Scan011520104157

MATERIAŁY INŻYNIERSKIE

I him

I (MIII

1110

Metale

Pol i mery

Kompozyty

K r/i*m

‘ • i »N _u

MC

i >luinent/ t. r i»I i t

M«|0/Si0₂/

Al₂0₃/ BeO

Beryl

Aluminium

Cyrkon

Uran

T ytan

Tantal

Niob

Chrom

Cynk

Mol ibden

Wolfram

Żelazo/ Cyna

Nikiel

Kobalt

Ołów

Miedź

Ni₃ Al-Ni₃-Nb

Większość

polimerów

Co-Cr 7C ₃/

Ni-TaC/ Co-TaC Drewno / CFRP WC, cermetale

GFRP

1 ** U

ifl

him

I

l iCI

NaCI

KCI

Platyna

Srebro

Złoto

X

z

PTFE

Szybkość utleniania

Jeżeli planujemy zastosowanie materiałów skłonnych do utleniania, musimy wiedzieć, jak szybko będzie zachodził proces utleniania. Intuicyjnie można by oczekiwać, że im większa energia jest uwalniana w procesie utleniania, tym większa będzie szybkość utleniania. Na przykład można by się spodziewać, że aluminium będzie się utleniać 2,5 raza szybciej aniżeli żelazo jak to wynika z danych energetycznych zamieszczonych na rys. 21.1. W rzeczywistości aluminium utlenia się znacznie wolniej niż żelazo. Dlaczego tak się dzieje?

Jeżeli nagrzejemy kawałek wypolerowanego żelaza w płomieniu gazowym, na powierzchni metalu, gdzie atomy tlenu i żelaza mogą się kontaktować, tlen z powietrza będzie reagował z żelazem, tworząc cienką warstewkę tlenku żelaza na powierzchni i powodując jej sczernienie. Na początku grubość warstewki tlenków rośnie szybko, a następnie coraz wolniej, ponieważ atomy żelaza, zanim będą mogły wejść w kontakt i reagować z tlenem, muszą przedyfundować przez już utworzoną warstewkę tlenków. Jeżeli wrzucimy kawałek rozgrzanego żelaza do naczynia z wodą, szok związany z szybkim ochłodzeniem spowoduje popękanie warstwy tlenków żelaza i będziemy mogli zobaczyć kawałki tej warstwy w naczyniu z wodą. Odsłonięta powierzchnia żelaza będzie znów błyszcząca, wskazując że szok związany z szybkim chłodzeniem spowodował całkowite złuszczenie warstwy tlenków, która utworzyła się w czasie nagrzewania; jeżeli żelazo ponownie nagrzejemy, będzie się ono utleniało z poprzednią szybkością.

Warstewka tlenków działa jak bariera, która oddziela atomy tlenu i żelaza i zmniejsza szybkość, z którą te atomy reagują, tworząc więcej tlenku żelaza. Aluminium i większość innych materiałów, tworzą bariery w postaci warstwek tlenków w taki sam sposób, ale warstewka tlenków na aluminium jest znacznie bardziej efektywną barierą aniżeli warstewka tlenków na żelazie.

Jak w praktyce mierzymy szybkość utleniania? Ponieważ utlenianie zachodzi przez przyłączanie atomów tlenu do powierzchni materiału, masa materiału zwiększa się zwykle proporcjonalnie do ilości materiału, który się utlenił. Ten wzrost masy, Am, może być rejestrowany w sposób ciągły w zależności od czasu t (rys. 21.2). W wysokich temperaturach zazwyczaj obserwuje się dwa typy takiej zależności. Pierwszy typ utleniania jest zależnością liniową

A m — k_Lt    (21.1)

gdzie k_L - stała kinetyczna. Oczywiście, k_L jest zwykle dodatnie. (Jednak w przypadku kilku materiałów tlenki wyparowują w momencie ich utworzenia, materiał wówczas traci masę i k_L jest ujemne).