幾種金屬材料在壓應(yīng)力及強(qiáng)磁場(chǎng)下的高溫氧化.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防、交通運(yùn)輸及新興科技迅猛的發(fā)展，一些裝備、裝置及構(gòu)件等的應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越惡劣，這對(duì)材料的要求越來(lái)越苛刻。高溫裝置(或裝備及其構(gòu)件)用材料除必需滿足力學(xué)性能外，抗氧化是其應(yīng)用的又一個(gè)基本性能。而材料的抗氧化性能除受介質(zhì)影響外，還與其承受的應(yīng)力及其他外部環(huán)境的作用有關(guān)。因此，有關(guān)在應(yīng)力以及其他外部環(huán)境下的材料高溫氧化性能研究越來(lái)越受到重視。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)拉應(yīng)力下金屬材料的高溫氧化或腐蝕行為進(jìn)行了較多和較細(xì)致地研究，但

2、壓應(yīng)力下金屬材料的高溫氧化或腐蝕行為的研究卻很少。作為應(yīng)力的一種狀態(tài)，壓應(yīng)力存在于很多服役的高溫部件中，其對(duì)氧化或腐蝕的影響勢(shì)必會(huì)影響到金屬材料的使用壽命或安全，因此很有必要對(duì)壓應(yīng)力下材料的高溫氧化行為及機(jī)制進(jìn)行研究。另外，作為外場(chǎng)環(huán)境的強(qiáng)磁場(chǎng)，近些年來(lái)其對(duì)材料的表面、界面行為及有關(guān)擴(kuò)散行為影響進(jìn)行了不少研究，但還未形成被廣泛接受的理論。從高溫氧化的角度，研究強(qiáng)磁場(chǎng)下金屬材料高溫氧化行為以及氧化過(guò)程中離子的擴(kuò)散機(jī)制，對(duì)于進(jìn)一步分析、研究

3、外部磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)材料高溫氧化行為及性能影響提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　 本文選取了幾種金屬材料(純Ni、Fe，F(xiàn)e-xCr，Ni-xCr，F(xiàn)e-xNi合金)，通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀及電子探針等儀器觀察了金屬材料在壓應(yīng)力下氧化后的氧化膜的結(jié)構(gòu)、成分；通過(guò)熱重及測(cè)量氧化膜厚度的方法對(duì)壓應(yīng)力下金屬材料的氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了評(píng)定；通過(guò)觀察氧化膜的完整性、致密性分析了氧化膜在壓應(yīng)力下的應(yīng)力釋放；通過(guò)動(dòng)力學(xué)和觀察氧化膜的結(jié)構(gòu)和形貌，對(duì)

4、三種金屬材料在強(qiáng)磁場(chǎng)下的高溫氧化行為進(jìn)行了研究。得出以下結(jié)論：
　　 (1)對(duì)壓應(yīng)力下金屬材料的氧化動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，壓應(yīng)力的引入均提高了材料的氧化速率。純Ni和Fe-20Cr合金在壓應(yīng)力下的氧化動(dòng)力學(xué)主要與形核質(zhì)點(diǎn)的增加有關(guān)，因?yàn)樵趬簯?yīng)力作用下材料的表面會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中或誘發(fā)位錯(cuò)的聚集而形成缺陷，在這些高能區(qū)易于發(fā)生氧化形核。當(dāng)氧化物形核質(zhì)點(diǎn)增加，氧化膜內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大量氧化物晶界，陽(yáng)離子通過(guò)這些短路途徑進(jìn)行擴(kuò)散，而增大了氧化速率。另外

5、，還發(fā)現(xiàn)了Fe-20Cr合金在5MPa應(yīng)力附近出現(xiàn)了一臨界應(yīng)力，在此應(yīng)力下氧化速率達(dá)到最大值。這與應(yīng)力對(duì)于形核質(zhì)點(diǎn)的提高有直接關(guān)系，通過(guò)氧化物顆粒尺寸與氧化增重的關(guān)系及氧化物顆粒的長(zhǎng)大解釋了這種現(xiàn)象。純Fe和Fe-20Ni、Fe-16Cr在壓應(yīng)力下氧化過(guò)程中，表面形成了Fe氧化物，由于Fe氧化物具有低的楊氏模量和高的熱膨脹系數(shù)，在壓應(yīng)力的作用下，更容易發(fā)生開(kāi)裂甚至剝落，因此以上三種生成外層Fe氧化膜的金屬材料不同程度的出現(xiàn)了氧化膜內(nèi)的裂

6、紋或缺陷形成，促進(jìn)了氧的輸送和金屬離子短路擴(kuò)散而提高了氧化速率。在Fe-20Ni合金穿晶及沿晶內(nèi)氧化膜在壓應(yīng)力下的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)分析中，還發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)力同樣引起了內(nèi)氧化層中裂紋的生成，促進(jìn)了內(nèi)氧化層的生長(zhǎng)。
　　 (2)在壓應(yīng)力下氧化膜內(nèi)應(yīng)力釋放分析中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高于一臨界應(yīng)力時(shí)氧化膜會(huì)發(fā)生失效。純Ni和Fe-20Cr合金在壓應(yīng)力下氧化膜出現(xiàn)了塑性變形以釋放內(nèi)應(yīng)力的現(xiàn)象。純Ni顯示此種現(xiàn)象，主要由于在壓應(yīng)力作用下，NiO/Ni界面出現(xiàn)了空洞

7、，弱化了界面，氧化膜易于向外彎曲，加之顆粒較小的氧化物能夠容納部分內(nèi)應(yīng)力使得氧化膜具有一定的塑性。而Fe-20Cr合金表面同樣生成了尺寸較小的氧化顆粒，氧化物晶界起到了相同的作用。在高于8MPa氧化20h時(shí)，出現(xiàn)了滑移帶形式的塑性變形。氧化至65h，應(yīng)力達(dá)到4MPa時(shí)出現(xiàn)了晶界滑動(dòng)形式的塑性變形，同時(shí)觀察到了氧化膜的裂紋愈合行為。而Ni-12Cr合金在無(wú)應(yīng)力氧化72h后，氧化膜存在裂紋。在施加壓應(yīng)力5MPa氧化48h后，氧化膜出現(xiàn)了楔形

8、裂紋特征，從某種意義上講壓應(yīng)力的引入促進(jìn)了裂紋的愈合。當(dāng)氧化至72h后，可以看到明顯的裂紋愈合特征，顯示了偽塑性。Fe-16Cr合金表面氧化膜出現(xiàn)了開(kāi)裂和剝落以釋放內(nèi)應(yīng)力，主要是由于表面生了Fe的氧化物層，在較高壓應(yīng)力作用下易于形成裂紋和剝落。在SMPa下氧化20h后，F(xiàn)e-16Cr合金氧化膜顯示了多層氧化膜分離的失效形式；另外，由于Fe氧化膜內(nèi)氧化物的類型對(duì)氧化膜內(nèi)應(yīng)力釋放有很大影響，分析了純Fe在壓應(yīng)力下連續(xù)冷卻過(guò)程FeO中析出Fe