铁的氧化膜结构及合金元素的作用1）铁的氧化膜结构 铁的氧化物有三种： （1）、FeO：简单点阵，氧化物结构疏松，金属离子容易通过氧化物的空隙进行扩散，抗氧化能力差。 （2）、Fe2O3: 密堆积结构，能强烈地阻碍扩散的进行，有着一定的抗氧化性。 （3）、Fe3O4: 密堆积结构，能强烈地阻碍扩散的进行，与铁的表面结合性很好，抗氧化能力强。 铁在 200℃以下时， 在 氧化膜的增厚符合对数关系。 250～570℃之间符合抛物线关系。在 570℃以上，由于氧化膜的组成发生变化，氧化速度有了明显的增加，这时氧化膜由三层组成，*表层 Fe2O3，中层为 Fe3O4，与铁接触的部分为 FeO。当 FeO 出现时，铁的氧化速度显著增加，而且 FeO 的结构疏松，与基体的结合较差。出现 FeO 时，会由于内层的体积变化破坏了外表层致密的Fe2O3 和 Fe3O4 氧化膜的连续性，从而使氧化更易进行。2）合金元素的作用 （1）、形成稳定的合金氧化膜 为了形成稳定的合金氧化膜， 应该使氧化膜的结构比较致密， 这样铁离子和氧离子通过膜的扩散就困难。同时，氧化膜和基体金属应结合紧密，不疏松并且不容易脱落， 这就要求两者的点阵类型应该相似， 点阵常数应相等或成整数被，氧化膜与基体间内应力较小。 加入 Cr、Al、Si 等合金元素，可以优先氧化，形成这些元素占优势的合金氧化膜，具有良好的保护作用。 2 （2）、提高 FeO 的形成温度 在铁中加入合金元素 Cr、Al、Si 等可以提高 FeO 出现的温度，改 1 Ni 度善钢和合金的化学稳定性。在 Cr、 速 化Al、Si 含量比较高时，钢在 800～ 氧 0.11200℃温度范围内不会出现 FeO。 对 Si 相 （3）、净化晶界，减小晶界 Cr优先氧化现象 A 0.01 在钢中加入极少量的稀土金属、 0 4 8 12 16 20碱土金属，可以显著提高其抗氧化性 合金元素能，这主要是由于消除了晶界优先氧 图 6—2 合金元素对铁氧化速度的影响化的倾向。（二）金属的高温机械性能与强化1、金属的高温机械性能 在室温下，塑性变形是通过位错的运动来进行的， 由于晶界具有高的强度，对位错运动具有较大的阻力，所以室温下晶粒越细，强度越高。 高温时，随着温度的升高， 穿晶断裂 晶间断裂晶界的强度下降显著，材料强度 度亦随之下降。当晶界强度与晶内 强 晶内强度强度相等时，材料的强度就由晶界强度所决定，我们把这时的温度称为等强温度。可以看出，随 晶界强度着温度的升高，金属的断裂方式会由穿晶断裂转变为晶间断裂， 温度这时晶界越多，发生断裂的可能 图 6—3 晶内强度、晶界强度与温度的关系性就越大，金属的强度就越低。 随着温度的升高，金属的变形行为和失效形式与室温相比有了较大的区别，主要表现在以下几个方面。1）金属的蠕变现象 金属在长时间的恒温、 恒应力作用下，发生的缓慢的塑性变形现象称为蠕变。 当温度和应力为某一定值时，其蠕变曲线如图 6—4 所示。蠕变曲线可以分为三个阶段， 一种理想的材料其蠕变曲线的**阶段， 即稳定蠕变阶段应该 3具有较长的时间，较低的蠕变速度。 量 II D 变 可以用蠕变极限来衡量一 蠕 II种材料的抗蠕变性能，它是指 I B C试样在一定温度下和在规定的 A持续时间内产生一定的蠕变变形量或蠕变速度等于某一规定 时间值时的**应力。 图 6—4 金属的蠕变曲线 蠕变极限用符号 σ T t 或σ T δ/ VH T t δ来表示， 表示温度， 表示时间， 表示变形量， H 表示恒定蠕变速度 V （/h） 。例如 σ 1/10000 表示温度为 700℃时，持续时间为 10000 小时，产生蠕变量为 1 700时的蠕变极限。2） 金属的持久强度 金属的持久强度是指试样在一定温度和规定的持续时间内引起断裂的应力值。持久强度用符号 σ T 来表示，例如 σ 1000 表示温度为 700℃，持续时间为 t 7001000 小时的强度值。 蠕变极限仅反映蠕变**阶段的变形速度或蠕变总量， 不能反映钢在高温断裂时的强度和塑性， 所以持久强度是必要的。 持久强度可以反映钢材在高温长期应力作用下的断裂抗力。3）金属的应力松驰现象 零件在高温长期应力作 力 σ0 A用下，虽然总变形量不变， 应 σj B但是零件中的应力随着时间 C的增长而自发地逐渐下降，这种现象称为应力松驰。 应力松驰从本质上看是 时间零件中存在的弹性变形自发 图 6—5 应力松驰曲线地减小并转变为塑性变形的过程，从材料的应力与时间曲线上看，应力松驰的发展可以分为两个阶段，在**阶段应力松驰发展较快；在**阶段，应力松驰进入一个稳定的阶段。 应力松驰现象经常发生在高温条件下工作的连接紧固件上， 在中要了解紧固件在高温工作一段时间后，还存在多少“残存应力”，会不会由于应力松驰造成紧固松驰而发生泄露现象。 所以在高温下工作的螺栓设计 4时应用松驰稳定性来作为计算指标。4）高温疲劳强度 在高温交变应力作用下的零件，往往不是产生蠕变断裂而是产生疲劳断裂。材料的高温疲劳极限是指在一定温度下某一循环次数（107 次）内材料不发生断裂的**交变应力。一般来说，持久强度高的金属材料，高温疲劳强度也较高。5）热疲劳现象 在高温状态下工作时， 工件的内部可能存在着温度差。如果温度场是周期性变化的，由于工件各部分温度变化不同步，材料的膨胀和收缩也不一致，各部分之间会由于相互约束产生附加的内应力。 这个内应力会随着温度场的周期性变化而变化。