金属与合金的高温氧化46页PPT
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《高温腐蚀二》课件
实验参数
温度
根据实验需求设定不同的温度条件，如常温 、中温、高温等。
时间
根据实验需求设定不同的腐蚀时间，如数分 钟、数小时、数天等。
腐蚀介质
选择适当的腐蚀介质，如酸、碱、盐等，以 模拟不同环境下的腐蚀情况。
样品处理
对样品进行预处理，如清洗、干燥等，以确 保实验结果的准确性和可靠性。
数据分析
数据记录
案例三：工业炉高温腐蚀
防护措施
采用涂层、合金化、热喷涂和渗铝等方法对工业炉进行防护 。
案例分析
某型工业炉炉管在使用过程中出现了高温氧化和热腐蚀，导 致炉管表面剥落和穿孔，严重影响工业炉的性能和使用寿命 。
感谢观看
THANKS
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
详细记录实验过程中的数据，如温度 、压力、腐蚀速率等。
数据处理
对实验数据进行整理、分析和处理， 提取有用的信息。
结果评估
根据实验结果评估材料的耐腐蚀性能 ，并分析其原因。
结果应用
将实验结果应用于实际工程中，为材 料选择和防腐措施提供依据。
01
高温腐蚀的应用与 案例分析
应用领域
航空航天
能源
高温腐蚀在航空航天领域中主要应用于航 空发动机和燃气轮机等关键部件的防护。
反应过程
腐蚀介质吸附
腐蚀介质在金属表面吸 附。
电子转移
金属失去电子，成为正 离子。
腐蚀产物形成
金属离子与腐蚀介质结 合，形成腐蚀产物。
腐蚀产物脱落
腐蚀产物从金属表面脱 落，暴露出新的金属表 面，继续发生腐蚀反应
。
01
高温腐蚀的防护措 施
材料选择
耐高温材料
金属高温氧化
dy / d Ae By dy / d Ae
积分后可得By源自（2.17）（2.18）
k n、A、B —常数
—氧化时间
y —氧化厚度
y k1 lg(k2 k3 ) 1/ y k4 k5 lg
（2.19） （2.20）
这两种规律都是在氧化膜很薄时才出现，意味着氧化过程受到的阻
滞程度比抛物线规律为大。图2.5中示出，铁在305℃ 和252℃ 的空 气中氧化过程遵循对数曲线规律。由图可知，在很短的时间内，膜 层厚度的变化就很小。
图2.5
铁在较低温度下空气中氧化对数曲线
4、立方规律 在一定的温度范围内，一些金属的氧化服从立方规律，例如金属锆在
101.325kPa 氧压中，于600~900℃ 范围内，铜在100~300℃ 各种气压
2、G T 平衡图中所有凝聚相都是纯物质，不是溶液或固熔体。换
言之，该图原则上只用于无溶体参与的反应。
第二节 金属高温氧化的动力学
一、金属高温氧化动力学
主要研究氧化膜增长和速度规律，即考虑 是按什么规律成长。从工程观点看金属高 温氧化最重要的参数是它的反应速度。 由于氧化反应产物一般都保留在金属表面，所以氧化速度通常以单
物、硫化物、卤化物、碳化物、氢氧化合物等。因此，工程上广义的氧化
其产物不一定是狭义的氧化物。
第一节
金属高温氧化的热力学
一、金属高温氧化的热力学可能性 研究金属发生氧化的可能性或倾向性以 及反应进行的程度。可用系统吉布斯自 由能G的性质来进行判断。
由热力学可知，任何自发进行反应系统的吉布斯自由能变化值
得：
y k
m k1
V k2
（2.8）
为实验上的测量方便，常用增加质量表示： (2.9)
金属腐蚀与防护高温氧化课件.ppt
• C可以还原Fe的氧化物但不能还原Al的氧化物 • “选择性氧化” ——合金表面氧化物的组成
合金氧化膜主要由图下方合金元素的氧化物所组成
第12页，共100页。
第13页，共100页。
∆G0－T 图
1. 各直线：相变
熔化、沸腾、升华和晶型转变
在相变温度处，特别是沸点 处，直线发生明显的转折
——体系在相变时熵发生了变化
5.1.2 氧化物固相的稳定性
• ∆G0
判断金属氧化物的高温化学稳定性
根据氧化物的熔点、挥发性来估计其固相的高温稳定性 低熔点易挥发氧化物的产生往往是造成灾难性高温腐蚀的
重要原因之一
1. 氧化物的熔点
估计氧化物的高温稳定性
金属表面生成液态氧化物
失去氧化物保护性
如：硼、钨、钼、钒等的氧化物
合金氧化时更易产生液态氧化物
• 蒸气压随温度升高而增大，即氧化物固相的稳定性随温度升 高而下降
• 高温腐蚀中形成的挥发性物质
加速腐蚀过程
• 挥发性氧化物影响碳、硅、钼、钨和铬等的高温氧化动力学
第28页，共100页。
氧化物的挥发性
• 挥发性物质的热力学平衡图
• 例：Cr-O体系，1250K ，高温氧化 只生成Cr2O3一种致密氧化物 Cr（气）、CrO（气）、CrO2（气）和 CrO3（气）4种挥发物质 凝聚相－气相平衡有 2种类型
第30页，共100页。
氧化物的挥发性
• Cr－O体系的固有性质：
– pO2较低时，Cr（气）的蒸气压最大 – pO2较高时，CrO3（气）的蒸气压最大
• 影响铬及含铬合金的氧化
– 在Cr2O3膜与基体之间将产生很大的Cr（气）的蒸气压，使Cr2O3膜 与基体分离；
合金氧化膜主要由图下方合金元素的氧化物所组成
第12页，共100页。
第13页，共100页。
∆G0－T 图
1. 各直线：相变
熔化、沸腾、升华和晶型转变
在相变温度处，特别是沸点 处，直线发生明显的转折
——体系在相变时熵发生了变化
5.1.2 氧化物固相的稳定性
• ∆G0
判断金属氧化物的高温化学稳定性
根据氧化物的熔点、挥发性来估计其固相的高温稳定性 低熔点易挥发氧化物的产生往往是造成灾难性高温腐蚀的
重要原因之一
1. 氧化物的熔点
估计氧化物的高温稳定性
金属表面生成液态氧化物
失去氧化物保护性
如：硼、钨、钼、钒等的氧化物
合金氧化时更易产生液态氧化物
• 蒸气压随温度升高而增大，即氧化物固相的稳定性随温度升 高而下降
• 高温腐蚀中形成的挥发性物质
加速腐蚀过程
• 挥发性氧化物影响碳、硅、钼、钨和铬等的高温氧化动力学
第28页，共100页。
氧化物的挥发性
• 挥发性物质的热力学平衡图
• 例：Cr-O体系，1250K ，高温氧化 只生成Cr2O3一种致密氧化物 Cr（气）、CrO（气）、CrO2（气）和 CrO3（气）4种挥发物质 凝聚相－气相平衡有 2种类型
第30页，共100页。
氧化物的挥发性
• Cr－O体系的固有性质：
– pO2较低时，Cr（气）的蒸气压最大 – pO2较高时，CrO3（气）的蒸气压最大
• 影响铬及含铬合金的氧化
– 在Cr2O3膜与基体之间将产生很大的Cr（气）的蒸气压，使Cr2O3膜 与基体分离；
金属冶炼中的高温还原反应
金属冶炼中的高温
03
还原反应实例
铁矿的高温还原反应
铁矿高温还原反应是将铁矿石中的铁氧化物还原成金 属铁的过程。
输标02入题
常见的铁矿高温还原反应有高炉炼铁和直接还原炼铁 。
01
03
高温还原反应过程中需要控制温度、压力和气氛等条 件，以确保反应的顺利进行和获得高质量的金属铁。
04
高炉炼铁是将铁矿石、焦炭和石灰石在高炉中加热还 原成铁水的过程，而直接还原炼铁则是将铁矿石在高 温下与还原气体反应，直接得到海绵铁。
详细描述
碳热还原是一种常用的高温还原方法，其中碳作为还原剂与金属氧化物反应。气态氢还原是使用氢气作为还原剂 的方法，适用于多种金属的冶炼。熔盐电解是一种通过电解熔融盐来提取金属的方法，通常需要较高的温度和电 解质的熔融状态。
高温还原反应在金属冶炼中的重要性
总结词
高温还原反应在金属冶炼中具有重要作用， 是实现金属提取和提纯的关键步骤。
压力影响反应平衡
在高温还原反应中，压力的增大会使反应平衡向生成金属的 方向移动，从而提高金属的产率。
反应物浓度的影响
反应物浓度越高，反应速率越快
随着反应物浓度的增加，分子间的碰撞频率增加，从而加快了反应速率。
反应物浓度影响反应平衡
在高温还原反应中，反应物浓度的增加会使反应平衡向生成金属的方向移动，从而提高 金属的产率。
金属冶炼中的高温还原 反应
汇报人：可编辑 2024-01-06
contents
目录
• 高温还原反应概述 • 金属冶炼中的高温还原反应原理 • 金属冶炼中的高温还原反应实例 • 高温还原反应的影响因素 • 高温还原反应的工业应用 • 高温还原反应的未来发展
高温还原反应概述
金属高温氧化.pptx
高温氧化理论简介
合金元素的影响 (2)形成p型氧化膜的金属(如Ni)
加入低价金属(如Li) ，电子空位增 加，膜的导电性提高，氧化速度下降。
加入高价金属(如Cr)，电子空位减少， 则阳离子空位增多，氧化速度增大。
上述影响称为Hanffe原子价定律，说
明少量合金元素(或杂质)对氧化膜中离子缺
陷浓度产生影响，因而对高温氧化速度的影
Ni3+ O2- Li+ O2-
O2-
O2- Ni2+ O2- Ni3+ O2- Ni3+
Ni2+ O2- Li+ O2- Ni2+ O2-
O2- Ni3+ O2- Li+ O2- Ni3+
Cr3+ O2- Ni2+ O2O2- Ni2+ O2- Ni3+
O2- Cr3+ O2O2- Ni3+ O2-
高温氧化的热力学问题
计算公式
G G0 RT ln 1 PO2
●●氧化物分解压 pO2> pMeO，G < 0，金属能够发生氧化。 pO2= pMeO，G = 0，反应达到平衡。 pO2< pMeO，G > 0，金属不可能发生氧化，而是 氧化物分解。
G RT ln
第2页/共18页
PMeO PO2
O2O2- Cr3+ Ni22+ O2O2- Ni3+
合 金 元 素 对 金 属 氧
化 影 响
的 示 意 图
+ 加入Li 的影响
3+ 加入Cr 的影响
第9页/共18页
上述两种氧化膜中，间隙离子和金属离子空位的浓度分布在金属膜 内外两侧有何规律？
金属的高温氧化
滞程度比抛物线规律为大。图2.5中示出，铁在305℃ 和252℃ 的空 气中氧化过程遵循对数曲线规律。由图可知，在很短的时间内，膜 层厚度的变化就很小。
图2.5
铁在较低温度下空气中氧化对数曲线
4、立方规律 在一定的温度范围内，一些金属的氧化服从立方规律，例如金属锆在
101.325kPa 氧压中，于600~900℃ 范围内，铜在100~300℃ 各种气压
M 和OX —金属和金属氧化物的密度
①当γ ＜1时，生成的氧化膜不能完全覆盖整个金属表面，形成的氧化
厚度为40~500nm。 （3）薄膜，它是不可见的，只能通过测试手段检查出来，其膜厚＜ 40nm。如常温下Fe和Cu在干燥空气中形成薄膜厚度为1~3nm，在Al上 的膜厚约为10nm。
二、金属氧化膜的完整性和保护性
1、金属氧化膜的完整性 金属氧化膜的完整性是具有保护性的必要条件。而完整的必要条件
是：氧化时所生成的金属氧化膜的体积（V
D —扩散系数 dc / d y —浓度梯度
图2.3 金属氧化膜增长示意图
如果氧化过程是稳态扩散过程，则扩散物质在膜的任何截面上均不 发生积累，于是可用下列比例式 (cM cO ) / y 来代替浓度梯度导数 式 dc
/ d y ，故式（2.11）变为
cO —膜/环境界面上氧的浓度 cM —金属/膜界面上氧的浓度
若 pO2 pO2 ，则 GT 0，反应向 MO2分解的方向进行。
例：在通常的大气条件下，氧分压可视为衡定值，即 PO 21.28kPa。因此，金 2 属的稳定性可通过下式判断：
（1）当PMO2 21.28kPa 时，处于平衡态，金属与氧化物均稳定。 （2）当 PMO2 21.28kPa 时，反应向生成氧化物方向进行。 （3）当 PMO 21.28kPa 时，则反应向氧化物分解方向进行。 2 表2.1列出几种氧化物的分解压。即可通过分解压与环境中的氧分压相比较， 由此可直接判断氧化反应是否可能发生。
图2.5
铁在较低温度下空气中氧化对数曲线
4、立方规律 在一定的温度范围内，一些金属的氧化服从立方规律，例如金属锆在
101.325kPa 氧压中，于600~900℃ 范围内，铜在100~300℃ 各种气压
M 和OX —金属和金属氧化物的密度
①当γ ＜1时，生成的氧化膜不能完全覆盖整个金属表面，形成的氧化
厚度为40~500nm。 （3）薄膜，它是不可见的，只能通过测试手段检查出来，其膜厚＜ 40nm。如常温下Fe和Cu在干燥空气中形成薄膜厚度为1~3nm，在Al上 的膜厚约为10nm。
二、金属氧化膜的完整性和保护性
1、金属氧化膜的完整性 金属氧化膜的完整性是具有保护性的必要条件。而完整的必要条件
是：氧化时所生成的金属氧化膜的体积（V
D —扩散系数 dc / d y —浓度梯度
图2.3 金属氧化膜增长示意图
如果氧化过程是稳态扩散过程，则扩散物质在膜的任何截面上均不 发生积累，于是可用下列比例式 (cM cO ) / y 来代替浓度梯度导数 式 dc
/ d y ，故式（2.11）变为
cO —膜/环境界面上氧的浓度 cM —金属/膜界面上氧的浓度
若 pO2 pO2 ，则 GT 0，反应向 MO2分解的方向进行。
例：在通常的大气条件下，氧分压可视为衡定值，即 PO 21.28kPa。因此，金 2 属的稳定性可通过下式判断：
（1）当PMO2 21.28kPa 时，处于平衡态，金属与氧化物均稳定。 （2）当 PMO2 21.28kPa 时，反应向生成氧化物方向进行。 （3）当 PMO 21.28kPa 时，则反应向氧化物分解方向进行。 2 表2.1列出几种氧化物的分解压。即可通过分解压与环境中的氧分压相比较， 由此可直接判断氧化反应是否可能发生。
金属材料与热处理 ppt课件
三、金属结构材料的应用情况(1)
1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势， 占世界金属总产量的95％，而且有许多良好的 性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。
2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富 和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲， 则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占 5.1％，而非铁金属中铝为8.8％．镁为2.1％， 钛为0.6％。
四、金属材料发展的历史(3)
5.在非铁金属冶金方面，19世纪80年代发电 机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得 以实现，开创了电冶金新领域；同时，用 熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电 解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第 二大金属；20世纪40年代，用镁作还原剂 从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工 等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应 用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续 实现工业化生产。
用锻压成形方法获得优良锻件的 难易程度称为锻造性能。 铸铁不能锻压 。
焊接性能：
大量接性能是指金属材料对焊接加 工的适应性。 切削加性能：切削加工（性能） 金属材料的难易程度称为切削加工 性能。
第三单元
金属的晶体结构与结晶
一、金属材料的晶体结构
晶体与非晶体 非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状 况的，称为非晶体。如：普通玻璃、松香、 树脂等。 晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质， 金属的固态、金刚石、明矾晶体等。 性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性， 非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。
•强度的指标
强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。 1、屈服点
Re= Fs/S0
符号： Re 材料产生屈服现象时的最小应力
Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） S0 ：试样原始横截面积（mm）
材料腐蚀与防护-高温热腐蚀(7)
主要涉及的方面： (1)在化学工业中存在的高温过程. 如:生产氨水和石油化工等领域产生的氧化。 (2)在金属生产和加工过程中. 如:在热处理中碳氮共渗和盐浴处理易于产生增 碳、氮化损伤和熔融盐腐蚀。 (3)含有燃烧的各个过程. 如:柴油发动机、燃气轮机、焚烧炉等所产生的 复杂气氛高温氧化高温高压水蒸气氧化及熔融碱盐腐蚀。 (4)核反应堆运行过程中． (5)在航空航天领域。 如：宇宙飞船返回大气层过程中的高温氧化和高 温硫化腐蚀，以及航空发动机叶片受到的高温氧化和高温硫 化腐蚀。
例如：铜、镍等
3.立方规律 特点：低温氧化，薄的氧化膜 。
表示方式：
有人认为这可能与通过氧化物空间电荷区的金属离子的 输送过程有关。
例如： Cu（100-300℃）、镍（400 ℃ ）等
4.对数与反对数规律 特点：许多金属在温度低于300-400℃氧化时，其 反应一开始很快．但随后就降到其氧化速度可以 忽略的程度。在氧化膜相当薄时才适用。 表示方式：
• 氧化速度参数的表征：
1）金属的消耗量 2）氧的消耗量 3）生成的氧化物量
重量法和容量法测定氧化动力学的典型试验装置
5.2
恒温氧化动力学规律
测定氧化过程的恒温氧化动力学曲线
影响氧化动力学规律的因素： *氧化温度；
*氧化时间；
*氧的压力；
*金属表面状况以及预处理条件(它决定了合
金的组织)。
• 同一金属在不同条件下，或同一条件下不同金属的氧化规 律往往是不同的。 • 金属氧化的动力学曲线大体上可分为： 直线、抛物线、立方、对数及反对数规律五类，如图所示：
3.2 氧化膜的生长方式：
在氧化膜的生长过程中，反应物质传输的形式有三种： a）.金属离子单向向外扩散，在氧化膜-气体界面上 进行反应，如铜的氧化过程； b）氧单向向内扩散，在金属-氧化膜界面上进行反应， 如钛的氧化过程；