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天人地 2024-04-01 12:16
在Fo-W合金中加入硅后，抗氧化性虽有很大提高，但韧性显著降低，为使含鳊的铁基合金能用作耐热钢，我们研究了路对Fe-W合金抗氧化性的影响。等总结了提高铁的高温抗氧性的规律，指出欲提高铁的高温抗氧化性，合金元素应该这样选择：在该温度下合金元素在氧化物内的成分足以防止FeO的形成。

这就是说只要加入的合金元素能阻碍或阻止FeO的形成，铁的高温抗氧化性就会显著提高。锦、铬一起加入其中如何影响铁的高温抗氧化性？我们研究的目的在于：研究当铁中的锦含量满足耐热强度的要求下，为了使抗氧化性能也能满足使用要求的铬含量能否低于一般耐热钢中所含的量。通过金相、X光研究氧化层组织结构来了解钨、铬对铁高温抗氧化性影响的原因。
实骤过程
我们对Fe-W-Si合金的研究表明：当锦含量～6%时，含钩耐热钢的长期强度已达到600～700°C时实际使用的要求。试样是高频真空熔炼的，在1150°C锻呈方形长棒，800°C退火2小时。熔炼试样所用的铁为太原钢厂出的阿姆科铁。

试样的大小为10×10×10mm，我们用断籁称重法测量氧化动力学曲几，温度为650°、700°、750°、800°C.把试样磨光（到04号砂纸）洗净后放入事先烧过的空白的坩塌中，（烧空白坩塌的温度高于试验温度150～200°℃)，称量后放入温度已达试验温度的马弗炉中进行氧化，经过一定时间后取出，在干燥器中冷却而后称重，如此重复测出氧化动力学曲几。每灰测量取三个样品平均。
炉温误差不超过±5°C，天种的灵敏度为1/10000克。用金相、X光研究氧化层的分层情况，氧化层的组织、结构。试验温度选为875°℃，因为温度低，层太薄、由于氧化物很脆，易破裂，观察金相时用乌德低熔点合金小心地把试样嵌镶起来，用砂纸轻轻磨光。

氧化层的腐蚀液为：纯铁用4%硝酸酒精，Fe—W合金用王水，Fe—W—Cr合金用30%的盟酸水溶液。X光研究氧化层结构采用的是逐层照相法，相机为57.3mm的pky型块状试样相机，Co靶，Fe滤片。由于氧化层硬而脆给云层带来一定困难。氧化物的谱几比较复杂，有些不同氧化物的谱几区别不大，又由于X光可透过氧化层，故在X光底片中往往出现多种氧化物谐几，给分析带来不少困难。
我们分析主要依靠与已知的纯氧化物的诺几作比较。A.B.C三张分别为a-FeO、FeO、CrO纯氧化物的X光照片。对用比较法难以确定和谐几作了计算。X光分析所用的样品为经金相观察氧化层后的样品。

实验结果及讨论
我们对上述试样在600-800°℃作了氧化动，力学测量，以M^2~T作图，其中j位面积上氧化增量，x一氧化时间（小时），看到除Fe-W试样当温度高于750°℃以外，所有试样都遵守氧化物抛物几规律。
Fo-W合金偏离氧化抛物几规律的原因可能如B.M,ApxapoB等指出的:Fe-W合金经一定使其氧化以后，由于内层氧化物FeO+FWO的成分改变，出现了加速氧化期。当中含有锦元素时，欲使铁的抗氧化性达到一定水平所需的路含量可比不含锦的情况下的路含量低，这表明：在含鳊的耐热钢中，铬含量不需要像Ni-Cr奥氏体中的路含量那样高，我们作了与奥氏体钢H1T钢的抗氧性相比较的试验。

875°℃氧化8.3小时随炉冷却的纯铁的氧化层金相照片，氧化层清楚地分为三层，外层很薄，仅占总厚的5.2%，很硬，显微硬度
为1290kg/mm^2.中层、内层的厚度分别占总厚度的22.4%、72.4%，显微硬度几乎没有相差，都是464kg/mm^2.X光分析得出；中层氧化物的谱几与图IB的FeO谱几完全一致，可以肯定是FeO.内层氧化物的谱几主要也是FeO的谱几，但尚有许多不连赖和谐篾，根据0.A.Tescho对纯鈇的研究可以断定这不连续和谐几是大晶粒的FeO谱几。
所以内层的氧化物为FeO+少量的FeO.我们的结果与文献指出的内层氧化物主要是FeO的结果不同的原因，我们认为是由于氧化后的试样在缓慢冷却过程中导致FeO大部分转变为FoO.根据在于：从Fa-0平衡图知道，FeO是高温稳定的氧化物，当温度低于570℃以下，是不稳定的很容易转变为FeO.(2)。

K.Stanley在文献中指出过，当铁中含有杂质，特别是硅等杂质时，缓慢冷却极易使FeO转变为FeO.我们的试样是一般用的阿姆科铁，完全可能存在如硅等杂质，氧化层的最外层根据文献应为α-FeO，但我们得到的外层氧化物谱几与a-FeO不同，列出测得的晶格而间距及从标准卡片查得的Y-FoO、a-FoO、FeO三种氧化物的晶格而间距。
从列出的数据看到这三种氧化物的面间距差别不大，给分析带来困难，但从d=2.78A谐几的不存在，d=1.14A谱几相当强，就有理由认为外层氧化物主要是Y-FeO和少量的a-FeO其中FeO谱几的出现是由子外层很薄，中层氧化物FoO参与衍射的结果。我们认为y-FeO是冷却过程中由a-FeO转变而来的。
这样认为的根据有二：(1）文献指出缺的室温氧化产物是Y-FeO，另一文献指出440°C以下也可能出现Y-FeO,(2）更重要的是我们把同样条件下氧化的样品迅速冷却（淬于水中），这时外层氧化物谱几完全与图IA的α-FoO一致，根据上面的讨论，得到的结果可归纳。

内层存在着FeO，我们认为也是在级慢冷却过程中由FeO转变而来的，把上述结果归纳成表5.只看到三层，但显微硬度从外层至内层却分为四层（第三层分为二层），分别为1370、408、464、254(kg/mm^2).X光研究也表明有四层，外层氧化物的谱几与纯鈇外层氧化物谱几完全一样，可认定主要是Y-FeO，第二层氧化物语几与a-FeO谱几完全一样。第三层氧化物谱几比较复杂，除主要是FeO和谐几外尚有其他谱几。
这些谱几既与CrO的谱几不对应也不同于WO的谱几.G.C.Wood,D.A.Melford研究Fe-Cr合金氧化层结构得出，内层氧化物的外部是FeO和CrO的固溶体。我们研究的试样是Fe-Cr中含锦的，由于谱几黝而多，仔细分析有困难，所以参照G.C.Wood的研究结果把第三层氧化物认为是FeO+(FeCrW)。

最内层的谱几除基体谱几外与CrO的谱几乎完全一样，故内层氧化物主要是CrO。还可能有铁锦的氧化物，因为靠近基体的氧化层中的金属元案应与基体中的金属元素相近。得到的结果可以认为：锦、路对铁高温抗氧化性的影响符合B.J.ApxapoB[6]所指出的规律。
合金氧化时，如合金元素集中在氧化层的内层阻止或减慢FeO的生长，则提高缺的抗氧化性。锦对铁的抗氧化的影响是由于内层形成FeWO氧化物，减慢了FeO的生长。因为铁经875°℃氧化8.3小时后，含FeO的内层氧化层的厚度为0.42毫米，而Fe-W试样在同样温度下氧化12小时后，含FeO的内层氧化层的厚度只有0.25毫米.同样温度下，氧化时间长的Fe—W试样的内层厚度反而薄的原因不能不认为是由于形成FeWO，减慢了FoO的生长.FeWO形成的原因，同意B.M.ApxapoB的分析，它是FoO与WO二次反应的产物。

反应方程式为：FeO+WO=FeWO.Fo—W合金中加入路后，抗氧化性有很大提高是由于内层形成了复杂氧化物（FeWOr).0，及CrO，阻止了FeO的出现。至于内层氧化物分为二层，而且最内层为CrO可以根据离子扩散动力学帮助。许多实验结果都指出铁氧化时金属离子向氧化层外扩散，氧离子向氧化层内扩散。
但由于氧阴离子半径较金属阳离子半径大，所以可以认为影响氧化层生长的主要作用是金属离子的扩散，以下的讨论基于这种简化。Ⅱ.Ⅱ.IaHKOR[17]认为当合金形成与基体成分相应的内层氧化物后，决定氧化速度、氧化层分层情况的是离子（对我们来说是金属离子）通过氧化层的扩散速度。

这可由Fiok方程式表征：这儿一通过氧化层的离子数，D一离子在氧化层的扩散系数，△z一氧化层的厚度，△n—氧化层两边离子浓度差。根据实验知道外层氧化物中不含锦和路，故可以假定n(W)、n(Cr）都等于零，这样通过氧化内层的锦离子数m(W）和路离子数m(Cr）由下式决定。
看到决定通过氧化层的离子数是扩散系数D和合金氧化层边界处离子数n，当氧化膜很薄时（△X很小），决定离子扩散速度的是n的大小，但氧化时间增长，氧化层变厚，决定离子扩散速度的是扩散系数D.我们试样中锦含量的原子百分数为1·8%，路含量的原子百分数为5.3%，因此氧化初期路离子的扩散速度较大。

根据内层氧化物的分布内层氧化物又分为二层，内层外部是（FeWCr),0y，内层内部主要是CrO得知锦主要在氧化层内层的外部，就是说在厚膜氧化的情况下，锦离子的扩散速度较大。因为n;(W)
在上述讨论的基础上Fe-W-Cr(5）合金的氧化过程可能是：当合金形成很薄的与基体成分相当的氧化层以后，路、锦离子，通过氧化层与氧形成氧物（因路离子扩散较快，故其氧化物较多。）这些氧化物与FeO反应形成复杂的氧化物。

反应方程式可能是：m'FeO+n'WO+p'CrO=m(FeWCr),O,+nFeO+pCrO，随着氧化层增厚，路离子的扩散速度逐渐降低，最后低于鳊离子的扩散速度，这时扩散较快的锦离子形成的氧化物又与原来氧化层中多余的铁、路氧化物形成复杂氧化物（FeWCr)。Oy，而扩散较慢的路离子形成的氧化物除一部分参与反应以外，其多余部分就留在氧化层的最内层。
所有试样（除Fe-W在750°,800°℃氧化外）都遵从氧化抛物几规律，表明决定氧化性能的是离子扩散速度。当铁中加入～6%鳊时，铁的抗氧化性能有所提高，原因在于内层形成了FeWO氧化物，减慢了FeO的生成，这与I0.IKO3MaHOB的结果相同。

结论
在Fe-W合金中加入路，进一步提高铁的抗氧化性，而且锦、铬合金元素同时加入的作用远比路合金单独作用明显。Fe-W-Cr(5）合金中锦铬合金总含量的原子百分数共为7.1,Fe-Cr(10）的合金中合金元素的原子百分数为10.7，知Fe-W-Cr(5）的抗氧化性还胜于Fe-Cr(10)。路提高Fo-W合金抗氧化性是由于氧化层内层形成了（FeWCr).O，和CrO两种氧化物，阻止了FeO的形成。

jjybzxw 2024-04-01 15:48
耐热钢是一种具有优异高温性能的钢材，广泛应用于航空、航天、汽车、核电等领域。在耐热钢中，铬是一种非常重要的合金元素，对其高温性能有着显著影响。本文将简要介绍铬在耐热钢中的作用以及相关研究进展。

1. 铬在耐热钢中的作用

铬是一种典型的合金元素，对于钢材的高温抗氧化性、抗腐蚀性、强度和硬度等方面具有重要作用。在耐热钢中，铬主要起到以下作用：

a. 提高抗氧化性：铬能与氧结合生成稳定的铬氧化物（Cr2O3），这层氧化膜可以保护钢材表面免受氧化，从而提高其抗氧化性。

b. 提高耐腐蚀性：铬可以与钢中的其他元素（如碳、氮等）形成稳定的化合物，抑制钢材在腐蚀介质中的电化学反应，从而提高耐腐蚀性。

c. 提高强度和硬度：铬能提高钢材的固溶强化效果，增加位错密度，从而提高钢材的强度和硬度。

2. 铬含量对耐热钢性能的影响

研究表明，铬含量对耐热钢的性能有显著影响。随着铬含量的增加，耐热钢的抗氧化性、耐腐蚀性、强度和硬度等性能均有所提高。但同时，过高的铬含量可能导致钢材的塑性和韧性降低，焊接性能变差等问题。

因此，在实际应用中，需要根据具体使用环境和要求，选择合适的铬含量。例如，在高温环境下使用的耐热钢，应适当提高铬含量，以提高其抗氧化性和耐腐蚀性；而在低温环境下使用的耐热钢，则需控制铬含量，以免影响钢材的塑性和韧性。

3. 研究进展

近年来，关于铬在耐热钢中的作用机制和性能优化方面的研究取得了较大进展。例如，研究发现，通过控制钢中铬、铝、氮等元素的比例，可以实现对耐热钢微观结构的调控，从而优化其性能。此外，研究人员还在探索新型耐热钢材料，如高熵合金、复合合金等，以期在更高温度下实现优异的综合性能。

总之，铬是耐热钢中的重要合金元素，对其高温性能具有显著影响。通过深入研究铬在耐热钢中的作用机制，可以为高性能耐热钢的研发提供有益借鉴。

我们的实验目的是研究在铁基合金中添加钨和铬对高温抗氧化性的影响。我们选择了Fe-W-Si合金作为研究对象，并在不同温度下进行了氧化动力学曲线测量。我们发现，当硅含量约为6%时，合金的长期强度已达到在600-700°C实际使用的要求。

为了研究氧化层的组织结构，我们采用了金相和X射线衍射方法。我们发现，添加钨和铬可以改善铁基合金的高温抗氧化性。其中，钨可以形成致密的氧化物膜，阻止氧气进一步侵入；铬则可以与氧结合形成稳定的铬氧化物，进一步提高抗氧化性。

然而，我们还发现，随着合金中钨和铬含量的增加，其韧性会逐渐降低。为了解决这个问题，我们正在研究其他合金元素，如铝、钛等，以期在保持良好抗氧化性的同时，提高合金的韧性。

总之，我们的研究表明，在铁基合金中添加适量的钨和铬可以显著提高其高温抗氧化性。然而，为了实现更好的综合性能，我们需要进一步研究其他合金元素对其抗氧化性和韧性的协同影响。


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