Experimental Characterization and Computer-Based Simulation of Thermodynamics and Kinetics of Corrosion of Steels at High Temperatures

This study aims to an experimental and theoretical description of three different corrosion phenomena of steels during high‐temperature exposure: (i) the effect of vanadium content during oxidation of tool steels, (ii) the grain size effect during oxidation of low‐Cr boiler steels, and (iii) the carburization of austenitic steels. The experimental part was carried out by means of thermogravimetric measurements and scanning electron microscopy observations. Computational thermodynamics investigations were carried out by performing complex equilibrium calculations of the Fe‐Cr‐V‐W‐Mo‐O‐C system using the commercial software FactSage. The kinetics of oxidation and carburization processes were accounted for by solving the diffusion differential equation numerically (finite‐difference method) taking the material's microstructure into consideration, by distinguishing between precipitation along the grain boundaries and within the grain interior as well as incorporating local thermodynamic equilibrium by means of the subroutine ChemApp, which works according to Gibbs energy minimization criteria. Experimentelle Charakterisierung und computergestützte Simulation von Thermodynamik und Kinetik der Korrosion von Stählen bei hohen Temperaturen Der vorliegende Beitrag gibt eine experimentelle und theoretische Beschreibung von drei verschiedenen Zusammenhängen bei der Korrosion von Stählen bei hohen Temperaturen: (i) der Einfluss von Vanadium auf das Oxidationsverhalten von Werkzeugstählen, (ii) der Einfluss der Korngröße auf die Oxidationskinetik von niedriglegierten Cr‐Stählen und (iii) die Aufkohlung von austenitischen Stählen. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe der kontinuierlichen Thermogravimetrie und rasterelektronenmikroskopischen Analysen der Korrosionsprodukte durchgeführt. Computergestützte thermodynamische Berechnungen wurden mit Hilfe der Software FactSage im System Fe‐Cr‐V‐W‐Mo‐O‐C durchgeführt. Die Kinetik der Oxidations‐ und Aufkohlungsprozesse konnte durch die numerische Finite‐Differenzen‐Lösung der Diffusionsdifferentialgleichung unter Berücksichtigung der Mikrostruktur des Materials realisiert werden, wobei zwischen der Diffusion entlang von Korngrenzen und innerhalb der Körner unterschieden werden kann. Lokales thermodynamisches Gleichgewicht wurde nach jedem Diffusionsschritt durch das Unterprogramm ChemApp, das auf der Minimalisierung der Gibbsschen freien Enthalpie beruht, berücksichtigt.