金屬材料檢測之鋼鐵的高溫氣體腐蝕形式

　　金屬材料的一類。主要是鋼和鑄鐵。是*重要的化工機械材料。黑色金屬材料主要指鐵和鋼，多數化工機械設備是用鑄鐵和碳鋼制成的。黑色金屬材料是鐵和以鐵為基的合金（鋼、鑄鐵和鐵合金）。

　　黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵90%以上的工業純鐵，含碳2%～4%的鑄鐵，含碳小于2%的碳鋼，以及各種用途的結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。鑄鐵和鋼都是鐵和碳的合金，其區別是含碳量和內部組織結構不同。鑄鐵是含碳量大于2%的鐵碳合金，鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。它們是工業上*廣泛應用的金屬材料，在國民經濟中占有極重要的地位。

　　鋼鐵材料在高溫氣體環境中很容易受蝕，生產中常見到以下的腐蝕形式。

　　氧化

　　鋼鐵在含O2、CO2、H2O等成分的氣體介質中會發生高溫氧化。600℃以下氧化過程進行緩慢，到800~900℃氧化速度劇增。如圖《鐵上氧化皮結構》所示，這時生成的氧化皮多孔、疏松，與墊體結合不牢，極易剝落，保護性極差。它由好幾層不同的氧化鐵組成，各層氧化鐵的厚度與氧化溫度，氧化時間、氣體介質成分及Fe-C合金的成分有關。

　　脫碳

　　鋼鐵在發生氧化的同時，氣體中O2、CO2、H2、H2O等還可能與鋼鐵表面的Fe3C（或石墨）作用，使Fe3C還原成Fe，同時生成含碳氣體CO2、CO、CH4等，結果使材料表層含碳量降低，這種化學腐蝕稱為脫碳。脫碳反應生成的氣體產物，不僅破壞表面膜的完整性和結合力，加速了氧化過程，而且還嚴重惡化材料的力學性能，影響材料的正常使用。

　　氫蝕

　　許多化工設備中鋼鐵材料與高溫高壓的含氫氣體接觸，由于氫原子體積小，便于沿晶界或其它缺陷向材料內部擴散，并且與Fe3C發生脫碳反應，生成的氣體產物CH4，在鋼內形成局部高壓和應力集中，以致引起晶體結構的破壞。又由于Fe3C變成Fe體積縮小，使材料結構疏松，性能惡化。氫蝕特別容易引發材料脆性開裂故又稱為氫脆，關于氫脆機制有多種理論解釋，此處不再詳述。

　　內氧化

　　鋼鐵中有的元素與氧的親和力比鐵更大，能與氧生成更為穩定的氧化物。當鋼鐵中的溶解氧的擴散速率高于合金元素的擴散速率時，就在鋼鐵內部而不是在表面形成這些活潑元素的氧化物，這種現象稱為內氧化。內氧化一旦發生，氧化速度往往很快，因為這時不可能形成保護性氧化物。鋼中常見合金元素的氧化順序是鋁、鈦、硅、錳、鉻、鉬、鐵、銅，即使在能保證鐵無氧化加熱的可控氣氛中，鐵之前的元素仍可能被氧化，氧化產物分布在這些元素比較集中的部位。比如C-N共滲處理后發現的黑色組織（黑點、黑網、黑帶）被認為是內氧化的產物，這種缺陷組織對鋼材使用性能影響極大，嚴重損傷工件的表面砸摩、接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度和使用壽命。

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