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耐熱鋼與高溫合金

時間:2016/2/15 點擊: 【字體:

在航空、電力、冶金、化工、石油等許多行業中,很多機械或零、部件需要在高溫下使用,要求鋼在高溫下具有抗蠕變能力、抗氧化能力、抗腐蝕性氣體能力、足夠的強度與韌性以及良好的加工、焊接性。耐熱鋼是針對這種需求的一類鋼種。對于耐熱鋼來說,重要的性能是高溫下的抗氧化性和熱強性。


大多數金屬能與氧反應形成氧化物,氧化物的形成速度隨溫度升高而明顯增加,因此高溫下金屬的氧化速度很快。若形成的氧化物是揮發性氧化物,則金屬就不斷損失。但大多數金屬氧化物不容易揮發,使金屬表面覆蓋一層氧化膜,這層氧化膜會阻礙金屬與氧的進一步反應,使氧化反應速度逐漸降低。氧化膜對金屬的保護性由下述因素決定:


①氧化膜的性質

氧化膜形成后,繼續氧化要求氧擴散到膜/金屬界面,或金屬擴散到膜/氣界面,反應才能繼續,金屬或氧在膜中的擴散一般均通過空位擴散機制進行,因此氧化物中空位缺陷越多,擴散越快,氧化速度就越快。

Al2O3和Cr2O3中的金屬/氧比例接近化學計量比,氧化物中的空位很少,因此金屬離子或氧離子在膜中的擴散比較困難。一旦金屬表面形成一層完整的Al2O3或Cr2O3膜以后,氧化反應速度就會明顯放慢,因而膜的保護性好。

FeO、NiO的實際化學式可寫為Fe0.95O或Ni0.999O,即氧化物中存在明顯的金屬空位,金屬離子或氧很容易借助這些空位向外或向內擴散,使得氧化反應能夠保持一定的速度,因此膜的保護性差。


②氧化膜的致密性與膜中的應力

氧化膜的致密性由氧化膜體積與被氧化的金屬體積之比值來決定,可以用Pilling-Bedworth比(PBR)來表示形成氧化物以后造成的體積變化:PBR=氧化物中每個金屬離子體積/金屬中每個金屬原子體積;PBR>1,即金屬轉變為氧化物后體積增大,膜中產生壓應力;PBR<1,即金屬轉變為氧化物后體積減小,膜中產生張應力,不能形成連續膜;PBR在1~2之間更好,這時的壓應力有利于膜的致密性。PBR過大導致膜中應力過大,膜也容易破裂。

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