金属加热过程变化：氧化和脱碳

氧化和脱碳是材料科学中两个重要的概念，尤其在金属加工和热处理过程中尤为重要。

一、氧化

定义：氧化是反应物在化学反应中失电子的反应，也是物质与氧发生的化学反应。在有机物反应中，把有机物引入氧或脱去氢的作用也叫氧化。根据反应的不同，氧化可以分为缓慢氧化和剧烈氧化（如燃烧）。

特征：

• 金属在加热过程中与氧发生化学反应，生成氧化物（即氧化皮）。这种氧化皮不仅会使金属表面变色、失去光泽，还可能影响金属的机械性能。

• 氧化时，物质的氧化值升高，失去电子。

• 缓慢氧化如金属锈蚀、生物呼吸等，反应缓慢且放热但不发光。

• 剧烈氧化如燃烧，反应迅速且发光发热。

影响：

• 对于冷压力加工的钢材（如冷轧、拉丝等）以及用于镀层的钢板，氧化皮（即金属氧化物）的存在会影响制品的表面质量，增加工具的磨损。

• 在化学工业生产中，氧化反应占有重要地位，用于许多化合物的制备，如硫化铁氧化成二氧化硫再制备硫酸等。

二、脱碳

定义：脱碳是指钢及铁基合金的材料或制件的表层内的碳全部或部分失掉的现象，是钢材表面含碳量降低的一种缺陷。

形成原因：

• 钢的加热温度过高或在高温下停留时间过长时易发生脱碳。

• 钢中的碳与空气中的氧、二氧化碳和氢气反应，产生一氧化碳或甲烷，导致表层金属中的碳逃逸。

影响：

• 脱碳后的钢材强度下降并软化，对材料的性能产生不利影响。

• 对于需要淬火的钢，脱碳会使其表层的含碳量降低，导致淬火后不能发生马氏体转变或转变不完全，得不到所要求的硬度。

• 轴承钢表面脱碳后会造成淬火软点，使用时易发生接触疲劳损坏；高速工具钢表面脱碳会使红硬性下降。

脱碳层特征：

• 对于含碳的金属（如钢），加热过程中可能发生脱碳现象。即金属中的碳与氧、二氧化碳等气体反应，生成一氧化碳或甲烷等气体并逸出金属表面，导致金属表层的含碳量降低。脱碳会影响金属的力学性能和热处理效果。

• 脱碳层由于碳被氧化，其含碳量较正常组织低。

• 反映在金相组织上，其渗碳体（Fe3C）的数量较正常组织少。

• 反映在力学性能上，其强度或硬度较正常组织低。

总结：

氧化和脱碳是材料在加工和热处理过程中需要密切关注的现象。通过控制加热温度、加热时间以及采用适当的保护措施（如气体保护），可以有效减少氧化和脱碳的发生，保证材料的性能和质量。