRF） 2767.6.4　芯块-包壳力学相互作用（PCMI） 2767.6.5　芯块-包壳相互作用-应力腐蚀开裂(PCI-SCC) 2777.6.6　不常见的破坏机制 2787.7 总结 279参考文献 281第8章 奥氏体不锈钢 2908.1　概述 2918.2　在轻水反应堆和第四代反应堆中的应用 2928.2.1　轻水反应堆 2928.2.2　钠冷快堆 2928.3　辐照诱发的冶金变化 2958.3.1　辐照诱发元素偏聚 2968.3.2　位错显微结构 2998.3.3　相稳定性 3008.3.4　嬗变 3028.4　辐照诱发的力学性能变化及退化模式 3058.4.1　辐照硬化 3058.4.2　断裂韧性降低和脆化 3068.4.3　高温氦脆 3088.4.4　空洞肿胀 3098.4.5　辐照蠕变和疲劳 3118.4.6　堆内蠕变性能 3148.5　裂变燃料芯块-包壳交互作用(PCI)/燃料-包壳化学交互作用(FCCI) 3168.6　与冷却介质的化学相容性 3188.7　应力腐蚀开裂 3208.7.1　BWR.中的.SCC 3208.7.2　PWR.中的.IGSCC 3208.8　水环境和辐照的综合作用 3238.8.1　辐照加速应力腐蚀开裂 3238.8.2　辐照加速腐蚀 3298.8.3　腐蚀疲劳 3298.8.4　氢脆 3318.8.5　断裂韧性 3328.9　总结与展望 334参考文献 337扩展阅读 348第9章 镍基合金在反应堆堆内构件和蒸汽发生器中的应用 3499.1　概述 3509.2　物理冶金 3519.3　热机械处理 3559.4　连接 3569.5　力学性能 3589.6　断裂模式 3599.7　形变机制（屈服应力和蠕变强度） 3619.8　应力腐蚀开裂 3649.9　第四代反应堆用镍基合金 3669.10　与冷却剂的化学相容性 3679.11　镍基合金的辐照损伤和气体产生 3689.12　镍基合金的辐照硬化/软化和塑性损失 3759.12.1　CANDU.反应堆 3769.12.2　轻水反应堆 3809.12.3　快堆 3819.12.4　质子辐照设施 3829.12.5　离子辐照设施 3879.13　氢脆 3879.14　氦脆 3889.15　点缺陷 3919.16　辐照蠕变和应力弛豫 3939.17　疲劳和蠕变疲劳 3959.17.1　疲劳 3959.17.2　蠕变-疲劳变形 3969.18　总结 397致谢 398参考文献 398第10章 低合金钢 40910.1　低合金钢的成分、制造和性能 41010.1.1　低合金钢类型和成分 41010.1.2　LWR.的设计和制造 41410.1.3　微观组织和性能 42010.2　低合金钢的主要应用 42410.2.1　反应堆压力容器 42410.2.2　其他压力容器 42510.2.3　管道 42510.3　性能 42710.3.1　监管法规和结构完整性评估（SIA） 42710.3.2　服役退化 43410.3.3　其他性能问题 46210.4　目前发展和未来展望 46310.4.1　改进的全寿命韧性预测 46310.4.2　改进的材料 46510.4.3　其他问题 466参考文献 466第11章 铁素体和回火马氏体钢 48211.1　铁素体/马氏体钢发展历史简述：成分与组成 48211.2　铁素体/马氏体钢在第四代核能系统和聚变堆中的应用 48511.3　环境促进开裂 48611.4　与液态金属冷却剂的相容性 48711.5　辐照硬化和软化、脆化、疲劳和热蠕变 49011.5.1　辐照硬化和软化 49111.5.2　辐照脆化-快速断裂 49711.5.3　疲劳 50211.5.4　热蠕变 50411.6　氦效应 50511.7　空洞肿胀和辐照蠕变 50811.7.1　空洞肿胀 50811.7.2　辐照蠕变 51011.8　提高性能的未来展望 512参考文献 513第12章 纳米氧化物弥散强化钢 52512.1　概述 52612.2　氧化物弥散强化（ODS）合金简史 52812.3　核用纳米氧化物弥散强化（NODS）铁基合金的一些关键特性概述 52912.3.1　未辐照合金的力学性能 52912.3.2　合金稳定性与辐照效应综述 53012.3.3　空洞肿胀和氦效应 53112.3.4　其他纳米氧化物强化（NODS）问题 53212.4　纳米结构铁素体合金（NFA）和纳米结构回火马氏体钢（NMS）的成分和制备工艺概述 53212.4.1　合金成分、相图和相变过程 53212.4.2　预固结处理 53412.4.3　致密化 53612.4.4　变形加工与管材制备 53712.4.5　变形过程中的织构和损伤机制 53812.4.6　焊接 54012.4.7　可选用的成分和加工工艺 54212.4.8　加工和制造小结 54212.5　纳米氧化物（NO）的特点和功能 54212.5.1　纳米氧化物（NO）统计资料 54212.5.2　纳米氧化物（NO）的性质 54412.5.3　纳米氧化物（NO）功能和与氦（He）的相互作用 54512.5.4　小结 54712.6　力学性能 54712.6.1　静态拉伸强度和塑性 54712.6.2　蠕变 54912.6.3　快速断裂和疲劳 55112.7　热老化与辐照效应 55412.7.1　热老化效应 55512.7.2　辐照对微观结构的影响概述 55712.7.3　纳米氧化物的辐照稳定性 55712.7.4　位错环 55812.7.5　溶质偏聚、聚集和析出 55912.7.6　空穴和肿胀 56112.7.7　辐照对强度和韧性的影响 56512.7.8　辐照对其他性能的影响 56712.7.9　热老化与辐照效应总结 56712.8　建模 56712.9　未来展望 569参考文献 570第13章 难熔合金：钒、铌、钼、钨 58413.1　引言 58513.2　难熔合金生产的实际路线 58613.2.1　钒 58613.2.2　铌 58913.2.3　核级钼的制造 59013.2.4　钨和钨合金生产流程 59413.3　加工态力学性能 59813.3.1　钒 59813.3.2　铌的加工态力学性能 60413.3.3　钼的加工态力学性能 60513.3.4　钨的加工态力学性能 60813.4　辐照后的力学性能 61113.4.1　钒辐照后的力学性能 61113.4.2　铌辐照后的力学性能 61813.4.3　钼辐照后的力学性能 62113.4.4　钨辐照后的力学性能 62513.4.5　总结与结论 628参考文献 630索引 639