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《大连理工大学》 2009年
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几种金属材料在压应力及强磁场下的高温氧化

周长海  
【摘要】: 随着现代工业、国防、交通运输及新兴科技迅猛的发展,一些装备、装置及构件等的应用环境越来越恶劣,这对材料的要求越来越苛刻。高温装置(或装备及其构件)用材料除必需满足力学性能外,抗氧化是其应用的又一个基本性能。而材料的抗氧化性能除受介质影响外,还与其承受的应力及其他外部环境的作用有关。因此,有关在应力以及其他外部环境下的材料高温氧化性能研究越来越受到重视。目前,国内外有关学者对拉应力下金属材料的高温氧化或腐蚀行为进行了较多和较细致地研究,但压应力下金属材料的高温氧化或腐蚀行为的研究却很少。作为应力的一种状态,压应力存在于很多服役的高温部件中,其对氧化或腐蚀的影响势必会影响到金属材料的使用寿命或安全,因此很有必要对压应力下材料的高温氧化行为及机制进行研究。另外,作为外场环境的强磁场,近些年来其对材料的表面、界面行为及有关扩散行为影响进行了不少研究,但还未形成被广泛接受的理论。从高温氧化的角度,研究强磁场下金属材料高温氧化行为以及氧化过程中离子的扩散机制,对于进一步分析、研究外部磁场环境对材料高温氧化行为及性能影响提供一些基础数据。 本文选取了几种金属材料(纯Ni、Fe,Fe-xCr,Ni-xCr,Fe-xNi合金),通过光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪及电子探针等仪器观察了金属材料在压应力下氧化后的氧化膜的结构、成分;通过热重及测量氧化膜厚度的方法对压应力下金属材料的氧化动力学进行了评定;通过观察氧化膜的完整性、致密性分析了氧化膜在压应力下的应力释放;通过动力学和观察氧化膜的结构和形貌,对三种金属材料在强磁场下的高温氧化行为进行了研究。得出以下结论: (1)对压应力下金属材料的氧化动力学分析发现,压应力的引入均提高了材料的氧化速率。纯Ni和Fe-20Cr合金在压应力下的氧化动力学主要与形核质点的增加有关,因为在压应力作用下材料的表面会出现应力集中或诱发位错的聚集而形成缺陷,在这些高能区易于发生氧化形核。当氧化物形核质点增加,氧化膜内会出现大量氧化物晶界,阳离子通过这些短路途径进行扩散,而增大了氧化速率。另外,还发现了Fe-20Cr合金在5MPa应力附近出现了一临界应力,在此应力下氧化速率达到最大值。这与应力对于形核质点的提高有直接关系,通过氧化物颗粒尺寸与氧化增重的关系及氧化物颗粒的长大解释了这种现象。纯Fe和Fe-20Ni、Fe-16Cr在压应力下氧化过程中,表面形成了Fe氧化物,由于Fe氧化物具有低的杨氏模量和高的热膨胀系数,在压应力的作用下,更容易发生开裂甚至剥落,因此以上三种生成外层Fe氧化膜的金属材料不同程度的出现了氧化膜内的裂纹或缺陷形成,促进了氧的输送和金属离子短路扩散而提高了氧化速率。在Fe-20Ni合金穿晶及沿晶内氧化膜在压应力下的生长动力学分析中,还发现压应力同样引起了内氧化层中裂纹的生成,促进了内氧化层的生长。 (2)在压应力下氧化膜内应力释放分析中发现,当高于一临界应力时氧化膜会发生失效。纯Ni和Fe-20Cr合金在压应力下氧化膜出现了塑性变形以释放内应力的现象。纯Ni显示此种现象,主要由于在压应力作用下,NiO/Ni界面出现了空洞,弱化了界面,氧化膜易于向外弯曲,加之颗粒较小的氧化物能够容纳部分内应力使得氧化膜具有一定的塑性。而Fe-20Cr合金表面同样生成了尺寸较小的氧化颗粒,氧化物晶界起到了相同的作用。在高于8MPa氧化20h时,出现了滑移带形式的塑性变形。氧化至65h,应力达到4MPa时出现了晶界滑动形式的塑性变形,同时观察到了氧化膜的裂纹愈合行为。而Ni-12Cr合金在无应力氧化72h后,氧化膜存在裂纹。在施加压应力5MPa氧化48h后,氧化膜出现了楔形裂纹特征,从某种意义上讲压应力的引入促进了裂纹的愈合。当氧化至72h后,可以看到明显的裂纹愈合特征,显示了伪塑性。Fe-16Cr合金表面氧化膜出现了开裂和剥落以释放内应力,主要是由于表面生了Fe的氧化物层,在较高压应力作用下易于形成裂纹和剥落。在5MPa下氧化20h后,Fe-16Cr合金氧化膜显示了多层氧化膜分离的失效形式;另外,由于Fe氧化膜内氧化物的类型对氧化膜内应力释放有很大影响,分析了纯Fe在压应力下连续冷却过程FeO中析出Fe_3O_4的现象,发现压应力促进了Fe_3O_4的析出。 (3)通过对纯Fe、Fe-20Ni及Fe-5Cr合金在强磁场下的高温氧化行为分析,发现平行强磁场的引入促进了纯Fe的氧化速率,诱发了FeO层的取向生长,但垂直磁场对纯Fe的氧化膜生长影响不大。另外,平行强磁场抑制了Fe-20Ni合金氧化膜的生长,也诱发了内氧化层的取向生长。Fe-5Cr合金氧化膜及富Cr层的生长均受到了磁场的抑制作用。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG174.3

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【引证文献】
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