45钢及40CrNi钢氧化动力学曲线与温度之间关系的研究.docx
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45钢及40CrNi钢氧化动力学曲线与温度之间关系的研究
45钢及40CrNi钢氧化动力学曲线与温度之间关系的研究
摘要
钢铁材料的氧化现象严重影响着材料的应用，一直是人们关注的对象。
本文研究的是对45钢和40CrNi两种钢种用短时间间隔的不同温度加热，并用电子分析天平称量其氧化增重，得到两种钢在550℃-700℃之间单位面积氧化增重曲线，分析其氧化增重与温度的关系以及合金元素对氧化曲线的影响，并结合XRD物相分析、SEM形貌观察等方法对两种钢的氧化机理进行分析。
试验结果表明，两种钢的单位面积的氧化增重曲线均随温度的升高而增加，40CrNi钢和45钢550℃时的单位面积氧化增重为0.00826g·cm-2和0.01231g·cm-2，而700℃的单位面积氧化增重分别为0.02224g·cm-2和0.02974g·cm-2，且两种钢的氧化曲线变化规律相似，并且单位面积氧化增重40CrNi始终小于45钢，40CrNi钢单位面积氧化增重相对较小的原因是因为Cr合金元素发生内氧化生成尖晶石结构的致密氧化物阻碍氧化所致。
关键词氧化动力学，40CrNi，氧化机理，温度
ABSTRACT
Theapplicationofmaterialisseriouslyimpactedbyironandsteelmaterialoxidation,whichisalwaystheobjectofattention.Thepaperpresentsthattwodifferentkindsofsteel,including45steeland40CrNi,wereheatedatdifferenttemperatureforshortintervaltime,andincreasingweightofoxidationwasweightedbyelectronicanalyticalbalance.Thecurvesofincreasingweightofoxidationperareawereobtainedfrom500℃to700℃.TherelationshipbetweenincreasingweightofoxidationandtemperatureandoxidationcurveswhichwereimpactedbyalloyingelementswereAnalyzed.Inaddition,oxidationmechanismofthetwokindsofsteelwasstudiedbythescanningelectronmicroscope（SEM）whichisusedtoobservethemicrostructureofmaterialandX-raydiffraction（XRD）whichisusedtophaseanalysis.Experimentalresultsshowthatincreasingweightofoxidationperareawasincreasedwiththeriseofthetemperature.Increasingweightofoxidationperareawas0.00826g·cm-2and0.01231g·cm-2at550℃for40CrNisteeland45steel,while0.02224g·cm-2and0.02974g·cm-2at700℃.What’smore,thetwosteelhadthesimilarlawofoxidationcurveandoxidationgrowthrateof40CrNisteelwasalwayslessthan45steel.Thereasonisthattheelementchromiumalloybecomesspinelstructureofthecompactoxidesbecauseofinternaloperation.
Keywordsoxidationkinetics,40CrNi,oxidationmechanism,temperature
目录
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT…………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论……………….…………………………………………………………………1
1.1本课题研究背景……………………….……………………………….………...…1
1.2属高温氧化的简介…………………………………………………………………1
1.2.1金属高温氧化的过程…………………………………………………………2
1.2.2金属高温氧化动力学规律……………………………………………………3
1.2.3氧化动力学研究方法…………………………………………………………3
1.2.4动力学的测量方法……………………………………………………………4
1.2.5合金元素对金属高温氧化的影响………………………………………………6
1.3的主要研究内容…………………….……………………………….……..………6
2试验过程………………………………………………………………………………7
2.1试验药品及仪器……………………………………………………………………7
2.2试样的准备………………………………………………………………………7
2.2.1坩埚的干燥……………………………………………………………………7
2.2.2试验前试样称重………………………………………………………………7
2.3氧化试验…………………………………………………………………………8
2.4SEM形貌观察………………………………………………………………………8
2.5XRD物相分析………………………………………………………………………8
3分析与讨论………………………………………………………………………….10
3.1数据分析…………………………………………………………………………10
3.2氧化动力学曲线…………………………………………………………………13
3.2.1绘制氧化动力学曲线…………………………………………………………13
3.2.2氧化动力学曲线对比分析……………………………………………………13
3.3SEM观察及XRD成分分析…………………………………………………………15
3.3.1SEM形貌观察………………………………………………………………15
3.3.2XRD物相分析………………………………………………………………16
结论…………………………………………………………………………………19
参考文献………………………………………………………………………………20
致谢……………………………………………………………………………………21
1绪论
1.1本课题研究背景
氧化现象在日常生活及工业化生产中十分普遍，每年给我国国民经济造成的损失达上千亿元。
钢铁材料在热加工生产中，氧化现象对材料造成非常大的损失极大地影响了钢铁材料生产的经济效益，因而一直为人们所关注[1]。
金属材料在生产制造过程中，由于热加工或热处理时发生氧化造成的质量问题，其直接损失更是惊人，并且还会影响产品的性能，这对有色金属更为重要。
因此除对金属材料的高强度有一定要求外，提高金属高温抗氧化和抗燃气烧蚀等性能就成为重要研究课题。
然而由于不同钢种的化学成分，以及其组织结构不同其表现出来的氧化规律并不完全相同。
针对金属热加工及日常生活中出现的氧化现象造成的损失，对不同金属材料进行氧化动力学的研究就具有非常重要的意义。
另外随着航空、航天、能源、石化等工业的迅速发展,对于金属材料的服役性能要求也越来越高,需要其在更高的温度和更苛刻的环境下工作。
材料的高温氧化问题作为制约高温合金体系应用和使用寿命的重要因素,已经引起了人们的广泛关注[2-4]。
例如喷气发动机、涡轮叶片、导向片等重要部件的耐高温材料，要求它们在800～1000℃或更高温度下进行工作，提高材料工作温度是增加发动机效率或功能的最有效的方法之一。
如将涡轮发动机的进口温度从816℃提高到1036℃就可增加推动力29～45%，目前军用发动机的短时气流温度已经达到1650℃，军用炮管要承受约2000～3000℃高温火药气体作用。
宇航工业中，运载火箭及导弹，重返地球的飞船，航天飞机等都遇到热的挑战。
例如主要发动机要承受超高温高速气流的冲刷性烧蚀；非冷却式的姿态控制发动机同样需要解决高温燃气腐蚀问题。
研究不同材料的氧化机理及规律就变的十分有必要[5]。
对氧化动力学的研究我国已经处于先进水平，但与国际的领先水平还存在一定的差距。
各种材料的氧化动力学研究已经大量进行着，并且研究各种元素（如加入Cu、V、Ti、Co、Mo等）以及组织对氧化动力学的影响也已经逐步展开并取得一定的成效，但还需进一步的研究下去。
1.2金属高温氧化的简介
金属的高温氧化理论是材料科学基础理论之一，涉及到固体物理、表面物理化学、半导体物理等多科学的基础知识。
可以预见，21世纪是高新技术与新型材料高速发展的时代，材料高温氧化问题无论是基础理论研究还是工程领域应用，都有广阔的发展前景。
1.2.1金属高温氧化的过程
金属的高温氧化是指金属在高温气相环境中和氧或含氧物质（如水蒸汽、CO2、SO2等）发生化学反应，转变为金属氧化物。
这里所谓“高温”，是指气相介质是干燥的，金属表面上不存在水膜,因此又称为干腐蚀。
在大多数情况下，金属高温氧化生成的氧化物是固态，只有少数是气态或液态[6]。
金属高温氧化可分为狭义高温氧化和广义高温氧化，狭义的高温氧化是指在高温下金属与氧气反应生成金属氧化物的过程。
广义高温氧化是指高温下组成材料的原子、原子团或离子丢失电子的过程。
在金属氧化中，还有一个重要概念为氧化膜，即广义氧化反应生成的产物-膜，它可以非为保护型和非保护型两类，其中保护性氧化膜的热力学稳定性和动力学生长速度决定了材料抗高温氧化性能的优劣。
金属高温氧化的是一个极其复杂的过程,氧或其他含氧气体分子与金属表面反映,而形成一层连续的氧化膜,把金属和气体环境隔开。
形成氧化膜后,氧化过程的继续进行取决于两个因素[7]:
1面反应速度,包括金属/氧化物及氧化物/气体两个界面上的反应速度；
2参加反应物质通过氧化膜的扩散与迁移速度,包括浓度梯度作用下的扩散和带难为梯度引起的迁移。
从金属的氧化过程的分析可知,当金属表面与氧开始作用，生成极薄的氧化膜时,起主导作用的是界面反映,但是,随着氧化膜的生长增厚,扩散过程（包括浓度扩散与电迁移扩散）起越来越重要的作用,以致成为继续氧化的主要因素。
因此不同氧化膜结构与成分将会表现出不同的氧化规律。
金属氧化属于非均相反应，非均相反应动力学特点之一是反应发生在两相的界面上，因此样品几何形状等将影响动力学方程。
高温氧化是金属化学腐蚀的一种特殊形式。
金属氧化首先从金属表面吸附氧分子开始，即氧分子分解为氧原子被金属表面所吸附，并在金属晶格内扩散、吸附或溶解。
而当金属和氧的亲和力较大时，且氧在晶格内溶解度达到饱和时，则在金属表面上进行氧化物的成核与长大。
金属的高温氧化理论是材料科学基础理论之一，涉及到固体物理、表面物
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