本書概述了水冷裂變反應(yīng)堆、第四代裂變反應(yīng)堆以及聚變反應(yīng)堆用結(jié)構(gòu)材料；當(dāng)前可用的研究工具，分析檢測核電結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能及利用計算熱力學(xué)設(shè)計新型高性能合金；輻射引起的材料顯微組織和性能變化及輻照環(huán)境下材料的腐蝕、疲勞、氫脆等；反應(yīng)堆壓力容器的低合金鋼的制備；回火鐵素體/馬氏體鋼的發(fā)展；納米級氧化物彌散強(qiáng)化鐵素體/馬氏體鋼的加工方法和性能以及難熔合金的制備。本書對從事核電反應(yīng)堆材料和反應(yīng)堆設(shè)計、研究、運行、生產(chǎn)和教學(xué)以及相關(guān)材料專業(yè)的科技人員、本科生、研究生都有重要的參考價值。
Dr. G. Robert Odette，在麻省理工學(xué)院核工程專業(yè)獲碩士和博士學(xué)位，加州大學(xué)圣巴巴拉分�；瘜W(xué)工程系教授，美國礦產(chǎn)、金屬及材料學(xué)會（TMS）會員及美國核學(xué)會（ANS）會員。曾獲TMS年度結(jié)構(gòu)材料科學(xué)家獎，ANS Mishima獎。主要研究方向為固體力學(xué)，材料與結(jié)構(gòu)等。Dr. Steven J. Zinkle，1985年博士畢業(yè)于威斯康星大學(xué)核工程專業(yè), 美國工程院院士，田納西大學(xué)諾克斯維爾分校核工程系教授，原橡樹嶺國家實驗室（ORNL）材料科學(xué)與技術(shù)部主任。現(xiàn)任Journal of Nuclear Materials 編輯，國家科學(xué)院國家材料與制造委員會成員，主要研究方向為結(jié)構(gòu)材料的物理冶金，離子和中子輻照對微觀結(jié)構(gòu)的影響，金屬和陶瓷的物理和機(jī)械性能，聚變和裂變反應(yīng)堆材料，及變形和斷裂機(jī)理。
第1章 水冷裂變反應(yīng)堆中結(jié)構(gòu)材料綜述 1
1.1 引言 1
1.2 輕水反應(yīng)堆環(huán)境和主要退化模式 9
1.2.1 熱老化與疲勞 9
1.2.2 輻照 9
1.2.3 水環(huán)境 11
1.3 輕水反應(yīng)堆用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料綜述 12
1.3.1 鋯基合金 12
1.3.2 奧氏體不銹鋼 13
1.3.3 鑄造奧氏體不銹鋼 14
1.3.4 鎳基合金 15
1.3.5 低合金鋼 17
參考文獻(xiàn) 19
第2章 第四代裂變核反應(yīng)堆系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)材料運行環(huán)境綜述 22
2.1 引言 23
2.2 液態(tài)金屬冷卻快堆 23
2.2.1 鈉冷快堆（SFR）——總體設(shè)計與應(yīng)用 23
2.2.2 鉛冷快堆（LFR） 29
2.3 氦冷堆 35
2.3.1 超高溫反應(yīng)堆（VHTR） 35
2.3.2 氣冷快堆 38
2.4 其他第四代裂變反應(yīng)堆系統(tǒng) 39
2.4.1 熔鹽燃料反應(yīng)堆（MSR） 39
2.4.2 熔鹽冷卻反應(yīng)堆 41
2.4.3 超臨界水冷反應(yīng)堆（SCWR） 42
2.4.4 總結(jié) 44
參考文獻(xiàn) 44
第3章 聚變核反應(yīng)堆系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)材料運行環(huán)境綜述 50
3.1 引言 51
3.2 基礎(chǔ)物理學(xué)概述 51
3.2.1 聚變反應(yīng)周圍材料的中子和熱負(fù)荷 53
3.3 核聚變環(huán)境中材料退化的基礎(chǔ) 54
3.3.1 與裂變環(huán)境的比較 56
3.4 MCF.和.ICF.概念型設(shè)計的概述 58
3.4.1 MCF.概念型電廠設(shè)計 59
3.4.2 ICF.概念型電廠設(shè)計 62
3.5 第一壁/包覆層結(jié)構(gòu)材料的選擇 64
3.5.1 RAF/M.鋼 64
3.5.2 納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金 69
3.5.3 釩合金 71
3.5.4 連續(xù).SiC.纖維增強(qiáng).SiC.陶瓷基復(fù)合材料 73
3.5.5 氦在聚變結(jié)構(gòu)材料中的作用 75
3.6 偏濾器/限幅器應(yīng)用材料 80
3.6.1 鎢及鎢合金 80
3.6.2 碳纖維復(fù)合材料 84
3.6.3 液壁 86
3.7 真空容器（VV）材料 87
3.8 磁性結(jié)構(gòu)材料 89
參考文獻(xiàn) 90
第4章 微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及計算熱力學(xué)研究工具 98
4.1 簡介 99
4.1.1 背景 99
4.1.2 輻照材料表征 101
4.2 微觀結(jié)構(gòu)工具 102
4.2.1 輻照誘導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu) 102
4.2.2 微觀結(jié)構(gòu)工具 104
4.2.3 電子顯微學(xué) 105
4.2.4 原子探針層析技術(shù) 111
4.2.5 中子小角散射（SANS） 119
4.2.6 基于正電子湮沒譜學(xué)的技術(shù) 123
4.2.7 微結(jié)構(gòu)技術(shù)小結(jié) 127
4.3 基于小尺寸試樣測試輻照材料的力學(xué)性能 127
4.3.1 引言 127
4.3.2 小尺寸試樣拉伸測試 128
4.3.3 顯微硬度測試 130
4.3.4 輻照脆化實驗：轉(zhuǎn)變溫度移位與斷裂韌性 131
4.3.5 輻照硬化-脆化關(guān)系 135
4.3.6 納米尺度下的力學(xué)測試數(shù)據(jù) 135
4.3.7 小結(jié) 136
4.4 計算合金設(shè)計與優(yōu)化 137
4.4.1 引言 137
4.4.2 合金優(yōu)化 137
4.4.3 合金選擇與設(shè)計 139
4.4.4 動力學(xué)和力學(xué)性能模擬 140
4.4.5 小結(jié) 141
參考文獻(xiàn) 141
第5章 反應(yīng)堆用結(jié)構(gòu)合金中的輻照及熱機(jī)械退化效應(yīng) 161
5.1 概述 162
5.2 熱機(jī)械性能退化過程 164
5.2.1 熱老化 164
5.2.2 熱蠕變 165
5.2.3 疲勞和蠕變疲勞 168
5.3 輻照硬化和脆化 171
5.3.1 與輻照劑量相關(guān)的低溫輻照硬化和塑性降低 171
5.3.2 與溫度相關(guān)的輻照硬化和塑性降低 173
5.3.3 低溫輻照脆化 173
5.4 輻照誘發(fā)相和微量化學(xué)變化 175
5.4.1 非晶化 176
5.4.2 輻照增強(qiáng)和誘發(fā)偏聚（及析出） 177
5.5 輻照改性和應(yīng)力改性作用下的腐蝕和開裂現(xiàn)象 181
5.6 輻照誘發(fā)的尺寸不穩(wěn)定性 184
5.6.1 空穴腫脹 184
5.6.2 輻照蠕變 187
5.6.3 輻照生長 189
5.7 高溫氦脆 190
5.8 結(jié)論 194
致謝 195
參考文獻(xiàn) 195
第6章 當(dāng)代和下一代核反應(yīng)堆的腐蝕問題 211
6.1 核反應(yīng)堆系統(tǒng)的腐蝕 212
6.1.1 腐蝕類型 212
6.1.2 核反應(yīng)堆系統(tǒng)的運行條件 213
6.2 水冷堆的腐蝕 215
6.2.1 亞臨界水 215
6.2.2 超臨界水 220
6.3 氦冷堆的腐蝕 223
6.3.1 VHTR.環(huán)境中的氧化 224
6.3.2 VHTR.環(huán)境中的脫碳 225
6.3.3 VHTR.環(huán)境中的滲碳 227
6.3.4 內(nèi)氧化 227
6.3.5 其他問題 228
6.4 熔鹽堆和液態(tài)金屬堆的腐蝕 228
6.4.1 熔鹽 229
6.4.2 鈉 235
6.4.3 鉛合金 238
參考文獻(xiàn) 240
擴(kuò)展閱讀 245
第7章 輕水堆燃料包殼和堆芯構(gòu)件用鋯合金 247
7.1 鋯合金概述 248
7.2 制造和微觀結(jié)構(gòu) 251
7.2.1 概述 251
7.2.2 晶格結(jié)構(gòu)及第二相粒子 252
7.2.3 鋯合金的加工與制造 253
7.2.4 鋯合金的各向異性 254
7.2.5 織構(gòu) 254
7.3 腐蝕和積垢 257
7.3.1 概述 257
7.3.2 鋯合金腐蝕 257
7.3.3 燃料棒積垢 258
7.3.4 PWR.冷卻劑化學(xué) 259
7.3.5 BWR.冷卻劑化學(xué) 260
7.3.6 嚴(yán)重腐蝕和積垢引起的燃料組件破壞 261
7.4 氫化和機(jī)械完整性 262
7.4.1 概述 262
7.4.2 氫化對未輻照合金力學(xué)性能的影響 262
7.4.3 氫化對輻照力學(xué)性能的影響 264
7.4.4 氫化物對事故后瞬態(tài)力學(xué)性能的影響 269
7.5 輻照效應(yīng) 269
7.5.1 概述 269
7.5.2 輻照對耐蝕性的影響 271
7.5.3 輻照硬化和脆化 271
7.5.4 輻照生長 272
7.5.5 輻照蠕變 273
7.6 破壞機(jī)制 274
7.6.1 概述 274
7.6.2 碎片磨損 275
7.6.3 格架-燃料棒微動磨損（GTRF） 276
7.6.4 芯塊-包殼力學(xué)相互作用（PCMI） 276
7.6.5 芯塊-包殼相互作用-應(yīng)力腐蝕開裂(PCI-SCC) 277
7.6.6 不常見的破壞機(jī)制 278
7.7 總結(jié) 279
參考文獻(xiàn) 281
第8章 奧氏體不銹鋼 290
8.1 概述 291
8.2 在輕水反應(yīng)堆和第四代反應(yīng)堆中的應(yīng)用 292
8.2.1 輕水反應(yīng)堆 292
8.2.2 鈉冷快堆 292
8.3 輻照誘發(fā)的冶金變化 295
8.3.1 輻照誘發(fā)元素偏聚 296
8.3.2 位錯顯微結(jié)構(gòu) 299
8.3.3 相穩(wěn)定性 300
8.3.4 嬗變 302
8.4 輻照誘發(fā)的力學(xué)性能變化及退化模式 305
8.4.1 輻照硬化 305
8.4.2 斷裂韌性降低和脆化 306
8.4.3 高溫氦脆 308
8.4.4 空洞腫脹 309
8.4.5 輻照蠕變和疲勞 311
8.4.6 堆內(nèi)蠕變性能 314
8.5 裂變?nèi)剂闲緣K-包殼交互作用(PCI)/燃料-包殼化學(xué)交互作用(FCCI) 316
8.6 與冷卻介質(zhì)的化學(xué)相容性 318
8.7 應(yīng)力腐蝕開裂 320
8.7.1 BWR.中的.SCC 320
8.7.2 PWR.中的.IGSCC 320
8.8 水環(huán)境和輻照的綜合作用 323
8.8.1 輻照加速應(yīng)力腐蝕開裂 323
8.8.2 輻照加速腐蝕 329
8.8.3 腐蝕疲勞 329
8.8.4 氫脆 331
8.8.5 斷裂韌性 332
8.9 總結(jié)與展望 334
參考文獻(xiàn) 337
擴(kuò)展閱讀 348
第9章 鎳基合金在反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件和蒸汽發(fā)生器中的應(yīng)用 349
9.1 概述 350
9.2 物理冶金 351
9.3 熱機(jī)械處理 355
9.4 連接 356
9.5 力學(xué)性能 358
9.6 斷裂模式 359
9.7 形變機(jī)制（屈服應(yīng)力和蠕變強(qiáng)度） 361
9.8 應(yīng)力腐蝕開裂 364
9.9 第四代反應(yīng)堆用鎳基合金 366
9.10 與冷卻劑的化學(xué)相容性 367
9.11 鎳基合金的輻照損傷和氣體產(chǎn)生 368
9.12 鎳基合金的輻照硬化/軟化和塑性損失 375
9.12.1 CANDU.反應(yīng)堆 376
9.12.2 輕水反應(yīng)堆 380
9.12.3 快堆 381
9.12.4 質(zhì)子輻照設(shè)施 382
9.12.5 離子輻照設(shè)施 387
9.13 氫脆 387
9.14 氦脆 388
9.15 點缺陷 391
9.16 輻照蠕變和應(yīng)力弛豫 393
9.17 疲勞和蠕變疲勞 395
9.17.1 疲勞 395
9.17.2 蠕變-疲勞變形 396
9.18 總結(jié) 397
致謝 398
參考文獻(xiàn) 398
第10章 低合金鋼 409
10.1 低合金鋼的成分、制造和性能 410
10.1.1 低合金鋼類型和成分 410
10.1.2 LWR.的設(shè)計和制造 414
10.1.3 微觀組織和性能 420
10.2 低合金鋼的主要應(yīng)用 424
10.2.1 反應(yīng)堆壓力容器 424
10.2.2 其他壓力容器 425
10.2.3 管道 425
10.3 性能 427
10.3.1 監(jiān)管法規(guī)和結(jié)構(gòu)完整性評估（SIA） 427
10.3.2 服役退化 434
10.3.3 其他性能問題 462
10.4 目前發(fā)展和未來展望 463
10.4.1 改進(jìn)的全壽命韌性預(yù)測 463
10.4.2 改進(jìn)的材料 465
10.4.3 其他問題 466
參考文獻(xiàn) 466
第11章 鐵素體和回火馬氏體鋼 482
11.1 鐵素體/馬氏體鋼發(fā)展歷史簡述：成分與組成 482
11.2 鐵素體/馬氏體鋼在第四代核能系統(tǒng)和聚變堆中的應(yīng)用 485
11.3 環(huán)境促進(jìn)開裂 486
11.4 與液態(tài)金屬冷卻劑的相容性 487
11.5 輻照硬化和軟化、脆化、疲勞和熱蠕變 490
11.5.1 輻照硬化和軟化 491
11.5.2 輻照脆化-快速斷裂 497
11.5.3 疲勞 502
11.5.4 熱蠕變 504
11.6 氦效應(yīng) 505
11.7 空洞腫脹和輻照蠕變 508
11.7.1 空洞腫脹 508
11.7.2 輻照蠕變 510
11.8 提高性能的未來展望 512
參考文獻(xiàn) 513
第12章 納米氧化物彌散強(qiáng)化鋼 525
12.1 概述 526
12.2 氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金簡史 528
12.3 核用納米氧化物彌散強(qiáng)化（NODS）鐵基合金的一些關(guān)鍵特性概述 529
12.3.1 未輻照合金的力學(xué)性能 529
12.3.2 合金穩(wěn)定性與輻照效應(yīng)綜述 530
12.3.3 空洞腫脹和氦效應(yīng) 531
12.3.4 其他納米氧化物強(qiáng)化（NODS）問題 532
12.4 納米結(jié)構(gòu)鐵素體合金（NFA）和納米結(jié)構(gòu)回火馬氏體鋼（NMS）的成分和制備工藝概述 532
12.4.1 合金成分、相圖和相變過程 532
12.4.2 預(yù)固結(jié)處理 534
12.4.3 致密化 536
12.4.4 變形加工與管材制備 537
12.4.5 變形過程中的織構(gòu)和損傷機(jī)制 538
12.4.6 焊接 540
12.4.7 可選用的成分和加工工藝 542
12.4.8 加工和制造小結(jié) 542
12.5 納米氧化物（NO）的特點和功能 542
12.5.1 納米氧化物（NO）統(tǒng)計資料 542
12.5.2 納米氧化物（NO）的性質(zhì) 544
12.5.3 納米氧化物（NO）功能和與氦（He）的相互作用 545
12.5.4 小結(jié) 547
12.6 力學(xué)性能 547
12.6.1 靜態(tài)拉伸強(qiáng)度和塑性 547
12.6.2 蠕變 549
12.6.3 快速斷裂和疲勞 551
12.7 熱老化與輻照效應(yīng) 554
12.7.1 熱老化效應(yīng) 555
12.7.2 輻照對微觀結(jié)構(gòu)的影響概述 557
12.7.3 納米氧化物的輻照穩(wěn)定性 557
12.7.4 位錯環(huán) 558
12.7.5 溶質(zhì)偏聚、聚集和析出 559
12.7.6 空穴和腫脹 561
12.7.7 輻照對強(qiáng)度和韌性的影響 565
12.7.8 輻照對其他性能的影響 567
12.7.9 熱老化與輻照效應(yīng)總結(jié) 567
12.8 建模 567
12.9 未來展望 569
參考文獻(xiàn) 570
第13章 難熔合金：釩、鈮、鉬、鎢 584
13.1 引言 585
13.2 難熔合金生產(chǎn)的實際路線 586
13.2.1 釩 586
13.2.2 鈮 589
13.2.3 核級鉬的制造 590
13.2.4 鎢和鎢合金生產(chǎn)流程 594
13.3 加工態(tài)力學(xué)性能 598
13.3.1 釩 598
13.3.2 鈮的加工態(tài)力學(xué)性能 604
13.3.3 鉬的加工態(tài)力學(xué)性能 605
13.3.4 鎢的加工態(tài)力學(xué)性能 608
13.4 輻照后的力學(xué)性能 611
13.4.1 釩輻照后的力學(xué)性能 611
13.4.2 鈮輻照后的力學(xué)性能 618
13.4.3 鉬輻照后的力學(xué)性能 621
13.4.4 鎢輻照后的力學(xué)性能 625
13.4.5 總結(jié)與結(jié)論 628
參考文獻(xiàn) 630
索引 639
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