金屬腐蝕與防腐 緒論

1、第一章 緒論 材料腐蝕與防護基本概念 材料腐蝕與防護重要性 腐蝕速度的表示 學(xué)科的發(fā)展慨況11.1 腐蝕的基本概念 歷史悠久 古希臘Herodus和古羅馬Plinins在2000年前已提出用錫防止鐵生銹； 我國商代（3000年前）發(fā)明錫青銅；出土鐵器可見古人防蝕成就。18世紀(jì)工業(yè)發(fā)展 腐蝕與防護學(xué)科形成、發(fā)展。 普遍性 材料腐蝕司空見慣，無所不在，無時不有, 十分普遍. 材料的腐蝕與防護的重要性已成共識。 必然性 熱力學(xué)觀點，一切材料在環(huán)境作用下, 將逐漸自發(fā)地腐蝕、變質(zhì)、退化。 金屬 由元素狀態(tài)轉(zhuǎn)變成金屬化合物 (生銹)，有機/無機材料 化學(xué)變化（老化/風(fēng)化)。2春秋戰(zhàn)國18世紀(jì)19世紀(jì)20

2、世紀(jì)青銅劍、箭鏃 含鉻表面涂層大漆 防腐涂料金屬的氧化、溶解、鈍化鐵的鈍化膜形成歷程、金屬溶解的電化學(xué)本質(zhì)、腐蝕微電池特征、金屬在酸中溶解的動力學(xué)獨立學(xué)科，腐蝕歷程的基本電化學(xué)規(guī)律，腐蝕科學(xué)的基本理論：現(xiàn)代腐蝕科學(xué)37腐蝕科學(xué)的發(fā)展歷史3381748 羅蒙諾索夫1790 凱依爾1830 德.拉.里夫1833 法拉第18401881 卡楊捷爾1913金屬的氧化（質(zhì)量不滅定律推翻了“熱素”說）鐵在硝酸中的鈍化金屬腐蝕微電池電解定律腐蝕量化計算熱鍍鋅保護鋼板獲得專利金屬在酸中的溶解動力學(xué)鎳、鉻不銹鋼開始獲得實際應(yīng)用1920-伊文思瓦格納布拜腐蝕極化圖混合電位理論電位-pH圖尤里格、方坦納、阿基莫夫、

3、費魯姆金4越王勾踐寶劍5曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國）6斷 裂：強度、力學(xué)破壞、瞬間破壞磨 損：表面、力學(xué)-摩擦損壞、緩慢腐 蝕：表面、化學(xué)-力學(xué)損壞、不可再生材料失效的基本形式7礦石（穩(wěn)定）金屬（不穩(wěn)定）冶煉(能量)腐蝕（能量）自發(fā)過程能量差腐蝕驅(qū)動力8塑料發(fā)脹或開裂木頭干裂或腐爛花崗巖風(fēng)蝕水泥剝離脫落材料 + 化學(xué) + 力學(xué)腐蝕腐蝕的定義腐蝕(corrosion)源于拉丁文“corrdere”，意即“損壞”、“腐爛”20世紀(jì)60年代前，材料腐蝕的定義只局限于金屬生銹：鐵及鐵基合金生成以水合氧化鐵為主的腐蝕腐蝕的概念逐步涉及到整個材料領(lǐng)域910 廣義的腐蝕材料在服役損壞過程中，腐蝕與磨損、腐蝕與斷裂往往

4、協(xié)同進行，甚至三種損壞同時發(fā)生。廣義的腐蝕包括了腐蝕與磨損、斷裂等的協(xié)同作用，是一個交叉學(xué)科的領(lǐng)域。腐蝕的定義10 材料損傷宏觀上：材料質(zhì)量流失、強度退化微觀上：組織、結(jié)構(gòu)或價態(tài)的改變腐蝕的定義 腐蝕是材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)和物理作用產(chǎn)生的損壞或變質(zhì)現(xiàn)象。腐蝕包括化學(xué)、電化學(xué)與機械因素或生物因素的共同作用。 環(huán)境介質(zhì)：材料-環(huán)境交互作用 表面/界面現(xiàn)象 自發(fā)現(xiàn)象11三個基本要素腐蝕的對象腐蝕的性質(zhì)腐蝕的后果耐蝕性 指材料抵抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕的能力腐蝕性 指環(huán)境介質(zhì)腐蝕材料的強弱程度1213（2）普遍性純金屬最低能級狀態(tài)一般為其化合物（除Au、Pt）普遍存在的空氣和水是兩類主要腐蝕環(huán)境（O2、

5、H+）腐蝕的特點14（3）隱蔽性發(fā)展速度緩慢 不銹鋼在海水中點蝕：10年孕育期表現(xiàn)形式不易被發(fā)覺 生銹：容易觀察 應(yīng)力腐蝕斷裂：表面光亮如新內(nèi)部滿布裂紋腐蝕的特點151.2 研究腐蝕與防護的重要意義直接損失材料、構(gòu)件、設(shè)備的直接腐蝕破壞；防止腐蝕或延緩腐蝕的投入（高耐腐蝕材料、表面處理、涂覆、電化學(xué)保護、環(huán)境介質(zhì)處理等），可估算。據(jù)國際權(quán)威統(tǒng)計 -金屬年產(chǎn)量的1/3受腐蝕報廢，其中2/3尚可回爐, 即約10金屬永久腐蝕損失。全世界金屬產(chǎn)量約為10億噸，損失1億噸/年我國金屬年產(chǎn)量達(dá)1億噸，損失0.1億噸/年據(jù)權(quán)威報告 (英國Hoar報告和美國NBS報告)估計： 每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失占國民經(jīng)

6、濟總值2-4%16材料腐蝕給國民經(jīng)濟帶來巨大損失腐蝕事故危及人身安全腐蝕造成資源和能源的浪費腐蝕引起環(huán)境污染腐蝕造成的危害171 鋼鐵工業(yè)腐蝕掉大量的鋼鐵每年腐蝕：大約1020的金屬年產(chǎn)量2003年鋼產(chǎn)量世界：9.625億噸中國：2.2億噸美國：0.914億噸世界每年腐蝕掉的鋼 美國的鋼產(chǎn)量；中國一年被腐蝕掉的鋼 = 一大型鋼鐵企業(yè)年產(chǎn)量腐蝕造成的危害18鋼軌的銹蝕、磨損機車底架：側(cè)梁鉚釘頭被局部腐蝕穿透機車氣缸：氣缸套壁空泡腐蝕：9mm 5mm，甚至穿透帶來極大的事故隱患!2300萬噸 x 1 %/年 = 23萬噸/年每年使用120萬噸：1/5 被腐蝕18腐蝕造成的危害2 交通運輸： 鐵軌、

7、機車部件的腐蝕和磨蝕；飛機零部件的高溫腐蝕和應(yīng)力腐蝕；船舶在海洋環(huán)境中的腐蝕；19 海洋環(huán)境中：海水腐蝕介質(zhì)、海洋大氣腐蝕介質(zhì)、海水沖刷、 復(fù)雜波動載荷等； 船舶腐蝕：船體銹蝕、螺旋槳葉片電偶腐蝕、水線腐蝕、應(yīng)力腐蝕等。腐蝕造成的危害2021222325腐蝕造成的危害導(dǎo)電電路絕緣層硅襯底元件結(jié)構(gòu)集成電路示意及照片5 機械電子24251.3 腐蝕的分類及腐蝕形式材料腐蝕破壞局部腐蝕均勻腐蝕點腐蝕縫隙腐蝕晶間腐蝕電偶腐蝕選擇性腐蝕.無機材料腐蝕高分子材料腐蝕氧化/水解/取代溶脹/溶解應(yīng)力開裂環(huán)境老化滲透溶解生物腐蝕 表面腐蝕 內(nèi)部腐蝕化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕大氣腐蝕海水腐蝕土壤腐蝕化工腐蝕生物腐蝕高溫腐

8、蝕應(yīng)力腐蝕開裂氫致開裂腐蝕疲勞磨損腐蝕摩擦腐蝕金屬材料腐蝕26高溫腐蝕1.2%22% 全面腐蝕應(yīng)力腐蝕斷裂19%腐蝕疲勞23%11%點蝕8%晶間腐蝕6% 磨蝕2%8%其他各種腐蝕所占比例氫腐蝕及氫脆27環(huán)境 大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕、化工腐蝕狀態(tài) 干腐蝕、濕腐蝕力學(xué) 應(yīng)力腐蝕開裂、疲勞腐蝕、磨損腐蝕本質(zhì) 化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕溫度 高溫腐蝕、常溫腐蝕 28 電化學(xué)腐蝕 最普遍，金屬與導(dǎo)電介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而破壞。其特點：陰、陽反應(yīng)相對獨立，同時進行，陰、陽極區(qū)電荷傳遞，產(chǎn)生等量電流, 滿足法拉第定律。 化學(xué)腐蝕 金屬與非電介質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)反應(yīng)而破壞，有電荷轉(zhuǎn)移但不產(chǎn)生電流。MeMen+H+

9、-H2ee導(dǎo)電介質(zhì)AlAlCl4CCl4Al CCl4 AlCl4非導(dǎo)電介質(zhì)29項 目化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕介 質(zhì)干燥氣體或非電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液能量轉(zhuǎn)換化學(xué)能與機械能和熱化學(xué)能與電功過程規(guī)律化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)電極過程動力學(xué)電子傳遞反應(yīng)物直接碰撞和傳遞，測不出電流通過電子導(dǎo)體在陰、陽極上的得失，測得出電流反應(yīng)區(qū)在碰撞點上瞬時完成在相對獨立的陰、陽極區(qū)同時完成產(chǎn) 物在碰撞點直接形成一次產(chǎn)物在電極上形成，二次產(chǎn)物在一次產(chǎn)物相遇處形成30局部腐蝕：只有一部分金屬遭受腐蝕。腐蝕集中，陰、陽極區(qū)明顯可分均勻腐蝕按形態(tài)分類 全面腐蝕：金屬表面幾乎全面遭受腐蝕。陰、陽極區(qū)交替發(fā)生，不可區(qū)分不均勻腐蝕31局部腐蝕（1

10、）應(yīng)力腐蝕破裂:內(nèi)/外應(yīng)力作用腐蝕開裂，沿晶/穿晶腐蝕 開裂;（2）小孔(點腐蝕):腐蝕集中在小點位置，深部發(fā)展，可穿孔;（3）晶間腐蝕:腐蝕發(fā)生在晶粒邊界并沿晶界發(fā)展;（4）電偶腐蝕:不同電極電位金屬接觸，某金屬優(yōu)先快速腐蝕;（5）縫隙腐蝕:腐蝕選擇地發(fā)生在縫隙內(nèi)或結(jié)構(gòu)隱蔽位置;（6）選擇性腐蝕:合金中某些組分優(yōu)先溶解，如黃銅脫鋅。 （7）氫脆:H原子滲入金屬內(nèi)部，金屬變脆，應(yīng)力下發(fā)生脆裂。321.4 金屬腐蝕速度的表示法 1、失質(zhì)法：當(dāng)腐蝕產(chǎn)物易被清除時表示為 一、質(zhì)量指標(biāo)(Quality Index) V失質(zhì)指標(biāo)（g/m2h）m0試樣腐蝕前金屬的質(zhì)量（g）m1試樣發(fā)生腐蝕且清除腐蝕產(chǎn)物后

11、金屬的質(zhì)量（g）S試樣表面積（m2） t腐蝕時間（h）單位時間內(nèi)單位表面腐蝕金屬的質(zhì)量表示腐蝕速度，稱為金屬腐蝕的質(zhì)量指標(biāo)。 332 增質(zhì)法：V+增質(zhì)指標(biāo)(g/m2 h);m2帶有腐蝕產(chǎn)物時金屬的質(zhì)量（g）。增質(zhì)法的最大缺點是數(shù)據(jù)的間接性。所測得的數(shù)據(jù)包括腐蝕產(chǎn)物的質(zhì)量，通過分析腐蝕產(chǎn)物，換算有多少金屬材料本身被腐蝕。當(dāng)腐蝕產(chǎn)物復(fù)雜時，換算也較困難。34 二、 深度指標(biāo)(Depth Index) 金屬的厚度因腐蝕而減少的量，以線量單位表示，并換算成單位時間時間的數(shù)值。 L2 L1 Vt = mm/ y tVt 深度指標(biāo)的腐蝕速率，毫米/年，L1 腐蝕前深度, L2 腐蝕后深度，t 腐蝕時間。V

12、-與Vt互換： 24365 V1 = V- = 8.76 V- / (mm/y ) 1002 材料密度 (g/cm3 )35 三、 電流指標(biāo)（Electric Current Density Method) 在金屬的電化學(xué)腐蝕過程中，金屬被腐蝕的同時釋放出電子。 釋放電子數(shù)量越多，輸出的電量越多，說明金屬被溶解得越多。金屬電極輸出的電量與金屬電極的溶解量之間的定量關(guān)系用Faraday定律表示。36根據(jù)Faraday定律，當(dāng)電極通過的電量為1F(1F=96500C/mol)時，電極上參加反應(yīng)的物質(zhì)量為1mol。即當(dāng)電極通過1F的電量時，電極上陽極溶解或陰極沉積的金屬量恰為1mol。故可算出溶解的

13、金屬量：m陽極金屬溶解的金屬量(g)； I電流強度(A)； t反應(yīng)時間(s)； It電極上通過的電量(Coulomb)； M金屬的摩爾質(zhì)量。37對于全面均勻腐蝕，電密icorr=I/S，將上式代入得顯然icorr m，又因為故腐蝕深度指標(biāo)與腐蝕電密的關(guān)系為：381.5 學(xué)科概況、研究內(nèi)容及任務(wù)交叉性 綜合性 復(fù)雜性 多學(xué)科材料腐蝕科學(xué)/ 防護技術(shù)材料科學(xué)金屬學(xué)工程力學(xué)電化學(xué)高聚物計算機數(shù)理化學(xué)生物表面科學(xué)固體物理無機材料39材料腐蝕與防護學(xué)科的主要研究內(nèi)容及任務(wù)： 1研究材料在不同環(huán)境條件下腐蝕破壞的本質(zhì)機理和規(guī)律性 （1） 現(xiàn)代腐蝕電化學(xué)理論 （2） 新體系(新材料/新環(huán)境)的腐蝕行為 （3） 局部腐蝕 （4） 高溫腐蝕 （5） 表面涂覆條件下的腐蝕 （6） 研究方法2研究如何有效控制材料腐蝕破壞 （1） 高耐蝕材料研制 非晶，多相，無機，高聚物 （2） 選材，工藝和設(shè)計 （3） 電化學(xué)保護 （4） 添加劑 （5） 涂覆與襯里 （6） 環(huán)境處