 |
Линейное уравнение скорости окисления
|
|
|
|
Введение
В последние годы интерес к проблемам окисления металлов значительно возрос. Реакции окисления имеют очень большое практическое значение. К традиционным проблемам изыскания жаростойких металлических материалов, предназначенных для изготовления нагревателей, печей, теплообменников, в настоящее время добавился ряд задач, появившихся в связи с развитием новых отраслей техники, таких как ракетостроение, производство полупроводниковых материалов, спекание металлических порошков и др.
Развитие современной техники предъявляет все новые и более жесткие требования к конструкционным материалам. От них требуется длительная и надежная работа в условиях высоких температур и давлений, агрессивных сред и высоких нагрузок. Наиболее широко используемыми в различных сочетаниях таких экстремальных условиях были и остаются металлы.
Так как чистые металлы редко используются в качестве конструкционных материалов, вопросы окисления сплавов, особенно методы повышения их сопротивления окислению, являются с прикладной точки зрения наиболее важными аспектами высокотемпературного окисления металлов, сплавов и соединений.
Окисление металлов и сплавов изучают в связи с тем, что они играют важную роль в различных областях техники, тем не менее информации подобного рода недостаточно.
Литературная часть
Механизмы окисления металлов
В гетерогенных процессах реагирующие компоненты системы находятся в разных фазах и, естественно, реакции протекают на границе раздела. В общем случае начало окисления металлов до образования защитной пленки можно разделить на несколько стадий. К ним относятся перенос молекул из объема газовой фазы из поверхности металла, адсорбция газа и химическая реакция на границе раздела фаз, перенос с поверхности металла в объем, перераспределение кислорода [3].
|
|
|
Понимание поведения металла при окислении требует знания кинетики и скоростей реакции, их зависимости от температуры и давления кислорода, а также состава и структуры продуктов реакции.
Наиболее распространенные уравнения скорости окисления подразделяются на логарифмические, параболические и линейные. Однако они выражают лишь предельные и идеальные случаи окисления. На практике часто встречаются отклонения от этих уравнений скорости.
Важное предположение, на котором базируются почти все теории, заключаются в том, что толщина пленки считается пропорциональной привесу.
Логарифмические уравнения скорости окисления
Характер окисления многих металлов при низких температурах (при температурах ниже 573-673 К) можно описать логарифмическими уравнениями, содержащими прямые и обратные логарифмические функции, например, логарифмическим уравнением
x = kлогlog(τ+τ0) + A (1)
и обратно логарифмическим уравнением
/x = B - kоб.логlogτ (2)
Здесь х может выражать количество кислорода, расходуемого на единичную площадь поверхности окисляемого металла, количество металла, перешедшего в оксид, или толщину оксидной пленки при условии, что пленка однородна и плоскопараллельна поверхности металла; τ - продолжительность взаимодействия; kлог и kоб.лог - константы логарифмической и обратно логарифмической скоростей; А и В - постоянные. На рисунке 1 графически представлены примеры двух таких уравнений.
Параболические уравнения скорости окисления
Установлено, что при высоких температурах многие металлы следуют параболической временной зависимости окисления (рисунок 1)
Рисунок 1 - Линейный (1) и параболический (2) законы окисления
|
|
|
Параболическое уравнение записывается в дифференциальном и интегральном виде[3]:
dx/dτ=k'пар/х, (3)
х2=kпарτ + Спар, (4)
где k'пар и kпар - константы параболической скорости, а Спар - постоянная интегрирования. Параболический закон высокотемпературного окисления означает, что скорость окисления лимитируется скоростью термодиффузии [1,2].
Линейное уравнение скорости окисления
Окисление, подчиняющееся линейной закономерности, можно охарактеризовать в виде [3]:
dx/dτ = k (5)
х = kлинτ + С, (6)
где k - константа линейной скорости, а С - постоянная интегрирования.
Скорость линейного окисления постоянна во времени и, таким образом, не зависит от количества уже прореагировавшего газа или металла. Если зависимость линейна, скорость окисления лимитируется процессом или реакцией на поверхности или фазовой границе. К ним могут, например, относиться установившаяся реакция, скорость которой лимитируется подводом (адсорбцией) кислорода к поверхности, или реакция, управляемая образованием оксида с установившейся скоростью на границе раздела металл - оксид.
|
|
|
