Published November 14, 2016 | Version v1
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Study of breakaway oxidation of 304 L steel: mechanisms and the effect of cold work

Description

To ensure good resistance to high temperature oxidation, the oxide scales formed on stainless steels should remain thin, rich in chromium and adherent to the metallic substrate. When operating in severe conditions (aggressive atmospheres or high temperatures), breakaway oxidation happens. It is characterized by the destabilization of the Cr-rich oxide scale and the quick growth of non-protective Fe-rich oxide nodules. This study focuses on the different mechanisms leading to the loss of the protectiveness of the oxide scale, the growth of the iron oxides, and the formation of internal oxidation zones. The microstructure and the composition of the oxides were characterized with conventional techniques together with Raman spectroscopy, TEM and EBSD mappings. A mechanism for the formation of the affected oxidation zone, relying on the formation of a healing oxide layer (Cr2O3 or FeCr2O4) along the grain boundaries of the underlying metal, is proposed. The results also show that a tensile deformation of steel prior to oxidation improves its durability by promoting the formation of a protective duplex oxide scale in the early stages of oxidation. When starting, breakaway oxidation remains localized while for as-received austenitic stainless steel 304L samples, a protective regime is never reached at 850 deg. C. (author)

Abstract (French)

Pour assurer une bonne resistance a l'oxydation a haute temperature, les couches d'oxydes thermiques formee sur les aciers inoxydables, doivent rester fines, riches en chrome et adherentes a leur substrat metallique. Lorsque les aciers inoxydables sont soumis a des conditions severes de temperature ou d'atmosphere, l'oxydation catastrophique entraine la croissance rapide de nodules d'oxydes de fer non protecteurs au detriment de la couche d'oxyde riche en Cr. Cette etude s'est interessee aux differents mecanismes mis en jeu dans la perte du caractere protecteur des couches d'oxydes, dans le developpement des nodules d'oxydes de fer, ainsi que dans la formation de zones d'oxydation interne. L'etude de la morphologie et de la composition des oxydes formes a l'aide de cartographie spectrale Raman ainsi que de cartographies MET et EBSD ont permis de proposer un mecanisme de formation de la zone affectee par l'oxydation, qui repose en partie sur l'evolution de la composition d'une couche d'oxyde 'bordure' (Cr2O3 ou FeCr2O4) qui se forme le long des joints de grains du metal sous-jacent lors de l'oxydation. Cette etude a egalement demontre qu'une pre-deformation de l'acier avant oxydation ameliore sa durabilite en favorisant la formation d'une couche protectrice des les premiers instants de l'oxydation. Lorsqu'elle survient, l'oxydation catastrophique reste localisee alors que sans pre-deformation du substrat un regime protecteur n'est jamais atteint a 850 deg. C pour l'acier austenitique 304L. (auteur)

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Original title (French)
Etude de l'oxydation catastrophique de l'acier 304L: mecanismes et effet d'une pre-deformation

Publishing Information

Imprint Pagination
177 p.
Report number
FRNC-TH--11382

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Notes
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