氧化膜对耐热钢有保护作用的原因

在航空、电力、冶金、化工、石油等许多行业中，很多机械或零、部件需要在高温下使用，这就要求钢在高温下具有抗蠕变能力、抗氧化能力、抗腐蚀性气体能力、足够的强度与韧性以及良好的加工、焊接性。纵观现有的钢种，其中的耐热钢就非常符合上述需求。

大多数金属多能与氧反应形成氧化物，氧化物的形成速度随温度升高而明显增加，因此高温下金属的氧化速度很快。若形成的氧化物是挥发性氧化物，那么耐金属也会不断损失。但大多数金属氧化物不容易挥发，就比如说耐热钢，使得耐热钢表面覆盖一层氧化膜，这层氧化膜会阻碍金属与氧的进一步反应，使氧化反应速度逐渐降低。

氧化膜的形成对于耐热钢来说有着很好的保护作用，这一方面与氧化膜的性质有关，氧化膜形成后，继续氧化要求氧扩散到膜/金属界面，或金属扩散到膜/气界面，反应才能继续，金属或氧在膜中的扩散一般均通过空位扩散机制进行，因此氧化物中空位缺陷越多，扩散越快，氧化速度就越快。

Al2O3和Cr2O3中的金属/氧比例接近化学计量比，氧化物中的空位很少，因此金属离子或氧离子在膜中的扩散比较困难。一旦金属表面形成一层完整的Al2O3或Cr2O3膜以后，氧化反应速度就会明显放慢，因而膜的保护性好。

另一方面也是因为耐热钢氧化膜的致密性与膜中的应力，通常来说，氧化膜的致密性由氧化膜体积与被氧化的金属体积之比值来决定，可以用PBR来表示形成氧化物以后造成的体积变化。

当然PBR>1的时候，金属转变为氧化物后体积增大，膜中产生压应力；当PBR<1的时候，金属转变为氧化物后体积减小，膜中产生张应力，不能形成连续膜；所以要求耐热钢氧化膜氧化膜体积与被氧化的金属体积之比控制在1-2之间最好，这时的压应力有利于膜的致密性。