Scan011520104427

236

MATERIAŁY INŻYNIER SICIE

O

O

O

o

o

o

Si

Rys. 21.2. Pomiar szybkości utleniania

*

i'. trV‘-

V

' ^ ■ "r-i.- - H' i-Jfi S r

Drugi typ utleniania jest zależnością paraboliczną

(Am)² =k„t

vTi ^^

>».    » *■ -i ■ i?

. • ■ •

V;v i ^-V*>^r .15 i^Tw*

(21.2)

gdzie k_p - inna stała kinetyczna, tym razem zawsze dodatnia.

Szybkość utleniania spełnia prawo Arrheniusa (rozdz. 18), co oznacza, że stale kinetyczne k_L i k_p rosną wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury

(21.3)

.

A_Le

-Ql!^rt

1

A_pe

-Q_P/^RT

>**¥.,

:Y*

.y-ł**-*

gdzie A_l i A_p oraz Q_L i Q_p są stałymi.

Wynika stąd, że gdy temperatura rośnie, szybkość utleniania wzrasta wy-

r.,->    ' >

* • v..

kladniczo (rys. 21.3).

PH/- _n<

}?,y. !'Vv* 1*-?*'    7 W

•X,

'J.W.

V. •'w-.TT.-w:

■

•*! .. .

Rys. 21.3. Wzrost szybkości utleniania wraz ze wzrostem temperatury zgodnie z prawem

*    ^J    _#    ^k    ' V. •_    V r""

Arrheniusa

••    _#    V j .    J    •    '    • •: •

I wreszcie, jest rzeczą oczywistą, że szybkość utleniania rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia cząstkowego tlenu, jakkolwiek nie zawsze w prosty sposób. Na przykład ciśnienie cząstkowe tlenu w turbinie gazowej może się bardzo różnić od ciśnienia cząstkowego w powietrzu. Z tego względu jest rzeczą

UTLENIANIE MATERIAŁÓW

237

ważną, aby testy utleniania elementów w wysokich temperaturach przeprowadzać w odpowiednich warunkach.

Dane dotyczące szybkości utleniania

Dla konstruktora informacja, jaka ilość danego materiału będzie zaslą piona przez tlenki w określonych warunkach, jest bardzo ważna. Właściwości mechaniczne tlenków są zwykle znacznie gorsze w porównaniu z materiałem wyjściowym (np. tlenki są porównawczo bardzo kruche), więc - nawet jeśli warstwa tlenków jest mocno związana z materiałem, co nie zawsze ma miejsce - efektywny przekrój elementu ulega zmniejszeniu. Redukcja przekroju elementu konstrukcyjnego może być oczywiście obliczona z danych dotyczących Am.

W tablicy 21.2 podano czas wymagany do utlenienia danego materiału na głębokość 0,1 mm, przy ekspozycji w powietrzu w temp. 0,7T_M (jest lo typowa wartość dla temperatury pracy łopatek turbin i innych podobnych elementów). Jak widać, czasy te zmieniają się o kilka rzędów wielkości i jasno wskazują, że nie ma korelacji pomiędzy szybkością utleniania i energią związaną z przebiegiem reakcji (porównaj Al i W jako skrajne przypadki: Al utlenia się bardzo powoli - energia = -1045 kJ-mol ¹ 0₂; W utlenia się bardzo szybko - energia = -510 kJ-mol¹ 0₂).

\

TABLICA 21.2

Czas utleniania na głębokość 0,1 mm w temperaturze 0,7Tm, w powietrzu (Uwaga — podane czasy mogą ulegać znacznym zmianom w zależności od stopnia czystości materiału, rodzaju obróbki powierzchni i obecności zanieczyszczeń w atmosferze jak np. siarki)

Materiał	Czas [h]	Temperatura topnienia | KJ	Materiał	Czas [h]	Temperatura topnienia | K |
Au	nieskończony	1336	Ni	600	1726
Ag	bardzo długi	1234	Cu	25	1356
Al	bardzo długi	933	Fe	24	1809
Si3N4	bardzo długi	2173	Co	7	1765
SiC	bardzo długi	3110	Ti	< 6	1943
Sn	bardzo długi	505	WC cermetale	< 5	1700
Si	210^6	1683	Ba	« 0,5	983
Be	10^6	1557	Zr	0,2	2125
Pt	1,810^5	2042	Ta	bardzo krótki	3250
Mg	> 10^5	923	Nb	bardzo krótki	2740
Zn	O A	692	U	bardzo krótki	1405
Cr	1600	2148	Mo	bardzo krótki	2880
Na	> 1000	371	W	bardzo krótki	3680
K	> 1000	337