金属材料的高温氧化铁皮内容简介

高温氧化是金属及合金塑性成形过程中普遍存在的现象。本书利用不同材料表征手段，研究分析在热加工成形中所生成的金属氧化铁皮。从氧化铁皮的微观组织结构、界面力学行为、晶界工程、织构演变及摩擦学性能等多个角度，系统地概述了氧化铁皮研究的最新进展。详尽地论述氧化铁皮的生成机理，金属塑性加工时的变形行为和力学性能，辅以热轧带钢中氧化铁皮的特性为工业实例。提出了一种精简可控的氧化铁皮微观结构，可用于免酸洗钢的生产，同时具有优良的摩擦润滑属性。这些研究成果有助于深入理解形成在钢基体表面上的氧化铁皮特性，为金属高温塑性成形提供有力的科学指导。 　金属材料的高温氧化正契合于目前研究日益高涨的金属材料3D打印技术，为此，论述了激光选区熔融技术中的金属粉末材料高温氧化问题。本书适用于金属材料制造技术方面的研究人员和高等院校研究生等。

目录

《博士后文库》序言

前言

专有名词表

第1章 绪论 1

1.1 金属材料氧化铁皮 1

1.2 研究方法 2

1.3 本书提要 2

第2章 金属材料高温氧化的理论基础 4

2.1 高温氧化的热动力学基础 4

2.1.1 Ellingham 图 4

2.1.2 高温氧化的扩散机制 6

2.1.3 氧化物生长引起的内应力 8

2.1.4 氧化铁皮的生长动力学 9

2.2 热加工中的氧化铁皮 10

2.2.1 铁的氧化物 10

2.2.2 瞬时高温氧化 13

2.2.3 氧化铁皮内的相变 17

2.3 热轧后氧化铁皮的相变行为 19

2.3.1 热轧中形成的氧化铁皮 19

2.3.2 四氧化三铁的析出过程 20

2.3.3 三次氧化铁皮的分类 24

2.3.4 热轧带钢卷取后的氧化铁皮结构 26

2.4 氧化铁皮的力学性能 28

2.4.1 热轧中氧化铁皮的力学性能需求 28

2.4.2 氧化铁皮的力学实验研究 29

2.4.3 FeO 氧化铁皮的塑性行为 30

2.5 氧化铁皮的分析方法 31

2.5.1 氧化实验检测分析方法 32

2.5.2 数值模拟技术 33

2.6 小结 35

第3章 实验检测设备与表征分析 36

3.1 实验检测设备 36

3.1.1 原位共聚焦高温氧化实验平台 36

3.1.2 可调气氛的热力学实验系统 37

3.1.3 快速冷却的热轧实验轧机 38

3.1.4 通用力学测试——摩擦计 39

3.2 氧化铁皮的分析表征技术 40

3.2.1 光学显微镜 40

3.2.2 扫描电子显微镜 40

3.2.3 原子力显微镜 40

3.2.4 聚焦离子束显微镜 41

3.2.5 三离子束切割制样系统 41

3.2.6 电子背散射衍射 41

3.2.7 X 射线衍射仪 42

3.3 小结 42

第4章 氧化铁皮的显微结构 43

4.1 等温氧化实验 43

4.1.1 实验材料与合金钢样本制备 43

4.1.2 原位共聚焦高温氧化操作流程 44

4.1.3 氧化铁皮样本的制备 45

4.2 氧化铁皮的显微结构分析 45

4.2.1 微合金钢原初材料的表征 45

4.2.2 原位高温氧化的实时检测 47

4.2.3 氧化铁皮的表面形貌 48

4.2.4 氧化铁皮的断面粘结行为 50

4.2.5 氧化铁皮表面几何形貌的特征分析 53

4.2.6 氧化铁皮组分的 X 射线衍射分析 54

4.3 等温氧化过程的实验分析 55

4.3.1 初始氧化的机制 55

4.3.2 钢基体的晶粒细化效应 57

4.4 小结 61

第5章 参数对氧化铁皮形成的影响 62

5.1 热轧快速冷却实验 63

5.1.1 氧化材料与热轧操作步骤 63

5.1.2 快速冷却系统 64

5.2 工艺参数与氧化铁皮的生成 66

5.2.1 快速冷却速率的影响 66

5.2.2 轧制压下量的影响 69

5.2.3 氧化铁皮的表面粗糙度 71

5.2.4 氧化铁皮内的物相转变 72

5.3 一氧化铁分解反应的影响因素 74

5.3.1 氧化铁皮的共析反应机制 74

5.3.2 四氧化三铁接缝层的形成机制 75

5.4 小结 76

第6章 氧化铁皮的晶粒与晶界特征 77

6.1 氧化实验前后的微合金钢基体 77

6.1.1 氧化实验前 77

6.1.2 热轧快速冷却氧化实验 78

6.1.3 电子背散射衍射技术的晶粒重构 79

6.2 氧化铁皮的物相鉴定 80

6.2.1 电子背散射衍射氧化物相扫描 80

6.2.2 氧化铁皮的能谱分析 82

6.3 氧化铁皮晶体学特征分析 84

6.3.1 氧化铁皮的晶粒取向分析 84

6.3.2 氧化铁皮的晶粒尺寸分布 86

6.3.3 不同晶粒尺寸时的取向分布 88

6.4 氧化物相的晶界特征 91

6.4.1 氧化铁皮的晶界分布 92

6.4.2 重合位置点阵晶界类型 94

6.5 晶界在氧化铁皮中的作用 96

6.5.1 氧化物晶界处的扩散控制氧化 96

6.5.2 氧化物晶界处的变形机制 99

6.6 小结 100

第7章 氧化铁皮的织构演变 102

7.1 极图描绘的织构变化 102

7.2 取向密度分布函数的分布 106

7.2.1 理想的纤维相关的织构组分 107

7.2.2 取向密度分布函数截面分布 110

7.3 不同晶粒尺寸的织构情况 116

7.3.1 不同晶粒尺寸时的极图检测 116

7.3.2 多种晶粒尺寸 Fe3O4 的最优取向分布 118

7.4 基于织构分析接缝层的形成 120

7.5 工业生产中的氧化铁皮织构 122

7.6 小结 124

第8章 氧化铁皮的局部应变分析 125

8.1 局部应变分析方法 125

8.2 局部应变分析区域的设定 126

8.2.1 氧化铁皮的晶界和相界分布 127

8.2.2 Fe3O4 与-Fe2O3 的取向关系 128

8.3 氧化铁皮界面层的局部应变 129

8.3.1 表面层的局部应变 129

8.3.2 中间层的局部应变 131

8.3.3 氧化铁皮/基体界面层的局部应变 133

8.4 氧化物局部应变与宏观应变的关系 134

8.5 施密特因子评估氧化铁皮的非均匀性变形 137

8.6 小结 139

第9章 能动反应机制和数值模拟 141

9.1 短时扩散氧化机制 141

9.1.1 热轧辊缝处的带钢氧化 141

9.1.2 不同温度下 Fe3O4 的形成 143

9.1.3 氧化铁皮内接缝层的形成 144

9.1.4 快速冷却时氧化物间的分解转化 145

9.2 氧化热动力学分析 146

9.3 高温氧化扩散过程的模拟 149

9.3.1 扩散模型的本构方程 149

9.3.2 数值模拟的边界条件 152

9.3.3 扩散过程的结果分析 153

9.4 高温氧化的焓基数值模拟 155

9.4.1 焓基数值模拟的算法 155

9.4.2 数值模拟的限定条件 157

9.4.3 焓基数值模拟分析 157

9.5 小结 158

第10章 氧化铁皮的摩擦学性能 160

10.1 氧化铁皮的摩擦学实验 160

10.1.1 热力学氧化实验的材料 160

10.1.2 可调气氛的高温氧化实验 160

10.1.3 氧化铁皮的摩擦学实验 162

10.2 氧化铁皮的摩擦性能结果分析 164

10.2.1 Fe3O4 的析出 164

10.2.2 氧化铁皮中析出颗粒的摩擦学性能 168

10.2.3 氧化铁皮析出颗粒的形成机制 171

10.3 晶界与织构对摩擦学性能的影响 172

10.3.1 氧化铁皮晶界对摩擦学性能的影响 172

10.3.2 氧化铁皮的织构与摩擦学性能 173

10.4 纳米粒子润滑中的氧化铁皮 175

10.4.1 水基纳米粒子润滑的源起 175

10.4.2 纳米粒子的润滑机制 177

10.4.3 纳米粒子与氧化铁皮 179

10.5 小结 180

第11章 金属材料 3D 打印中的氧化薄膜 182

11.1 3D 打印技术的起源与演进 182

11.2 金属材料 3D 打印的范畴与分类 183

11.2.1 粉末激光选区烧结 184

11.2.2 粉末激光选区熔融 184

11.2.3 激光工程化净成形技术 186

11.3 金属熔融再固化中的氧化薄膜 188

11.3.1 影响打印构件强度的工艺参数 188

11.3.2 氧化夹杂物的生成 192

11.3.3 选区熔融中的氧化薄膜的特征 194

11.3.4 合金元素对氧化物膜的影响 195

11.3.5 金属快速熔融再固化中的氧化机制 196

11.4 金属材料 3D 打印中高温氧化的研究展望 197

第12章 金属材料高温氧化的总结与展望 200

12.1 研究成果小结 200

12.1.1 微合金钢的初始氧化及其工艺参数的影响 200

12.1.2 基于织构分析的氧化铁皮特征 200

12.1.3 氧化铁皮应用与拓展：纳米润滑与 3D 打印 201

12.2 金属材料高温氧化铁皮的研究展望 202

参考文献 204

致谢 229

编后记 230

彩图 2100433B

本书从应用角度，介绍耐热钢和高温合金的钢种、力学性能、腐蚀性能、焊接技术、结构强度设计及其工程应用。全书共分五章。第一章概论，除对高温工程和相关的耐热材料进行简单的介绍外，着重介绍了高温工况对耐热金属材料的基本要求，各种耐热金属材料系统的高温特性及其相互比较，它们的发展及其加工中的几个问题；第二章介绍了各种耐热钢和高温合金的牌号、化学成分、与设计使用关系密切的力学性能和高温腐蚀行为；第三章介绍了耐热钢和高温合金的焊接问题，所涉及的焊接方法以制造厂常用的熔化焊接方法为主，还介绍了高温设备使用中常会遇到的修理性焊接问题；第四章介绍了高温金属构件的结构强度设计问题，金属在高温下的断裂是一个与时间相关的过程，本章较详细地讨论了高温下的弹性设计、蠕变设计和断裂设计，并讨论了相关的蠕变一断裂试验及实验数据外推方法，对高温构件的热疲劳和高温疲劳设计也进行了探讨，所提供的方法可供高温构件设计工作者参考；第五章专门介绍了耐热钢和高温合金在各种工业领域中的应用问题，通过本章读者可了解高温金属材料在各工业领域的使用概况。

精轧氧化铁皮坑俗称硌坑,是辊面在一定范围内的凹陷变形,常在冷轧工作辊和热轧精轧辊上出现。造成压痕的原因多在轧制操作方面,轧辊表面经受反复加热和冷却,产生细小的网状裂纹,并被轧材的氧化铁皮挤塞。

氧化铁皮缺陷是影响热轧带钢表面质量的重要因素之一。利用电子探针探测了基体不含Cr的热轧带钢在精轧区产生的表面氧化铁皮缺陷处的化学成分,根据其中Cr含量的变化规律,分析了缺陷的成因。并结合宝钢2050mm热轧机组情况,提出了预防和减少热轧带钢表面氧化铁皮缺陷的措施。越来越多的热轧产品正逐步代替同规格的冷轧产品,要求用热轧产品来制作外观结构件的也不断增多,因而用户对热轧带钢的表面质量要求越来越高,从而使影响带钢表面质量的氧化铁皮缺陷问题愈加突出。