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耐热钢与高温合金

时间:2016/2/15 点击: 【字体:

在航空、电力、冶金、化工、石油等许多行业中,很多机械或零、部件需要在高温下使用,要求钢在高温下具有抗蠕变能力、抗氧化能力、抗腐蚀性气体能力、足够的强度与韧性以及良好的加工、焊接性。耐热钢是针对这种需求的一类钢种。对于耐热钢来说,重要的性能是高温下的抗氧化性和热强性。


大多数金属能与氧反应形成氧化物,氧化物的形成速度随温度升高而明显增加,因此高温下金属的氧化速度很快。若形成的氧化物是挥发性氧化物,则金属就不断损失。但大多数金属氧化物不容易挥发,使金属表面覆盖一层氧化膜,这层氧化膜会阻碍金属与氧的进一步反应,使氧化反应速度逐渐降低。氧化膜对金属的保护性由下述因素决定:


①氧化膜的性质

氧化膜形成后,继续氧化要求氧扩散到膜/金属界面,或金属扩散到膜/气界面,反应才能继续,金属或氧在膜中的扩散一般均通过空位扩散机制进行,因此氧化物中空位缺陷越多,扩散越快,氧化速度就越快。

Al2O3和Cr2O3中的金属/氧比例接近化学计量比,氧化物中的空位很少,因此金属离子或氧离子在膜中的扩散比较困难。一旦金属表面形成一层完整的Al2O3或Cr2O3膜以后,氧化反应速度就会明显放慢,因而膜的保护性好。

FeO、NiO的实际化学式可写为Fe0.95O或Ni0.999O,即氧化物中存在明显的金属空位,金属离子或氧很容易借助这些空位向外或向内扩散,使得氧化反应能够保持一定的速度,因此膜的保护性差。


②氧化膜的致密性与膜中的应力

氧化膜的致密性由氧化膜体积与被氧化的金属体积之比值来决定,可以用Pilling-Bedworth比(PBR)来表示形成氧化物以后造成的体积变化:PBR=氧化物中每个金属离子体积/金属中每个金属原子体积;PBR>1,即金属转变为氧化物后体积增大,膜中产生压应力;PBR<1,即金属转变为氧化物后体积减小,膜中产生张应力,不能形成连续膜;PBR在1~2之间更好,这时的压应力有利于膜的致密性。PBR过大导致膜中应力过大,膜也容易破裂。

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