·320· 工程科学学报，第37卷，第3期 200μm 200μm 2004m 基体 200m 图31050℃氧化不同时间后Cu-As钢氧化层形貌.(a)900s:(b)1800s:(c)3600s:(d)7200s Fig.3 OM micrographs of the oxide layer for different oxidation time at 1050C:(a)900s:(b)1800s:(c)3600s:(d)7200s 钢种氧化层厚度都随氧化温度的升高而增加.研究表 1050℃氧化不同时间后As钢的氧化层/基体界面形 明，这种现象与氧化过程的鼓泡或氧化层与基体的脱 貌如图6所示.可以发现条带状氧化粒子层存在于整 离行为有关，一旦发生鼓泡或者脱离，e由基体向氧 个氧化过程中，且氧化层厚度和氧化粒子尺寸均随着 化层的扩散就会被阻止，因而氧化层变薄.氧化层的 氧化时间增加而增加 完全脱离，不但导致氧化层变薄，而且引起各氧化层的 2.4氧化层/基体界面Cu和As的富集 相对比例发生变化.这是由于为减少浓度梯度，氧通 由于铁的选择性氧化，C山和As会在氧化层下发 过氧化层向基体进行扩散，导致FeO,和Fe0,层比例 生富集，但是Cu和As的富集程度是由铁氧化造成的 增加，而Fe0层减少甚至消失回，因此获得的氧化动 Cu和As富集速率以及两者的反扩散速率共同决定 力学曲线及氧化层厚度将会失真.1150℃时实验钢氧 的.Melford@指出，当超过某一临界温度后，残余元 化层分离现象如图4所示 素的扩散速率会高于其富集速率，富集层将会消失，不 2.3氧化层/基体界面结构及内部氧化 会引起热脆 氧化温度及Cu和As的加入明显改变了C-Mn钢 电子探针分析表明，1050℃和1150℃时As钢和 氧化层/基体界面平整程度及内部氧化情况.1050℃ Cu-As钢均存在明显的Cu和As富集层.As钢和Cu一 和1150℃氧化7200s后氧化层/基体界面形貌如图5 As钢整个氧化层元素的分布情况分别如图7和图8 所示.1050℃氧化时，As钢和C-Mn钢氧化层/基体界 所示.氧化过程中残余元素C山和As的富集占主导作 面较为平坦，而Cu-As钢界面较为崎岖（如图5(a)、 用.当铜砷富集超过其在奥氏体中的溶解度时将会析 (b)和(c).同时还可观察到，C-Mn钢和Cu-As钢 出，形成的熔融液相沿奥氏体晶界浸入将会引发热加 界面基体附近随机分布着氧化物粒子，而As钢基体中 工过程钢坯的开裂. 存在明显的条带状氧化物粒子层，该粒子层厚度约为 比较线扫描图上C山和As富集峰的高低发现， 20μm.另外，此温度下As钢和Cu一As钢的氧化物粒 1150℃下氧化层/基体界面处Cu和As的富集量小于 子尺寸较C-Mn钢大.当氧化温度提高到1150℃时， 1050℃.As钢和Cu-As钢的富集层厚度分别由1050 实验钢氧化层/基体界面的崎岖程度明显增加，氧化粒 ℃的20μm和17μm降低到1150℃的15μm和11um, 子层增厚且氧化粒子数量增多、尺寸变大，As钢和 说明Cu和As元素反扩散速率随氧化温度升高的增长 Cu-As钢存在一些大尺寸的氧化物粒子（如图5(e)和 速率要高于其氧化富集增长速率.表3为1050℃和 ()).能谱分析表明，这些氧化粒子主要为单独的氧 1150℃时Cu和As在奥氏体中的扩散系数.1150℃时 化铁、外包铁（锰）硅酸盐的氧化铁和铁（锰）硅酸盐 Cu的扩散系数D约为1050℃时的6.8倍，而As的扩 100m 100 am 100um 图41150℃时实验钢不同氧化时间氧化层的金相图片.(a)C-Mn钢，3600s:(b)As钢，900s:(c)Cu-As钢，1800s Fig.4 OM micrographs of samples at 1150 C:(a)C-Mn steel,3600s:(b)As steel,900s;(c)Cu-As steel,1800s工程科学学报，第 37 卷，第 3 期 图 3 1050 ℃氧化不同时间后 Cu--As 钢氧化层形貌． ( a) 900 s; ( b) 1800 s; ( c) 3600 s; ( d) 7200 s Fig． 3 OM micrographs of the oxide layer for different oxidation time at 1050 ℃ : ( a) 900 s; ( b) 1800 s; ( c) 3600 s; ( d) 7200 s 钢种氧化层厚度都随氧化温度的升高而增加． 研究表 明，这种现象与氧化过程的鼓泡或氧化层与基体的脱 离行为有关，一旦发生鼓泡或者脱离，Fe 由基体向氧 化层的扩散就会被阻止，因而氧化层变薄． 氧化层的 完全脱离，不但导致氧化层变薄，而且引起各氧化层的 相对比例发生变化． 这是由于为减少浓度梯度，氧通 过氧化层向基体进行扩散，导致 Fe2O3和 Fe3O4层比例 增加，而 FeO 层减少甚至消失［9］，因此获得的氧化动 力学曲线及氧化层厚度将会失真． 1150 ℃时实验钢氧 化层分离现象如图 4 所示． 图 4 1150 ℃时实验钢不同氧化时间氧化层的金相图片 . ( a) C--Mn 钢，3600 s; ( b) As 钢，900 s; ( c) Cu--As 钢，1800 s Fig． 4 OM micrographs of samples at 1150 ℃ : ( a) C--Mn steel，3600 s; ( b) As steel，900 s; ( c) Cu--As steel，1800 s 2. 3 氧化层/基体界面结构及内部氧化 氧化温度及 Cu 和 As 的加入明显改变了 C--Mn 钢 氧化层/基体界面平整程度及内部氧化情况． 1050 ℃ 和 1150 ℃氧化 7200 s 后氧化层/基体界面形貌如图 5 所示． 1050 ℃氧化时，As 钢和 C--Mn 钢氧化层/基体界 面较为平坦，而 Cu--As 钢界面较为崎岖( 如图 5( a) 、 ( b) 和( c) ) ． 同时还可观察到，C--Mn 钢和 Cu--As 钢 界面基体附近随机分布着氧化物粒子，而 As 钢基体中 存在明显的条带状氧化物粒子层，该粒子层厚度约为 20 μm． 另外，此温度下 As 钢和 Cu--As 钢的氧化物粒 子尺寸较 C--Mn 钢大． 当氧化温度提高到 1150 ℃ 时， 实验钢氧化层/基体界面的崎岖程度明显增加，氧化粒 子层增厚且氧化粒子数量增多、尺 寸 变 大，As 钢 和 Cu--As 钢存在一些大尺寸的氧化物粒子( 如图 5( e) 和 ( f) ) ． 能谱分析表明，这些氧化粒子主要为单独的氧 化铁、外包铁( 锰) 硅酸盐的氧化铁和铁( 锰) 硅酸盐． 1050 ℃ 氧化不同时间后 As 钢的氧化层/基体界面形 貌如图 6 所示． 可以发现条带状氧化粒子层存在于整 个氧化过程中，且氧化层厚度和氧化粒子尺寸均随着 氧化时间增加而增加． 2. 4 氧化层/基体界面 Cu 和 As 的富集 由于铁的选择性氧化，Cu 和 As 会在氧化层下发 生富集，但是 Cu 和 As 的富集程度是由铁氧化造成的 Cu 和 As 富集速率以及两者的反扩散速率共同决定 的． Melford［10］指出，当超过某一临界温度后，残余元 素的扩散速率会高于其富集速率，富集层将会消失，不 会引起热脆． 电子探针分析表明，1050 ℃ 和 1150 ℃ 时 As 钢和 Cu--As 钢均存在明显的 Cu 和 As 富集层． As 钢和 Cu-- As 钢整个氧化层元素的分布情况分别如图 7 和图 8 所示． 氧化过程中残余元素 Cu 和 As 的富集占主导作 用． 当铜砷富集超过其在奥氏体中的溶解度时将会析 出，形成的熔融液相沿奥氏体晶界浸入将会引发热加 工过程钢坯的开裂． 比较线扫描图上 Cu 和 As 富集峰的高低发现， 1150 ℃下氧化层/基体界面处 Cu 和 As 的富集量小于 1050 ℃ ． As 钢和 Cu--As 钢的富集层厚度分别由 1050 ℃的 20 μm 和17 μm 降低到1150 ℃的15 μm 和11 μm， 说明 Cu 和 As 元素反扩散速率随氧化温度升高的增长 速率要高于其氧化富集增长速率． 表 3 为 1050 ℃ 和 1150 ℃时 Cu 和 As 在奥氏体中的扩散系数． 1150 ℃时 Cu 的扩散系数 DCu约为1050 ℃时的6. 8 倍，而 As 的扩 · 023 ·