(高清版)GB∕T 38231-2019 金屬和合金的腐蝕 金屬材料在高溫腐蝕條件下的熱循環(huán)暴露氧化試驗方法

ICS77.060GB/T38231—2019金屬和合金的腐蝕金屬材料在高溫腐蝕條件下的熱循環(huán)暴露氧化試驗方法國家市場監(jiān)督管理總局中國國家標準化管理委員會命IGB/T38231—2019本標準按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標準使用重新起草法修改采用ISO13573:2012《金屬和合金的腐蝕金屬材料在高溫腐蝕條件本標準與ISO13573:2012相比結構上存在差異，附錄A中給出了本標準與ISO13573:2012章條對照一覽表。本標準與ISO13573:2012相比存在技術性差異，這些差異涉及的條款已通過在其外側頁邊空白位置的垂直單線(|)進行了標示，附錄B給出了相應技術性差異及其原因的一覽表。本標準由中國鋼鐵工業(yè)協會提出。本標準由全國鋼標準化技術委員會(SAC/TC183)歸口。本標準起草單位：中國航發(fā)北京航空材料研究院、冶金工業(yè)信息化標準研究院。1金屬和合金的腐蝕金屬材料在高溫腐蝕條件下的熱循環(huán)暴露氧化試驗方法本標準規(guī)定了金屬材料在高溫腐蝕條件下的等溫暴露氧化試驗的設備、氣體供應、試樣、試驗過程、質量變化的計算、質量變化的分析、試驗后試樣的評價和試驗報告等內容。本標準適用于在環(huán)境溫度至高溫下的氣體環(huán)境中的金屬材料的熱循環(huán)腐蝕試驗(即循環(huán)氧化試驗)方法(每個試樣均進行一系列重復的、規(guī)則的、受控的溫度循環(huán))。進行適當調整后還可用于其他材料的測試。本標準不適用于采用極短保持時間(幾分鐘或幾秒)的試驗。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T1598鉑銠10-鉑熱電偶絲、鉑銠13-鉑熱電偶絲、鉑銠30-鉑銠6熱電偶絲GB/T9258.3涂附磨具用磨料粒度分析第3部分：微粉P240～P2500粒度組成的測定(GB/T9258.3—2017,ISO6344-3:2013,IDT)GB/T13298金屬顯微組織檢驗方法GB/T16701貴金屬、廉金屬熱電偶絲熱電動勢測量方法GB/T18036鉑銠熱電偶細絲的熱電動勢測量方法JJG141工作用貴金屬熱電偶ISO26146金屬和合金的腐蝕高溫腐蝕環(huán)境下的暴露試驗后試樣金相檢驗方法(Corrosionofmetalsandalloys—Methodformetallographturecorrosiveenvironments)3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。氧化皮scale在試樣表面因高溫腐蝕產生的表面氧化膜和腐蝕產物。冷卻后附著在試樣表面的氧化皮。剝落氧化皮spalledscale從試樣表面脫落的氧化皮。2GB/T38231—20193.4分層氧化皮delaminatedscale從表面完全或部分脫離，但仍然和試樣接觸的氧化皮?？傎|量變化grossmasschange冷卻后試樣和收集的脫落氧化皮質量之和與試驗前試樣初始質量的變化。3.6凈質量變化netmasschange冷卻后試樣質量(不包括剝落氧化皮)與試驗前試樣初始質量的變化。高溫腐蝕high-temperaturecorrosion在高于環(huán)境中液態(tài)相露點溫度(但至少100℃)時的腐蝕。3.8由生成保護性氧化皮向生成非保護性氧化皮的轉變引起的腐蝕速率的快速增加。3.9熱循環(huán)周期thermalcycle試驗過程中重復的溫度順序。一個熱循環(huán)周期包括加熱階段、加熱保持時間、冷卻時間和冷卻保持時間。4設備4.1設備設計4.1.1設備應包括能實現試樣在冷熱環(huán)境中可控和可重復地轉換的裝置。理想的加熱裝置應配備將試樣和外部空氣隔離的試驗單元(稱為封閉型系統),除非計劃的試驗不可能實現該要求。適用時，應使用濕度調節(jié)器確保供應的氣體能夠保持在特定的濕度，并采用濕度計進行監(jiān)控。氣體供應應由一個氣體流量計控制。設備還可包含加速冷卻裝置。基本設計的示例見圖1和圖2。a)水平型圖1封閉型設備的基本設計示意圖(帶有可移動試樣支架的裝置)3GB/T38231—2019說明：1——鼓風機；2——濕度調節(jié)器(電子型);3——濕度計；4——流量表；5——帶有加熱帶的加熱區(qū)域；6——試驗部分；7——加熱區(qū)；8——冷卻區(qū)；9——加熱爐；10——試樣；b)垂直型16——功率控制裝置；17——測量裝置；18——熱電偶；19——坩堝。a)水平型圖2封閉型設備的基本設計示意圖(帶有可移動爐子的裝置)4b)垂直型4——濕度調節(jié)器(電子型);6——含有非平衡氣體混合物催化劑的加熱裝置；11—試樣支架；13—功率/溫度控制裝置；14—加熱爐移動方向；4.1.2設計加熱裝置時應確保樣品室和外部環(huán)境隔離。4.1.3應確保通過試樣的氣流連續(xù)且在規(guī)定范圍內。4.1.4樣品室不應使用在測試過程中與試驗環(huán)境發(fā)生反應，以致改變試驗環(huán)境成分的材料。4.1.5若無法使用帶有樣品室的封閉試驗系統，也允許在實驗室大氣環(huán)境中進行試驗。應記錄大氣濕4.1.6在試驗前應在試驗的暴露溫度下檢驗加熱爐，確定加熱爐內均溫區(qū)的尺寸。一般采用獨立活動熱電偶的方法。4.1.7溫度調節(jié)裝置應能夠確保試樣的溫度保持在表1規(guī)定的允許偏差范圍內。爐溫可能因爐子的移動發(fā)生變化或波動(當移動試樣支架時較不顯著)。采用的控制系統應確保能夠迅速達到期望的爐內表1試樣溫度的允許偏差單位為攝氏度溫度范圍>800～1000>1000～1200溫度偏差士3士7協商確定4.1.8用于溫度控制的加熱裝置熱電偶應滿足如下要求：a)熱電偶的材料應完全能夠滿足測試溫度下的使用要求；b)在加熱裝置的熱電功率不變的前提下，推薦熱電偶絲的直徑盡可能小。5GB/T38231—20194.2溫度監(jiān)控4.2.1應采用合適的裝置測量溫度。根據GB/T1598的要求，從室溫至1700℃的溫度范圍內推薦采用S型(Pt-10%Rh/Pt)熱電偶。應在試樣表面附件放置一個熱電偶，并按4.2.2和4.2.3校準。若因環(huán)境因素導致不能在試樣表面附近放置熱電偶，應通過在惰性環(huán)境下使用空白試樣和合適的測溫方法，根據加熱爐的校準推算出試樣溫度。GB/T18306或JJG141進行。4.2.3若不能確定熱電偶的穩(wěn)定性，推薦每年使用前重新校準，或在每次試驗開始前和結束時重新校準。4.2.4熱電偶應能夠證明試樣溫度保持在表1規(guī)定的范圍內，并放置在盡可能靠近試樣的規(guī)定好的固定位置。4.2.5熱電偶絲應采用熱電偶套管進行保護。熱電偶套管應能夠在試驗溫度和試驗環(huán)境下使用。5密閉系統的氣體供應5.1氣體供應系統應能夠向樣品室以恒定速率穩(wěn)定地提供測試用氣體。時，流量計應放置在加濕器上游。5.3當使用濕度調節(jié)器時，濕度調節(jié)器應能夠將濕度調整至期望的值。除非另有規(guī)定，應使用電導率的去離子水。為防止冷凝，濕度調節(jié)器和樣品室之間的空間內的溫度應保持在露點以上。5.4當氣體被加濕后，應測試水蒸汽含量，測試方法包括在樣品室前用濕度計測量，或在排放的氣體冷凝后測試水的含量，或測量試驗期間加濕器中水的消耗量等方法。5.5在空氣中測試時，推薦采用20g/kg的比濕度(即空氣中水分的質量分數)。該比濕度即為在25℃(露點)下相對濕度100%,能夠很容易地通過25℃水浴時的鼓泡獲得。若采用其他濕度，應經相關各方的同意。5.6在冷卻階段應避免試驗氣體生成凝結相?？赏ㄟ^關閉加濕器或切換成惰性氣體實現。6.1試樣形狀應為板狀、圓片或圓柱，表面積應不小于300mm2,厚度應不小于1.5mm。若不能滿足上述要求，試樣的形狀和尺寸應符合相關各方達成的協議要求。6.2試樣表面應機械拋光，確保去除切削加工影響層。試樣表面最終拋光應使用顆粒平均直徑約為15μm的磨料，可使用符合GB/T9258.3要求的P1200的磨料。若相關方要求采用其他表面拋光方法，應規(guī)定表面拋光的條件。推薦試樣表面拋光至Ra0.1～Ra0.4。6.3試樣的尖邊可能引起反?，F象，在試樣制備的最后階段應輕微倒圓。6.4試樣表面不應有因標記、沖壓、開槽引起的變形。試樣的識別應完全基于試樣在試驗箱體內相對位置的記錄，不過允許有用于試樣支架(見圖5)的孔洞和/或基準標記。當為了支撐試樣需要在試樣上打孔時，打孔應在最后拋光或涂覆涂層前進行，并且計算試樣表面積時應考慮孔洞。6.5應采用異丙醇或乙醇超聲波清洗試樣，然后進行干燥。若試樣可能大量吸附水等環(huán)境中的污染物，推薦將清洗后的試樣在稱重和暴露試驗前存儲在干燥器中。6.6在暴露試驗前應在試樣上至少3個位置測試試樣尺寸，測量精度應為±0.02mm。6.7在暴露前應對試樣稱重。每個試樣應稱重不少于兩次，連續(xù)兩次測量的差別應不大于0.05mg。6.8推薦每次試驗均采用兩個試樣。6GB/T38231—20197試驗過程7.1試樣的支撐試樣應按如下規(guī)則支撐：a)試樣支撐材料應在試驗溫度下不發(fā)生反應。試樣和支撐物之間的接觸面積應盡可能小。b)試樣支架應能夠收集氧化皮，即使氧化皮在試驗過程中或試驗結束后的冷卻過程中剝落。c)當同時測試多個試樣時，每個試樣均應插入一個單獨的試樣支架，以確保能夠收集氧化皮(包括從每個試樣上剝落的氧化皮在內)。d)試樣支架應能夠確保試樣的主要表面不被遮擋并能與試驗氣氛接觸。e)合適的試樣支架的例子和試樣放置的基本布局見圖3～圖5。f)當可能出現試驗環(huán)境下反應物耗盡的情況時，可通過在試樣支架側面的下部區(qū)域開孔或槽的方式改善。g)當僅需要不含氧化皮的試驗質量變化數據時，允許將多個試樣放入同一個試樣支架。圖3試樣支架和試樣放置的基本布局——管式設計圖4試樣支架和試樣放置的基本布局——圓形坩堝圖5試樣支架和試樣放置的基本布局——棒支撐型設計7GB/T38231—20197.2試驗環(huán)境7.2.1氣流量應足夠高，確保不會發(fā)生嚴重的反應物耗盡現象。同時，氣流速度應足夠慢，以確保氣體混合物得到預熱，在有些情況下還應確保氣體混合物達到平衡。氣流量應足夠大，以確保試驗用氣體能夠在1h內完全替換樣品室內氣體三次以上。7.2.2在封閉型試驗系統中采用空氣試驗時，濕度應按第5章的要求控制。7.2.3在開放試驗系統的大氣環(huán)境中試驗時，應注意實驗室的濕度會根據實驗室所在地理位置和天氣條件有很大不同。這些變化可能在很大程度上影響試驗結果。在該試驗條件下，應記錄試驗時實驗室的大氣濕度。7.2.4在其他環(huán)境下測試時，應規(guī)定并測量濕度。7.3熱循環(huán)周期例子見圖6。2——加熱保持時間(T>0.97Tael);6——T=0.97Tdwe=0.97×12737——T=50℃=323K。K=1235K=962℃;圖6加熱保持時間為1000℃的熱循環(huán)周期的示例7.3.2一個熱循環(huán)周期的4個階段的含義如下：a)加熱時間：試樣開始入爐加熱至開始保持的時間；b)保溫時間：實際溫度超過預期加熱保持溫度Tawe(以開爾文為單位計量)的97%,至從加熱爐中取出試樣的時間；注：對拋物線和實際溫度循環(huán)的大量數學計算和比較顯示只有溫度接近加熱保持溫度的時間段對試樣的氧c)冷卻時間：試樣停止加熱(例如，從加熱爐中取出試樣)至試樣實際溫度降至50℃以下的時間；d)冷卻保持時間：實際溫度低于50℃至試樣被重新加熱的時間。8GB/T38231—20197.4熱循環(huán)類型和保持時間7.4.1熱循環(huán)類型工業(yè)應用中有兩大類典型的熱循環(huán)類型：a)長時熱循環(huán)：用于模擬實際應用的大規(guī)模工業(yè)設備的服役情況，如發(fā)電廠、廢品焚燒或化工行業(yè)。在上述應用情況，金屬零部件被設計成有非常長的服役期，例如一般超過100000h。計劃的工廠停工(如日常維護),或異常情況導致的意外停工，都會發(fā)生材料的熱循環(huán)。因此，與零件長的服役時間相對應，不同熱循環(huán)周期的時間間隔相對較長，循環(huán)周期數相對較小，一般大約50次。b)短時熱循環(huán)：典型應用情況包括如工業(yè)燃氣渦輪、噴氣發(fā)動機、汽車零件、熱處理設備等。與長時應用情況相比，這些設備開啟和關閉的時間間隔一般短得多。同時，設計壽命和(或)需要徹底大修/維修的時間(一般3000h～30000h)更短(取決于特定的實際應用情況),循環(huán)周期數量更多。7.4.2加熱和冷卻時間7.4.3長時試驗的標準試驗參數7.3定義的熱循環(huán)周期用于長時熱循環(huán)試驗時，出于實際情況考慮，一個試驗周期一般在24h內。因此，試驗時加熱保持時間20h,冷卻時間、冷卻保持時間和加熱時間共4h。7.3定義的加熱和冷卻時間應寫入試驗報告。7.4.4短時試驗的標準試驗參數7.3定義的熱循環(huán)周期用于短時熱循環(huán)試驗時，加熱保持時間為1h,冷卻保持時間為15min。7.3定義的加熱和冷卻時間應寫入試驗報告。為稱量試樣質量，可延長冷卻保持時間，但應盡量短。7.4.5其他保持時間若相關各方達成共識，允許采用不同于7.4.3和7.4.4規(guī)定的其他保持時間。7.5試驗總時間7.5.1為使試樣發(fā)生大量氧化，試驗總時間應確保試樣累計保溫時間至少300h。然而，為確保試驗結果更加可靠，推薦累計保溫時間延長至不少于1000h。7.5.2圖7顯示了3種不同類型的氧化行為及其最短試驗總時間。一般當對材料不再具有保護性行為時終止試驗。9GB/T38231—20192——原始保護性階段之后的氧化劇增；圖7熱循環(huán)時不同類型的氧化行為8質量變化的計算8.1通則為定義氧化動力學，需要確定試樣質量的變化。推薦每種材料采用備份試樣。當處理試樣時，建議使用鑷子，不允許赤手觸摸以免污染(油脂、鹽)。使用手套時應非常小心，因為手套上的分離物造成的污染可能導致質量測定的錯誤。若重復測試不一致，應記錄稱重環(huán)境的溫度和濕度。8.2試驗前的稱重8.2.1新使用的試樣支架應在空氣中烘干，以去除生產過程中帶來的揮發(fā)性化學物。推薦在1000℃烘干至少24h。若已使用過的試樣可能發(fā)生吸水現象，應在遠高于1000℃的條件下干燥。8.2.2應在暴露前測量試樣質量[(m+(t?)),見圖8]。每個試樣應至少分別測試兩次，精確度應不低于0.02mg。各次測量結果之間的最大差值應不超過±0.05mg。8.2.3應在暴露前測量試樣支架的質量[(ms(to)),見圖8]。每個試樣支架應至少分別測試兩次。當試樣支架質量低于20g時，精確度應不低于0.02mg,各次測量結果之間的最大差值應不超過0.05mg。當試樣支架質量不小于20g時，精確度應不低于0.1mg,各次測量結果之間的最大差值應不超過0.3mg。當僅需要試樣質量變化數據時，可不測量試樣支架的質量。GB/T38231—2019Msrmsm圖8質量確定類型I8.3中間狀態(tài)和最終質量變化的確定8.3.1當從加熱爐中取出試樣支架(含試樣)后，應將其放在稱重間15min以適應環(huán)境。試樣不應去除氧化皮，但允許采用在支撐物內部輕輕拍打試樣的方式去除試樣上附著的分層氧化皮，并確保剝落氧化皮也能收集。重新放入加熱爐進行后續(xù)試驗時，所有剝落氧化皮均應保持在試樣支架中。8.3.2當形成吸水性腐蝕產物時，應從加熱爐取出試樣后盡快稱重，或放入干燥器中在稱量前取出。8.3.3若生成大量揮發(fā)性物質時會影響質量稱量。生成揮發(fā)性物質的表現為在加熱爐中溫度較低部位形成液態(tài)或固態(tài)物質。8.3.4在中間每個狀態(tài)和最終狀態(tài)確定質量變化時，包含試樣和剝落氧化皮在內的試樣支架的質量、包含剝落氧化皮的試樣支架、試樣(含附著氧化皮)的質量都應測量，見圖8。每次測量均應測量三次，每次測量精度應不低于0.02mg,每一組測量結果的標準偏差應不大于0.05mg。8.3.5稱重時應注意防止因鑷子的機械接觸等原因導致氧化皮剝落。圖5所示的棒支撐型設計的試樣支架可解決該問題，并且可以實現確定重量變化時鑷子不和試樣直接接觸(見圖9和圖10)。Msrmsm圖9質量確定類型Ⅱ(可通過用鑷子夾住棒的方式取出試樣)msi(t)ms() m?()圖10質量確定類型Ⅱ(發(fā)生剝落時)GB/T38231—2019式中：msr(tn)——在時間點t,試樣支架和試樣的質量，單位為毫克(mg);msr(to)——試驗前試樣支架和試樣的初始質量，單位為毫克(mg)。式中：ms(tm)——在時間點t,試樣支架的質量，單位為毫克(mg);ms(to)——試驗前試樣支架的初始質量，單位為毫克(mg)?！鱩n(tn)=mr(tn)—mt(t?)………………(3)式中：m(tn)——在時間點t。試樣的質量，單位為毫克(mg);mr(t?)——試驗前試樣的初始質量，單位為毫克(mg)。式中：△m.(tn)——在時間點t。試樣的質量變化，單位為毫克(mg);8.4質量變化確定的頻率8.4.1對于長時試驗，在試驗初始階段應每個工作日測量一次質量變化，隨著時間的繼續(xù)可降低測量頻率。8.4.2對于短時試驗，應考慮測量質量變化造成的冷卻保持階段時間的延長。因此，質量變化測量次被證明是切合實際的。8.4.3推薦每次測量數據時均記錄試樣的宏觀形貌圖片。9質量變化的分析9.1試樣質量凈變化和時間的關系應畫成曲線，如圖11所示。根據高溫氧化試驗的一般用途，質量變化一般用式(5)描述。氧化速率常數k、生長指數n、保護性氧化物生長時間tpocis和對應的循環(huán)次數應列入試驗報告。上述數值的確定按下面的方法確定。GB/T38231—20191——試驗數據擬合。9.2試樣質量變化和時間的雙對數曲線可以通過斜率的變化顯示氧化行為(剝落、氧化劇增)機理的變1——線性區(qū)域；3——lg(△m/A)poteetic;4——lg(△m/A)300h;5——1g(△m/A)protetice-1g(△m/A)300h;6——lgtpotetive;7——lgt300h;8——試驗數據擬合。GB/T38231—2019 (7) (8) 說明：1——劇增行為；2——剝落行為；3——tprotective;4——△mm(t30o一tproteetive);5——△m(t1000n-tprotctive)。圖13顯示剝落行為(下方的線)和劇增行為(上面的線)的9.10參數k和n都是重要的參量，應始終同時應用，僅按其中一個參數排序是不合適的。用于評估、內推或外推質量變化數據時應同時使用兩個參數。若用于外推，應確保外推時間段內氧化行為機理未發(fā)生變化。10試驗后試樣的評價10.1宏觀評價應對試樣的宏觀拍照。10.2表面和截面金相組織觀察應對試樣的表面和截面進行金相組織分析。定量分析的詳細過程應按ISO26146進行。11試驗報告11.1試驗報告的內容應包括如下內容：a)生產商；b)材料名稱(生產商名稱；材料規(guī)范等);c)牌號或代號；d)熔煉爐號/批號；e)化學成分(分析技術);f)加工條件；g)熱處理條件；h)材料微觀組織結構和所采用的浸蝕方法(符合GB/T13298的規(guī)定)。應包括試樣的如下內容：a)試樣名稱；b)從原材料取樣情況(晶體取向，軋制方向等);c)尺寸和表面積；d)表面拋光條件；e)清洗方法；f)支撐方法；g)初始質量。應包括如下內容：a)試驗溫度和試驗過程中的最高和最低溫度[以攝氏度(℃)為單位];b)試驗周期；c)包括濕度在內的化學環(huán)境；GB/T38231—2019e)試驗腔體的體積；f)試驗氣體的體積流量；g)是開放型還是封閉型系統(根據4.1);h)采用開放型系統時的實驗室大氣濕度。試驗結果應包括如下內容：a)單位面積的總質量變化和凈質量變化[單位為毫克每平方厘米(mg/cm2)]和時間的關系圖(根據第9章)。b)氧化皮剝落量[單位為毫克每平方厘米(mg/cm2)]和時間的關系圖。c)根據10.2獲得的金相分析結果。d)試驗后的外觀圖片。e)試驗后試樣橫截面圖片(包括試驗后試樣金相部分的表面層)。選擇的放大倍數應能在一張圖片中清晰顯示總的破壞，以顯示外部腐蝕產物層的厚度。f)氧化速率k、生長規(guī)律指數n、循環(huán)次數Nprotetive、與開始剝落或劇增氧化前的線性區(qū)域終點相關聯的累計保溫時間toi(根據第9章確定),以△(1son-toocim)、△m(t10on-tprotective)。試驗報告中宜包含如下與試驗結果相關的內容：a)原材料的力學性能；b)原材料的顯微組織和取樣條件；c)試驗裝置的詳細內容。GB/T38231—2019(資料性附錄)本標準與ISO13573:2012章條對應關系表A.1給出本標準與ISO13573:2012章條對應關系。表A.1本標準與ISO13573:2012章條對應關系本標準的章編號ISO13