Использование циркония и титана, а также их сплавов в теплоэнергетике

Классификация сталей по назначению

1. Конструкционные – применяются для изготовления строительных металлоконструкций, деталей машин и аппаратов для работы при нормальной или невысокой (до 450 º) температуре и в неагрессивных средах;

2. Стали с особыми свойствами – предназначены для работы в каких-либо специальных условиях (при повышенных температурах, в агрессивных средах и т.д.);

3. Инструментальные – применяются в основном для изготовления инструментов и иногда для изготовления некоторых деталей машин.

Конструкционные стали [ГОСТ 4543–71] делятся на качественные, высококачественные (в конце марки ставится буква А) и особовысококачественные (две буквы А).

Механические свойства конструкционных сталей

Работоспособность материала в изделии определяется комплексом его механических (прочность, пластичность и др.), физических, технологических и специальных свойств и зависит от химического состава и структурного состояния.

Прочность – свойство материала в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные нагрузки.

Пластичность – способность металла необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять эти изменения после снятия нагрузки.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных р-жимах и условиях.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Критерии оценки механических свойств при испытании металлов на растяжение

  Критерии прочности:

– предел прочности σв, МПа, – отношение наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца к его начальной площади поперечного сечения;

– предел текучести σт, МПа, – отношение наименьшей нагрузки, при которой образец деформируется без заметного ее увеличения к его начальной площади поперечного сечения.

 Критерии пластичности:

– относительное удлинение δ, %, – отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к его начальной расчетной длине;

– относительное сужение Ψ, %, – отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва к его начальной площади поперечного сечения.

Специальные свойства стали

Жаропрочность – способность материала выдерживать механические нагрузки без существенной деформации и разрушения при повышенных температурах;

Жаростойкость – способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздушной или газовой среды при высоких температурах;

Усталостная прочность – способность материала или конструкции сопротивляться действию циклических нагрузок;

Усталость – изменение механических и физических свойств материала вследствие действия циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций;

Хладноломкость – склонность материала к появлению (или значительному возрастанию) хрупкости при понижении температуры;

Радиационная стойкость – способность материала сохранять в определенных допустимых пределах размеры, структуру и свойства при длительном воздействии радиационных излучениий;

  Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться коррозионному воздействию среды.

Чугун, виды чугуна

Чугун – многокомпонентный железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2,7–4,3%. Чугун – наиболее распространенный материал для изготовления отливок благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне.

Различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Белый чугун очень тверд и хрупок, очень плохо обрабатывается резанием. Используется практически только для получения ковких чугунов.

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, показывающими временное сопротивление при растяжении, МПа·10–1 (кгс/мм2). У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, и они чаще всего применяются как конструкционный материал. Отливки из чугуна допускается применять при температуре стенки от –15 до +300 ºС при давлении не более 10 МПа.

Высокопрочный чугун обозначается буквами ВЧ и цифрами, показывающими временное сопротивление при растяжении, МПа·10–1 (кгс/мм2). Ориентировочно высокопрочном чугуне содержится углерода 2,7–3,6%, кремния 0,8–3,8%, меди 0,3–0,6%, никеля 0,4–0,8%. Сочетание повышенной прочности и достаточной пластичности высокопрочных чугунов позволяет изготовлять из них ответственные изделия, например, коленчатые валы, корпуса насосов и т.п.

Ковкий чугун. В марках ковкого чугуна цифры обозначают временное сопротивление, МПа·10–1 (кгс/мм2), и относительное удлинение, % (например, КЧ 30-6, КЧ 80-1,5).

Использование алюминия и его сплавов в теплоэнергетике

Алюминий имеет малую плотность, высокие тепло- и электропроводность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению и хорошо сваривается. Алюминий применяется для изготовления оболочек твэлов (тепловыделяющий элемент – топливное устройство в ядерных реакторах), теплообменников и др. Большое применение получили алюминиевые сплавы, обладающие большой прочностью.

Использование магния и бериллия, а также их сплавов в теплоэнергетике

Магний характеризуется низкой температурой плавления, низкой коррозионной стойкостью, склонностью к самовоспламенению, что ограничивает его применение. Сплавы на основе магния используют для изготовления оболочек твэлов.

Бериллий – один из лучших материалов для изготовления замедлителей и отражателей нейтронов в атомных реакторах. Достоинства: малая плотность, высокий модуль упругости, прочность, теплопроводность. Недостатки: хрупкость, высокая токсичность летучих соединений и пыли.

Использование циркония и титана, а также их сплавов в теплоэнергетике

Цирконий обладает высокой коррозионной стойкостью при комнатной температуре, а также сравнительно высокими механическими свойствами: ковкостью, прочностью при повышенных температурах, электро- и теплопроводностью. Цирконий и сплавы на его основе используют как конструкционные материалы для изготовления оболочек твэлов и технологических каналов.

Титан. Достоинства: легкость, прочность, коррозионная стойкость; повышение прочности при сохранении хорошей пластичности в условиях глубокого холода. Используется в турбостроении, авиации, ракетной технике, морском судостроении, криогенной технике. Жаропрочные титановые сплавы используют при изготовлении дисков, лопаток и других деталей газотурбинных двигателей