High Temperature Corroaion and Protection of Materials 7 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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作者:Steinmetz, Pierre (EDT)/ Wright, Ian G. (EDT)/ Galerie, Alain (EDT)/ Monceau, Daniel (EDT)/ Mathieu,

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价格:440

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isbn号码:9780878493661

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• 高温腐蚀
• 材料保护
• 耐高温材料
• 腐蚀防护
• 材料科学
• 工程材料
• 高温环境
• 腐蚀机理
• 涂层技术
• 金属材料

高性能材料的温度腐蚀与防护 前言 在工业生产和尖端科技领域，材料在高温环境下的稳定性与耐久性是决定系统可靠性、效率乃至安全的关键因素。从航空航天发动机的燃烧室到核反应堆的核心部件，从化工装置的反应器到能源转换设备的涡轮叶片，几乎所有涉及高温运行的设备都面临着严峻的高温腐蚀挑战。这种腐蚀不仅会削弱材料的机械性能，导致设备失效，还会产生安全隐患，并带来巨大的经济损失。因此，深入理解高温腐蚀的机理，开发有效的防护策略，对于推动相关行业的发展至关重要。 《高性能材料的温度腐蚀与防护》一书，汇集了众多在该领域具有深厚造诣的专家学者的最新研究成果和深刻见解，旨在为读者提供一个全面、深入的知识体系，涵盖了高温腐蚀的各个方面，从基础的腐蚀机理到先进的防护技术，再到前沿的材料设计理念。本书不仅仅是对现有知识的梳理，更重要的是，它积极探索新的研究方向，预测未来发展趋势，为材料科学家、工程师以及相关领域的学生提供宝贵的参考。 第一章：高温腐蚀的基础理论 本章首先对高温腐蚀的基本概念和分类进行了清晰的界定。我们将深入探讨高温氧化、硫化、渗碳、渗氮等主要腐蚀形式的发生机理，分析环境组分、温度、压力、流速等因素对腐蚀速率和腐蚀产物形态的影响。气体-固体反应动力学是理解腐蚀过程的核心，因此本章详细介绍了扩散控制、反应动力学控制等模型，并结合实际案例，展示如何利用实验数据进行动力学分析。此外，腐蚀产物的微观结构、相组成以及它们与基体材料的界面行为，对于评估材料的抗腐蚀性能至关重要。我们将审视各种表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等在高温腐蚀产物分析中的应用。 第二章：影响高温腐蚀的关键因素 本章将聚焦于影响高温腐蚀的各种因素，并进行详细的阐述。 环境因素： 氧气浓度与气氛组成： 纯氧、富氧、贫氧以及含有惰性气体的气氛对材料氧化行为的影响差异显著。高氧分压通常会加速氧化，但有时也会形成致密的保护性氧化层。 水蒸气： 水蒸气不仅可能作为氧化剂参与反应，还可能与氧化产物发生水解，破坏保护性氧化膜的完整性，例如在高温下，水蒸气对不锈钢的氧化腐蚀会产生显著影响。 硫化物： 硫对许多高温合金，特别是镍基合金，具有极强的腐蚀性。硫原子能够穿透氧化膜，在金属内部形成低熔点的硫化物，显著降低材料的熔点和高温强度，导致“热脆”现象。我们还将讨论硫源，如SO2、H2S以及燃料中的硫杂质。 氯化物： 氯化物，特别是挥发性氯化物，在高温下具有极强的侵蚀性。它们能够与氧化膜中的金属离子形成氯化物，这些氯化物通常具有较高的蒸汽压，易于挥发，从而不断移除保护性氧化层，加速基体材料的腐蚀。本章将详细探讨氯化物腐蚀的机理，以及其在海水盐雾、工业废气等环境中的表现。 碳化物： 在碳气氛中，特别是存在碳的化学势较高时，材料会发生渗碳。渗碳可能导致材料硬度增加，但同时也会降低材料的韧性和延展性，并可能形成易于腐蚀的碳化物。 氮化物： 在含氮气氛中，材料会发生渗氮。与渗碳类似，渗氮也会影响材料的力学性能，并且可能形成不稳定的氮化物。 熔盐： 熔盐腐蚀是另一个重要的议题，特别是在太阳能热发电、熔盐核反应堆以及一些化工过程中。熔盐，如硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐等，能够溶解氧化物，并直接与金属发生氧化还原反应，腐蚀速率通常很高。本章将分析不同类型熔盐的腐蚀行为。 温度因素： 温度对反应速率的影响： 根据阿伦尼乌斯方程，温度的升高会显著加速化学反应速率，包括氧化、扩散等过程。 相变与物性变化： 温度的变化可能导致材料发生相变，改变其晶体结构和力学性能。同时，材料的导电性、导热性等物理性质也会随温度变化，进而影响电化学腐蚀和热扩散过程。 腐蚀产物的热稳定性： 某些腐蚀产物在高温下可能分解、熔化或挥发，失去保护作用。例如，低熔点的氧化物或硫化物会严重损害材料的抗腐蚀能力。 热应力： 显著的温度梯度会在材料内部产生热应力，这些应力可能导致材料开裂，破坏保护性氧化层，从而加剧腐蚀。 材料因素： 合金元素： 不同合金元素的种类、含量及其与基体材料的相互作用，对材料的高温抗氧化、抗硫化、抗渗碳等性能有着决定性的影响。例如，铬、铝、硅等元素能够形成稳定的氧化物保护层；镍、钴则具有较好的高温强度和抗氧化性。 微观结构： 材料的晶粒尺寸、晶界状态、第二相析出物等微观结构特征，会影响杂质原子的扩散路径和扩散速率，进而影响腐蚀行为。例如，晶界腐蚀是许多高温腐蚀的重要形式。 表面状态： 材料表面的粗糙度、是否存在缺陷（如裂纹、夹杂物）、以及表面预处理的方式，都会影响初始氧化层的形成和后续的腐蚀进程。 复合材料： 陶瓷基复合材料（CMCs）和金属基复合材料（MMCs）在高温应用中展现出独特的优势。本章将探讨复合材料的界面反应、基体/增强体协同效应以及它们在高温腐蚀环境中的失效模式。 应力因素： 应力腐蚀开裂（SCC）： 材料在同时受到拉应力和腐蚀介质作用下发生的开裂现象。高温环境下的SCC，尤其是高温高压水环境中的SCC，是核能和火电行业面临的重大挑战。 蠕变-腐蚀协同作用： 材料在高温和应力作用下发生蠕变，同时受到腐蚀介质的侵蚀，两者协同作用会加速材料的失效。例如，氧化膨胀或收缩可能诱发裂纹，腐蚀产物进入裂纹会进一步加速裂纹扩展。 热疲劳： 频繁的温度循环会导致材料产生热应力，累积的热应力可能引发热疲劳裂纹，从而暴露材料于腐蚀介质，加速腐蚀。 第三章：高温材料的腐蚀行为与失效分析 本章将系统性地分析各种典型的高温材料在高腐蚀环境下的行为。 金属材料： 钢铁： 从普通碳钢到不锈钢，以及各类合金钢，我们将详细分析它们在高氧化、硫化、渗碳等环境下的腐蚀机理、腐蚀速率以及失效模式。特别关注不锈钢在高温含硫、含氯环境下的“应力腐蚀开裂”问题。 镍基合金： 作为航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料，镍基合金在高热、高应力、腐蚀性气氛（如燃气）下的腐蚀行为是重点。我们将深入探讨其氧化、硫化、熔盐腐蚀以及热腐蚀的机理，并分析合金元素（如Cr, Al, Mo, W, Co, Nb, Ti, Re等）的作用。 钴基合金： 与镍基合金类似，钴基合金也广泛应用于高温部件，本章将对比分析其与镍基合金在不同腐蚀环境下的性能差异。 贵金属及其合金： 如铂、铑等，在某些特殊高温腐蚀环境下展现出优异的性能，本章将探讨其应用局限与发展。 铝合金与钛合金： 虽然常用于中温环境，但在某些特定高温应用中，其腐蚀行为也值得关注。 陶瓷材料： 氧化物陶瓷： 如氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、氧化镁（MgO）等，它们通常具有优异的耐高温氧化性能，但在高温含酸、含碱、熔盐等环境中可能发生溶解或反应。 碳化物陶瓷： 如碳化硅（SiC）、碳化钨（WC）、碳化硼（B4C）等，具有优异的高温强度和硬度，但可能与某些气氛发生反应。例如，SiC在高温氧化下会生成 SiO2，其保护性能力受温度和气氛影响。 氮化物陶瓷： 如氮化硅（Si3N4）、氮化铝（AlN）等，具有良好的高温性能，但可能在某些强还原性或含特定元素的介质中发生腐蚀。 陶瓷基复合材料（CMCs）： CMCs将增强相（如SiC纤维）与基体（如SiC、Al2O3）结合，展现出更高的韧性和抗热冲击性能。本章将重点分析CMCs在高温腐蚀环境下的失效机制，包括界面反应、纤维/基体侵蚀、涂层失效等。 高温涂层： 热障涂层（TBCs）： 主要应用于航空发动机涡轮叶片，用于隔绝高温气体，降低基材温度，提高发动机效率。本章将深入分析TBCs的材料体系（如YSZ、Gd2Zr2O7等）、结构设计、热腐蚀行为以及失效模式，并探讨新型TBCs材料的研究进展。 耐高温腐蚀涂层： 包括各种合金涂层、陶瓷涂层、复合涂层等，用于保护金属基材免受高温腐蚀。我们将分析不同涂层体系的防护机理，如形成致密氧化层、牺牲阳极保护等。 失效分析方法： 宏观与微观观察： 对腐蚀失效样品进行宏观形貌观察，以及利用SEM、EDS等手段进行微观形貌和元素分布分析。 物相分析： 利用XRD、TEM等手段确定腐蚀产物的物相组成，分析腐蚀过程中发生的相变。 力学性能测试： 在模拟或实际腐蚀条件下，进行高温拉伸、蠕变、疲劳等力学性能测试，评估腐蚀对材料力学性能的影响。 电化学测试： 在高温介质中，利用电化学技术（如极化曲线、阻抗谱）评估材料的腐蚀电化学行为。 第四章：高温腐蚀的防护技术 本章将系统性地介绍和评估当前和未来可能的高温腐蚀防护技术。 材料选择与合金设计： 合金化策略： 针对不同的腐蚀环境，通过添加 Cr, Al, Si, Ni, Co, Mo, W, Re 等元素，优化合金的组织和性能，使其形成稳定、致密的氧化层或硫化物层，抑制腐蚀的发生。 弥散强化： 在高温合金中引入弥散分布的稳定相（如Y2O3, ThO2等），能够改善氧化膜的附着力，抑制晶界氧化。 纳米材料的应用： 探索纳米材料在高温合金中的应用，以改善其高温强度和抗氧化性。 计算材料学与相图计算： 利用计算工具预测材料在高温环境下的相稳定性、热力学性质和动力学行为，辅助新合金的设计。 表面改性技术： 热喷涂技术： 如等离子喷涂、HVOF（高速火焰喷涂）等，用于制备金属、陶瓷、陶瓷-金属复合涂层，提高材料表面的耐腐蚀性能。 化学气相沉积（CVD）与物理气相沉积（PVD）： 用于制备高质量、致密的耐高温腐蚀涂层，如CrN, Al2O3, SiC等。 渗层技术： 如渗铬、渗铝、渗硅等，通过在材料表面形成富含特定元素的渗层，提高其抗高温氧化和硫化能力。 激光熔覆： 利用激光将合金粉末熔化并沉积在基材表面，形成具有良好冶金结合的耐高温腐蚀层。 电火花沉积（EDD）： 一种微纳尺度的表面强化技术，用于改善材料表面的耐磨和耐腐蚀性能。 功能性涂层与多层结构： 热障涂层（TBCs）： 如前所述，TBCs是重要的功能性涂层，用于隔热和抗高温腐蚀。 耐熔盐腐蚀涂层： 针对熔盐环境，开发具有高熔点、低溶解度、能够与熔盐形成稳定钝化层的涂层。 抗硫化涂层： 重点在于抑制硫的扩散，形成阻止硫进入金属基体的屏障。 多层复合涂层： 将不同功能的涂层组合起来，如结合氧化层、阻挡层、隔热层等，以实现更全面的防护效果。 环境控制与优化： 气氛控制： 在某些关键设备中，通过控制操作气氛，例如降低氧气和硫化物含量，来减缓腐蚀速率。 添加剂的应用： 在工作介质中添加缓蚀剂，以降低腐蚀速率。但高温下的缓蚀剂研究相对较少，仍是研究热点。 清洁燃料的应用： 减少燃料中硫、钒等腐蚀性元素的含量，是减轻腐蚀的重要手段。 新材料与新技术的探索： 高熵合金： 具有多主元、高熵效应、低晶格畸变能等特点，在高温腐蚀方面展现出巨大的潜力。 金属基复合材料（MMCs）： 结合了金属的韧性和陶瓷的耐高温性，其界面行为是研究的关键。 碳基材料： 如石墨烯、碳纳米管等在高温腐蚀防护中的潜在应用。 智能涂层： 能够根据环境变化自我修复或改变性能的涂层。 第五章：高温腐蚀的模拟与预测 本章将介绍用于研究和预测高温腐蚀行为的各种方法。 实验室模拟试验： 高温炉： 用于模拟不同气氛（氧化、硫化、渗碳、渗氮、含盐等）和温度下的腐蚀行为。 腐蚀试验箱： 模拟复杂环境，如高温高湿、高温含盐雾等。 旋转挂样装置： 模拟流体介质中的腐蚀，研究流速、湍流对腐蚀的影响。 蠕变-腐蚀试验： 同时施加高温、应力和腐蚀介质，研究协同作用下的材料性能衰减。 热循环试验： 模拟温度变化带来的热应力和热疲劳，以及其与腐蚀的协同效应。 计算模拟方法： 热力学计算： 如 CALPHAD 方法，预测材料在高温下的相平衡和热力学稳定性。 动力学模拟： 如有限元方法（FEM），模拟腐蚀过程中物质的扩散、反应和应力分布。 第一性原理计算： 如密度泛函理论（DFT），研究原子尺度上的反应机理、键合性质和材料表面行为。 机器学习与人工智能： 利用大数据分析，建立腐蚀预测模型，预测材料在复杂环境下的腐蚀行为，以及优化合金设计和防护策略。 腐蚀预测模型： 基于物理模型的预测： 结合腐蚀动力学、扩散理论等，建立数学模型预测腐蚀速率和寿命。 基于经验的预测： 基于大量的实验数据，建立统计模型和回归方程进行腐蚀预测。 混合模型： 结合物理模型和经验模型，提高预测的准确性。 结论与展望 本书的最后一章将总结本书的主要内容，并对高温材料的温度腐蚀与防护领域的未来发展方向进行展望。我们将强调跨学科合作的重要性，以及新材料、新工艺、新理论在推动该领域进步中的作用。随着科技的不断发展，对材料在极端高温环境下的性能要求将越来越高，因此，对高温腐蚀的深入研究和高效防护技术的开发，将永远是材料科学与工程领域的重要课题。 《高性能材料的温度腐蚀与防护》 旨在成为一本权威的参考书籍，为所有致力于克服高温腐蚀挑战的科研人员和工程师提供坚实的理论基础和实用的技术指导，共同推动高性能材料在更广阔、更严酷的应用领域取得突破。

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