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Effect of oxygen pressure and experimental method on the high temperature oxidation of pure Fe

1970; Elsevier BV; Volume: 10; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1016/s0010-938x(70)80092-0

1879-0496

D. Caplan, M. J. Graham, M. Comen,

Metal Alloys Wear and Properties

Thermogravimetric measurements were carried out on annealed and cold-worked Fe at 500°C in Oa at 10 and 760torr. Runs were started by bringing the specimens rapidly to temperature in O2 or by admitting 02 to hot H2-reduced specimens maintained free of oxide in ultrahigh vacuum. Less oxidation occurred at 10torr than 760 owing to greater separation between oxide and metal. Still greater separation developed in the hot-bare type of experiment and oxidation was correspondingly slower. Cold-worked Fe showed separation and slower oxidation at 10torr but only after the oxide grew thick enough. The explanation proposed is that plastic deformation of the oxide is greater at 760torr causing collapse of the voids that form by condensation of cation vacancies at the Fe3O4-Fe interface. Oxidation is faster because there is less separation to hinder transfer of metal into the oxide. Oxidation of cold-worked Fe is the same initially at both pressures because extra vacancy sinks are present to suppress nucleation of voids; oxidation at 10torr becomes relatively slow subsequently when the thickening oxide has developed sufficient hot strength to resist the squashing effect of 10torr but not of 760torr. Des mesures thermogravimétriques ont été effectuées à 500°C dans O3, sous 10 et 760torr,sur du fer recuit et sur du fer écroui. Ces essais ont débuté en amenant rapidement les échantillons à température, en présence de O2 ou en introduisant O2 auprés d'échantillons réduits par H2 chaud et maintenus à l'abri de l'oxydation dans un vide poussé. Il se produit une oxydation plus faible à 10torr qu'à 760torr, à cause d'une plus grande séparation entre l'oxyde et le métal. Une séparation plus grande encore se produit lors des essais avec réduction à chaud, et l'oxydation est plus lente encore. Le fer écroui montre une séparation et une oxydation plus lentes à 10torr, mais seulement aprés une certaine croissance de l'oxyde. L'explication proposée est que la déformation plastique de l'oxyde est plus importante à 760torr, et cause une ouverture des vodes formés par condensation de lacunes cationiques à l'interface Fe3O4-Fe. L'oxydation est plus rapide parce qu'il y a moins de séparation pour empêcher un transfert de metal dans l'oxyde. L'oxydation initiale du fer écroui est identique aux deux pressions, car des précipitations en dehors des lacunes empêchent la nucléation des vodes; l'oxydation à 10torr se ralentit quand l'épaississement de l'oxyde dévelopee sufsamment de tension à chaud pour résister à l'écrasement sous 10torr mais non sous 760torr. Die Oxidation von kaltverformtem and von geglühtem Eisen wurde thermogravimetrisch bei500°C in O2 bei 10 and 760 Torr untersucht. Der Versuchsbeginn erfolgte teils durch schnelles Aufheizen der Proben in O2 oder durch Zulassen von Sauerstoff zu Proben, die zuvor mit Wasserstoff von Oxidschichten befreit and in Ultrahoch-Vakuum gehalten werden. Der Umfang der Oxidation war bei 10 Torr geringer als bei 760 Torr, was auf unterschiedliche Ablösung der Oxidschicht vom Metall beruhte. Die wasserstofl-reduzierten Proben zeigten starke Ablösung der Oxidschicht. Ihre Oxidationsgeschwindigkeit war entsprechend gering. Kaltverformtes Eisen zeigte bei 10 Torr Ablösung der Oxidschicht and geringe Oxidationsgeschwindigkeit, wenn die Oxidschicht dick genug geworden war. Diese Befunde werden damit erkkirt, daß bei 760 Torr eine starke plastische Deformation der Oxidschicht eintritt, wodurch die Hohlräume zusammengedrückt werden, welche sich durch Kondensation von Kationenleerstellen an der Phasen grenze Fe3O4-Fe ausbilden. Die Oxidation ist dann schnell, weil die Hohlräume den übertritt von Metall in die Oxidschicht behindern. Die Geschwindigkeit der Oxidation des kaltverformten Eisens ist bei beiden Drücken zu Versuchsbeginn die gleiche, weil die Kaltverformung zusätzliche Leerstellensenken schafft, welche die Ausbildung von Hohlräumen unterdrücken. Bei 10 Torr wird die Oxidationsgeschwindigkeit später jedoch verhältnismäßig gering, weil dann die Dicke der Oxidschicht ausreicht, um dem Gasdruck von 10 Torr genügenden Verformungswiderstand entgegenzusetzen.