《金属的高温氧化》PPT课件

《《金属的高温氧化》PPT课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二章金属的高温氧化金属高温氧化的热力学金属高温氧化的动力学金属的氧化膜合金的氧化广义的氧化：把金属从表面开始向金属化合物变化的现象称为金属的氧化。狭义的氧化：指金属和环境介质中的氧化合而生成金属氧化物。可用下式表示：金属的氧化过程：吸附扩散化合。这些化合物包括氮化物、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

2、进行反应系统的吉布斯自由能变化值必须降低。当时，过程自发进行。反之，的过程是不可能发生的。金属高温氧化和腐蚀反应的行为实际上与此相同。因此，一般都应用在一定温度条件下系统的吉布斯自由能的变化值作为金属高温氧化的热力学判据。但是注意：从吉布斯自由能的变化是不可能预测反应速度的。对于高温氧化反应按照Van’tHoff等温方程式，在温度T下此反应的自由能变化为与反应平衡常数K的关系如下由上式可见，在温度T时，金属是否会氧化，可根据氧化物的分解压与气相中氧分压的相对大小来判断。若，则，反应向生成的方向进行；若，则，高温氧化反应达到

3、平衡；若，则，反应向分解的方向进行。将式（2.2）带入式（2.3）例：在通常的大气条件下，氧分压可视为衡定值，即。因此，金属的稳定性可通过下式判断：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。（1）当时，处于平衡态，金属与氧化物均稳定。（2）当时，反应向生成氧化物方向进行。（3）当时，则反应向氧化物分解方向进行。反应式分解压/KPａ反应式分解压/KPａFｅO=Fｅ+1/2O2Fe3O4=3FeO+l/2O2Fe2O3=2/3FeO+l/6O2CoO=Co+l/2

4、O2Co3O4=3CoO+l/2O2NiO=Ni+l/2O21.7×10-132.8×10-111.7×10-41.6×10-102.7×1021.7×10-8Cr2O3=2Cr+3/2O2Al2O3=2Al+3/2O2MnO=Mn+l/2O2Mn3O4=3MnO+l/2O2Mn2O3=2/3Mn3O4+l/2O2SiO2=Si+O22.3×10-201.3×10-331.1×10-222.2×10-41.3×1021.1×10-26表2.1几种氧化物的分解压（1000℃）二、系统标准吉布斯自由能-温度图例：从图2.1中可

5、得出，铝和铁金属在状态下氧化时的系统标准吉布斯自由能为：如上所述，在研究金属高温氧化过程中，可以根据金属氧化物的系统标准吉布斯自由能的变化判断氧化的可能性或反应的方向性。1944年Ellingham编制了一些氧化物的图。不同温度下，各氧化物的为纵坐标，温度为横坐标。由该图可以直接读出任何给定温度下，金属氧化反应的值。值愈负，则该金属的氧化物愈稳定,亦即金属还原夺氧能力愈强。图2.1一些氧化物的图由上式反应可见铝和铁在600℃标准状态下均可氧化，而前者比后的氧化倾向更大。将上述二式相减，可得：这表明，在氧化膜中FeO可被Al

6、还原而生成。正如上述，位于图中下部的金属均可还原上部金属氧化物。为什么Cr，Al，Si作为耐热钢的主要合金元素提高其热稳定性？这些元素的氧化物位于图中的Fe氧化物的平衡线以下，故此在高温下具有较高的热稳定性。在使用平衡图时必须注意：1、该平衡图只能用于平衡系统，不能使用于非平衡系统，且仅说明反应发生的可能性和倾向的大小，而不能说明反应和速度问题，后者是属于动力学范畴问题。2、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

7、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位面积上质量变化表示。膜厚与氧化质量增加可以用下式表示：（2.5）金属的氧化动力学规律取决于金属种类、氧化温度和时间。同一金属在不同温度下氧化可能遵循不同规律；而在同一温度下，随着氧化时间的延长，氧化膜增厚的动力学规律也可能从一种规律转变为另一种规律。研究表明，金属氧化动力学曲线大体遵循直线、抛物线、对数和立方规律。1、直线规律金属氧化时，如果不能形成保护性氧化膜，或在反应

8、中生成气相或液相产物而脱离金属表面，则氧化速率直接由形成氧化物的化学反应所决定，因而膜的成长速度恒定不变：（2.6）对上式积分得：上式表明，氧化膜的厚度与时间成直线关系，积分常数取决于氧化起始瞬间膜厚，若是在纯净金属表面开始氧化，式中的Ｃ＝０，可得：为实验上的测量方便，常用增加质量表示：或用腐蚀性气体的