幾種金屬材料在壓應(yīng)力及強磁場下的高溫氧化.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)、國防、交通運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)境越來越惡劣，這對材料的要求越來越苛刻。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越受到重視。目前，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對拉應(yīng)力下金屬材料的高溫氧化或腐蝕行為進行了較多和較細致地研究，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，其對氧化或腐蝕的影響勢必會影響到金屬材料的使用壽命或安全，因此很有必要對壓應(yīng)力下材料的高溫氧化行為及機制進行研究。另外，作為外場環(huán)境的強磁場，近些年來其對材料的表面、界面行為及有關(guān)擴散行為影響進行了不少研究，但還未形成被廣泛接受的理論。從高溫氧化的角度，研究強磁場下金屬材料高溫氧化行為以及氧化過程中離子的擴散機制，對于進一步分析、研究

3、外部磁場環(huán)境對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；通過熱重及測量氧化膜厚度的方法對壓應(yīng)力下金屬材料的氧化動力學(xué)進行了評定；通過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；通過動力學(xué)和觀察氧化膜的結(jié)構(gòu)和形貌，對

4、三種金屬材料在強磁場下的高溫氧化行為進行了研究。得出以下結(jié)論：
　　 (1)對壓應(yīng)力下金屬材料的氧化動力學(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)力下的氧化動力學(xué)主要與形核質(zhì)點的增加有關(guān)，因為在壓應(yīng)力作用下材料的表面會出現(xiàn)應(yīng)力集中或誘發(fā)位錯的聚集而形成缺陷，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)點增加，氧化膜內(nèi)會出現(xiàn)大量氧化物晶界，陽離子通過這些短路途徑進行擴散，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)力下氧化速率達到最大值。這與應(yīng)力對于形核質(zhì)點的提高有直接關(guān)系，通過氧化物顆粒尺寸與氧化增重的關(guān)系及氧化物顆粒的長大解釋了這種現(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，促進了氧的輸送和金屬離子短路擴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)力下的生長動力學(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，促進了內(nèi)氧化層的生長。
　　 (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)力時氧化膜會發(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，出現(xiàn)了滑移帶形式的塑性變形。氧化至65h，應(yīng)力達到4MPa時出現(xiàn)了晶界滑動形式的塑性變形，同時觀察到了氧化膜的裂紋愈合行為。而Ni-12Cr合金在無應(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)冷卻過程FeO中析出Fe