核電站裝備金屬材料開發與使用導論 (下冊) 石崇哲 9787030751089 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
《核電站裝備金屬材料開發與使用導論》從「研究與開發」「使用與效能」兩個方面，全面深入地研討和總結國內外學者以及作者對核電站裝備金屬材料的研究成果。《核電站裝備金屬材料開發與使用導論 下冊》分上下冊，除第1章外，分兩篇論述。《核電站裝備金屬材料開發與使用導論 下冊》為下冊，即第2篇「核電站裝備材料使用與效能的技術基礎」，包含第6章～第9章，研討核電站裝備金屬材料使用與效能學科體系要素元的環境腐蝕老化、組織結構老化、機械力學老化、老化評估與安全可靠使用和全系統全過程全壽命管理。

目錄

目錄
序
前言
第2篇 核電站裝備材料使用與效能的技術基礎
第6章 材料使用中的環境腐蝕老化 3
6 1 電化學腐蝕損傷老化 3
6 1 1 組分腐蝕的損傷老化 3
6 1 2 濃差腐蝕的損傷老化 9
6 1 3 硼酸加速腐蝕 24
6 2 應力腐蝕老化 25
6 2 1 應力-腐蝕協同損傷老化 25
6 2 2 應力腐蝕開裂機制 31
6 3 機械作用促進腐蝕 36
6 3 1 磨損、微動、沖蝕中的電化學腐蝕 36
6 3 2 沖蝕 40
6 4 電化學腐蝕的緩解 41
6 4 1 電化學腐蝕的緩解原則 41
6 4 2 環境控制 45
6 5 鋼的高溫水蒸氣氧化腐蝕老化 46
6 5 1 鋼的高溫氧化 46
6 5 2 鐵素體熱強鋼在高壓高溫水蒸氣中的氧化 50
6 5 3 空氣氧化 58
6 6 水蒸氣氧化層結構與剝落 59
6 6 1 水蒸氣氧化層表面形態 59
6 6 2 水蒸氣氧化層結構 61
6 6 3 水蒸氣氧化層的形成機制 65
6 6 4 水蒸氣氧化層的剝落機制 68
第7章 材料使用中的組織結構老化 71
7 1 輻照損傷老化 71
7 1 1 核燃料芯塊的自損傷 71
7 1 2 包覆金屬和結構件金屬的輻照損傷 76
7 2 熱作用下的Fe-Cr固溶體調幅分解老化 78
7 2 1 Fe-Cr固溶體的調幅分解 78
7 2 2 Z3CN20-09M鋼的調幅分解 81
7 2 3 熱老化試驗的加速 97
7 2 4 裝備熱老化的緩解 97
7 3 固溶體脫溶老化 98
7 3 1 連續脫溶 98
7 3 2 脫溶老化 98
7 3 3 碳化物石墨化老化 99
7 4 彌散相熟化老化 99
7 4 1 鋼中碳化物熟化老化 99
7 4 2 T91鋼的運行老化實例 104
7 4 3 彌散相熟化老化的解析 108
7 4 4 M5孿晶馬氏體的熱老化抗力 112
7 5 晶界效應引發的老化 116
7 5 1 元素晶界集聚脆化 116
7 5 2 晶界析出脆化 118
7 6 形變金屬的回復與再結晶老化 119
7 6 1 冷形變金屬的回復老化 119
7 6 2 冷形變金屬的再結晶老化 121
7 7 梯度場中的原子遷移老化 122
7 7 1 濃度梯度場中的溶質遷移老化 123
7 7 2 電梯度場中的原子遷移老化 124
7 7 3 熱梯度場中的原子遷移老化 125
第8章 材料使用中的機械力學老化 126
8 1 蒸汽管道鋼的持久與蠕變損傷老化 126
8 1 1 熱強鋼的高溫持久強度估算 126
8 1 2 蠕變評估 128
8 1 3 應力鬆弛損傷評估 144
8 2 核電站裝備的疲勞損傷老化 145
8 2 1 低周疲勞 146
8 2 2 疲勞損傷與破斷 152
8 2 3 疲勞壽命估算 156
8 2 4 環境中熱和腐蝕對疲勞的損傷 160
8 3 單向衝擊低周疲勞 163
8 3 1 參數關係 163
8 3 2 壽命與抗力 165
8 3 3 斷口 165
8 4 其他疲勞問題 166
8 4 1 微動疲勞 166
8 4 2 腐蝕微動疲勞 169
8 4 3 接觸疲勞老化 169
第9章 材料老化評估與安全可靠使用 172
9 1 核電站裝備金屬材料的安全性與可靠性 172
9 1 1 安全性和可靠性設計與金屬材料 172
9 1 2 可靠性試驗與壽命試驗 192
9 1 3 安全性與可靠性的失效分析和故障分析 196
9 2 核電站裝備材料老化綜要 203
9 2 1 老化機制綜覽 203
9 2 2 老化評估 208
9 3 裝備材料的老化管理 227
9 3 1 老化的鑒別和老化管理過程 227
9 3 2 老化管理研究 240
9 4 全系統-全過程-全壽命管理理念 248
9 4 1 全系統-全過程-全壽命管理的範疇與特徵 248
9 4 2 老化壽命管理 249
9 4 3 影響核電站壽命的關鍵材料問題 250
參考文獻 253

精彩書摘
第2篇 核電站裝備材料使用與效能的技術基礎
「性能-老化-安全-壽命」是材料使用與效能的學科體系，是材料開發與使用的雙四要素元綜合一體化學科體系的後半部，與前半部材料研究與開發的技術基礎相協相助而不可分離。本篇在研討材料的「性能-老化-安全-壽命」環鏈時特別注重它們之間的關聯，以推進現有材料對裝備安全可靠運轉的保障。影響安全和壽命的因素在於裝備和材料的老化及隨機缺陷，而隨機缺陷的迸發則大多源於老化。對於工程界，切實可採用的便是對裝備和材料的老化及隨機缺陷的監控與評估，以及對材料安全可靠經濟實用的改進。因此，本篇所論述的就是在材料使用的「性能-老化-安全-壽命」學科體系的技術路線中對現有材料的使用實踐小結。這是當今工程界更為適用的基礎經驗，也是工程界*為關心的材料研究與開發和材料合理高效經濟實用的終極目的——裝備的安全可靠運轉。這些基礎經驗已經歷過數十年使用的考驗和實踐經驗的積累，如對老化機制的認識，老化緩解的技術、監控和評估，以及管理的方法、概率理念的運用、縱深防禦等。
本篇內容包含第6章～第9章金屬材料的「性能-老化-安全-壽命」四元環鏈體系。與材料研究與開發的「成分-加工-組織-性能」學科體系相似，材料使用與效能的「性能-老化-安全-壽命」學科體系應理解為這個四元環鏈的四要素元是相互聯結而不可分割的統一體，是綜合化的統一體。
在材料使用與效能學科體系的「性能-老化-安全-壽命」四要素元中，*為關鍵的要素元便是老化元，它前期和中期激發隨機缺陷迸發，後期則促成自身損毀。安全為老化的前提，性能以補償老化。老化則決定了壽命，以完成材料的使用和效能。只要人們掌控好老化並使之緩解，便可較為容易地掌控材料的使用與效能。對這四要素元的解讀將主要集中在老化元，以老化為統領，以實時監控為保障，將裝備運行的安全可靠和壽命的管理統一起來。
第6章 材料使用中的環境腐蝕老化
核電站裝備總是承受力的作用並在環境介質中完成某種功能而服役，環境介質可以是自然的，如空氣、河水、海水、濕熱叢林、高寒冰川等；環境介質也可以是人為的，如某種氣體，酸或鹼或鹽的溶液，或高溫、低溫、輻射等。如此，核電站裝備便不可避免地要在力作用下的運動中和環境介質相接觸，這就不可避免地使製造裝備的金屬材料與環境介質發生化學的或電化學及物理的相互作用。金屬材料與環境介質所發生的化學或電化學相互作用，削弱了金屬材料的服役可靠性與安全性以及服役壽命，這就是金屬材料的環境化學或電化學老化-腐蝕。如果某種設計使得材料在服役壽命期內對這種自然演化和人工作業所導致的性能劣化是許可的，這種設計便是成功的；反之則是失敗的。
本章研討的重點是核電站裝備服役中發生的腐蝕，這種腐蝕包括電化學腐蝕和化學腐蝕。
6 1 電化學腐蝕損傷老化
核電站在用核裂變反應的能量轉化發電的過程中，熱能*引人關注，通常使用冷卻液來吸收和轉化這些熱能。因此，核電站裝備用金屬材料廣泛地與這些冷卻液接觸，遭受電化學浸蝕。不鏽鋼具有良好的抗電化學浸蝕的能力，這就是核電站裝備大量使用不鏽鋼的根源所在。
金屬以表面和環境介質相接觸，在環境介質與金屬材料相接觸的表面形成微電池而發生電化學反應，電化學反應造成金屬表面原子被轉移到環境溶液中，破壞了金屬表面結構，也就使金屬受到電化學腐蝕損傷。
電化學腐蝕依據其驅動力特性的不同可分為組分腐蝕、濃差腐蝕、應力腐蝕等多種。依據其腐蝕形態的不同可分為均勻腐蝕、點腐蝕（點蝕）、晶間腐蝕、縫隙腐蝕等多種。
6 1 1 組分腐蝕的損傷老化
組分指的是物質的組成。在兩個相互聯結的不同金屬或合金之間，或同一金屬合金中的不同相之間，或同一金屬相中的不同元素濃度之間，甚或同一金屬相中的不同應力區域和不同變形量區域之間，都可以建立這種組分電池（電偶），電極電位（電化序）較低者便是陽極，遭受電化學腐蝕。
1 電偶腐蝕
不同金屬合金複合製件之間的腐蝕即電偶腐蝕，如嶺澳核電站循環水系統測溫套管在海水介質中發生的不鏽鋼套管和鈦板座焊接處所見到的鈦板座電偶腐蝕；再如，核電站裝備凝汽器中與銅基材料相連接的管板低碳鋼在海水介質中的腐蝕，其腐蝕速率甚為可觀，且與銅管面積成正比。還有同一金屬合金中尺寸微小的多相合金中不同組織或不同相之間形成的微觀組分腐蝕，核電站裝備中奧氏體不鏽鋼發生的晶間腐蝕即是一例。
有時候即使兩種不同的金屬沒有直接接觸，但在意識不到的情況下仍然有可能發生電偶腐蝕。例如，在核電站裝備循環冷卻系統中的銅零件，由於腐蝕可能產生的銅離子可以通過水流擴散而在碳鋼設備表面上產生疏鬆沉澱，沉澱的銅粒子層與碳鋼之間便形成了微電偶腐蝕電池，結果引起碳鋼設備發生嚴重的局部腐蝕（如腐蝕穿孔）。這種現象歸因於間接的電偶腐蝕，屬於特殊條件下的電偶腐蝕。在實際工程設計中，應對該類問題加以關注。
2 脫溶腐蝕
核動力工程的熱交換器上可能發生脫溶腐蝕，例如，在快中子反應堆中，其一迴路攜熱介質多用液態金屬Na。液態金屬Na將核反應生成的熱吸收，傳送至熱交換器，通過熱交換器將熱釋放給二迴路攜熱介質。絕大多數金屬元素之間在液態下會相互融合而形成液溶體，因此管道等金屬材料在高溫下被流過的液態金屬Na浸蝕，而發生合金元素自管道等金屬材料中脫溶並轉移和溶解至液態金屬Na中，此管道等金屬材料便受到脫溶腐蝕。
脫溶腐蝕的驅動力是在給定溫度下，存在於固態金屬合金材料中的金屬元素（如不鏽鋼中的Fe、Cr、Ni、Mo等）溶入液態攜熱金屬（如液態金屬Na等）中，形成液溶體而達到*大液溶度的趨勢。在液態攜熱金屬中的*大液溶度較小，且隨溫度降低*大液溶度又急劇減小的元素，從固態合金中轉入液態攜熱金屬中的趨勢便越大，也就是該元素脫溶腐蝕的驅動力越大。
脫溶腐蝕常見的有下列幾種：元素固→液轉移可形成液溶體或化合物或發生晶間腐蝕。發生這些脫溶腐蝕的條件是在管道金屬（固）和攜熱金屬（液）組成的固-液體系中存在溫度梯度或濃度梯度。
圖6 1是一種特殊的脫溶現象（Guy and Hren， 1981），這就是黃銅水管中的脫Zn現象，圖中的黃銅管大約已將Zn脫去管壁厚度的一半。單相黃銅是Cu和Zn的固溶物，但水管中卻發生電化學腐蝕而使Zn原子脫出溶入水中，剩留的Cu則成為強度甚低的海綿狀，這種脫Zn現象常常發生在Zn含量大於15%的單相黃銅中。
脫溶腐蝕*嚴重的情況發生在快中子反應堆中的熱交換器上，在這裏既有溫度梯度，又有濃度梯度。在熱交換器的熱區，固態管道金屬與液態攜熱金屬由於濃度梯度而發生元素固→液轉移並達到接近*大液溶度的平衡；當該液體流至冷區時，溫度降低使*大液溶度減小，轉移的元素又發生反方向的液→固沉澱，沉澱在冷區的管壁上。於是，在這個熱迴路中，熱交換器中熱區的管道金屬不斷地發生固→液轉移而被脫溶腐蝕，冷區的管道金屬不斷地發生液→固沉澱而被堵塞。
如果元素在攜熱金屬中的液溶極限量較大，且液溶極限量隨溫度降低而無明顯減少，熱區的固態管道金屬仍受到脫溶腐蝕，只是在冷區的管道上不發生沉澱導致的堵塞。因此，延長熱交換器壽命就成為人們關注的焦點。當今*被看好的技術就是在管道壁表面覆蓋保護膜，以及向液態攜熱金屬中添加緩蝕劑。
3 晶間腐蝕
1）概要
晶間腐蝕是微觀的，有晶界氧化和晶間電化學腐蝕兩種類型。在核電站，不鏽鋼晶間電化學腐蝕的危害極大，它發生在電解質溶液、過熱水蒸氣、高溫水、熔融金屬等腐蝕液環境中，使裝備在宏觀上沒有明顯變化，不易覺察，卻使金屬的微觀晶界強度喪失而造成災難。晶間腐蝕脆也是危害其他金屬材料的重要問題，如鎳合金、鋁合金、鎂合金、銅合金、鋅合金的老化等。
晶間電化學腐蝕還可分為應力晶間腐蝕與組分晶間腐蝕，應給予界定。使單相合金晶界遭受晶間腐蝕的同時若有晶界應力參与即為應力晶間腐蝕。常用的金屬合金總是多晶體，多晶體晶界處的無序結構使金屬合金原子的能量高於晶粒內部的原子，這也會形成電化學電池而使晶界成為陽極被腐蝕——晶間腐蝕，整個合金只是單