材料腐蝕與防護 緒論1

金屬腐蝕與防護

corrosionandprotectionofmetals

亢淑梅

kangshumei參考書目

bibliography《材料的腐蝕與防護》曾榮昌，韓恩厚等編著，化學(xué)工業(yè)出版社《材料腐蝕學(xué)原理》肖紀(jì)美，曹楚南編著，化學(xué)工業(yè)出版社《金屬電化學(xué)腐蝕與防護》張寶宏，叢文博，楊萍編，化學(xué)工業(yè)出版社《corrosion》緒論

Introduction常見腐蝕現(xiàn)象phenomenon

生銹rust

銅綠patina

非金屬材料的腐蝕nonmetalmaterial腐蝕的危害damage

2023年1月12日45/nace/content/library/photogallery/showLarge.asp?PhotoID=145AtmosphericCorrosion6AtmosphericCorrosionofBronzeStructure,BrandenburgGate-Berlin

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7CorrosionofReinforcementofConcretePierColumns/nace/content/library/photogallery/showLarge.asp?PhotoID=145Courtesyof:CCTechnologies8CorrosionofReinforcementofConcretePavement/nace/content/library/photogallery/showLarge.asp?PhotoID=145Courtesyof:ToniA.Pfaff

9CorrosioninChemicalPlants/nace/content/library/photogallery/showLarge.asp?PhotoID=145Courtesyof:ToniA.Pfaff

10CorrosionofCrudeOilPipeline

/pnfriends/573947058.shtmlVOANews,07August2006:“ShutdownofBPOperationsinAlaskaCausesSpikeinWorldOilPrice….”/english/2006-08-07-voa75.cfm

腐蝕問題與人類社會息息相關(guān)

鍋爐供暖系統(tǒng)：氧腐蝕、CO2腐蝕、結(jié)垢、電偶腐蝕

解決措施：脫氧、緩蝕劑、氮氣養(yǎng)護

長江大橋護欄：表面涂刷油漆需定時維護，即把不再起保護作用的舊油漆層清除掉，刷上新的油漆層。于是有的大橋就常年有工人在進行刷油漆層的維護工作，從橋的這一頭起，工作到另一頭時，正好又要從這一頭開始新的維護工作。

鐵路鋼橋橋梁的主體部分是上部結(jié)構(gòu)，受到的主要是大氣腐蝕。隨著大氣環(huán)境的不同，橋梁受到的腐蝕也不同。跨海大橋受到海洋性氣體中氯離子的侵蝕、腐蝕環(huán)境最為惡劣。處于工業(yè)區(qū)和城市的橋梁，由于大氣環(huán)境很差，受到的腐蝕也很嚴(yán)重。鐵路鋼橋大多采用明橋面，列車?yán)皬U水對鐵路橋面的腐蝕產(chǎn)生最直接的影響。在過去長時期內(nèi)，蒸汽機車一直是我國鐵路貨運的主力機車，運行過程產(chǎn)生的水汽、煤氣及一氧化碳等氣體，使鐵路鋼橋的微環(huán)境更加惡劣?，F(xiàn)在蒸汽機車已逐漸被淘汰，改為以內(nèi)燃機車為主要機車，其廢氣對鋼梁的腐蝕也很不利。

古希臘早在公元前就提出了用錫來防止鐵的腐蝕。我國商代就已經(jīng)用錫來改善銅的耐蝕性而出現(xiàn)了錫青銅。

凱依爾（Keir)在1790年詳細論述了鐵在硝酸中的鈍化，從此研究金屬在各種介質(zhì)中破壞的科學(xué)才活躍起來。

哈爾（Holl）在1819年證明鐵在沒有氧的情況下是不會生銹的。

德維（Dary）在1824年證明，當(dāng)沒有氧時，海水并不對鋼起作用；在同年他又提出了用鋅保護鋼殼船的原理。

電離理論以及法拉第（Faraday）定律的出現(xiàn)對腐蝕的電化學(xué)理論的發(fā)展起到了重要的推動作用。

德·拉·李夫（DeLaRive）在1830年提出了腐蝕電化學(xué)的概念（即微電池理論），隨后能斯特定律、熱力學(xué)腐蝕圖（pH-E）等也相繼產(chǎn)生，并創(chuàng)立了電極動力學(xué)過程的理論。

到了20世紀(jì)初，腐蝕學(xué)科成為一門獨立的科學(xué)，在科學(xué)領(lǐng)域中占有一定的位置。

為了改變這種狀況，我國于1978年專門成立了腐蝕科學(xué)組并組建了腐蝕學(xué)術(shù)委員會，建立了腐蝕研究機構(gòu)（如中科院原沈陽腐蝕與防護研究所、青島海洋腐蝕研究所等），同時加快了科技人才的培養(yǎng)，加強了國際學(xué)術(shù)交流，極大地促進了我國腐蝕科學(xué)水平的提高。

我國的腐蝕科學(xué)發(fā)展較晚，與發(fā)達國家相比，我國腐蝕科學(xué)還有較大的差距。

能源與新材料、生物技術(shù)、信息技術(shù)一起構(gòu)成了文明社會的四大支柱。腐蝕是材料研究重要組成部分。一般說，材料在環(huán)境中服役時有三種基本失效形式，腐蝕是較重要一種。另兩種失效形式分別是磨損和斷裂。二、金屬腐蝕與防護的重要性

腐蝕造成的間接損失比較難統(tǒng)計，一般是直接損失的幾倍，如：我國中原油田，1993年度，管線、容器穿孔8345次，更換油管總長590km，直接經(jīng)濟損失7000多萬元，而產(chǎn)品流失、停產(chǎn)損失、效率損失和環(huán)境污染等造成的腐蝕間接損失高達兩個億。

腐蝕的重要性首先來自經(jīng)濟方面，這是腐蝕學(xué)科最初發(fā)展原動力。腐蝕給國民經(jīng)濟帶來巨大損失，估計全世界每年因腐蝕報廢的鋼鐵設(shè)備折合鋼年產(chǎn)量30％。英國1969年“Hoar”報告稱腐蝕每年給英國造成至少13.65億英鎊損失，1975年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)調(diào)查，美國每年腐蝕直接損失達700億美元。

按當(dāng)前不十分完全的統(tǒng)計，每年為腐蝕支付的直接費用已達人民幣2,000億元以上。

1998年我國因腐蝕造成的損失已達到2,800億元，約占國民生產(chǎn)總值(GNP)的4％，每年約有30％的鋼鐵因腐蝕而報廢。腐蝕嚴(yán)重的石油和化學(xué)工業(yè)的損失已達到300億元左有，化工生產(chǎn)中因腐蝕造成的事故約占總事故的11％。

美國1998年總的腐蝕損失為2,757億美元，其中直接經(jīng)濟損失為1,379億美元；日本1997年的腐蝕損失為52,580億日元，占當(dāng)年國民生產(chǎn)總值(GNP)的1.02%。

全球每年腐蝕經(jīng)濟損失約10,000億美元，占各國國民生產(chǎn)總值(GNP)的2－4％，腐蝕損失為綜合自然災(zāi)害損失，即地震、臺風(fēng)、水災(zāi)等損失總和的6倍。

腐蝕重要性的第二個領(lǐng)域來自安全和減少災(zāi)難性事故的考慮。第15屆世界石油大會綜合報告中曾提到1992年國外某煉油廠因腐蝕導(dǎo)致液化石油氣管道泄漏事故，造成6人死亡、3億美元財產(chǎn)損失的事例，更糟糕的是：精密的腐蝕監(jiān)測儀器競未能事先發(fā)現(xiàn)這個隱患；汽車、輪船、飛機許多事故也或多或少和腐蝕有關(guān)。

1986年1月28日，美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機在卡納維爾角發(fā)射升空，起飛74秒后隨著強烈爆炸聲，7位太空人，包括一名中學(xué)女教師，連同價值十幾億美元的飛船，全部葬身大西洋底。慘禍原因竟是某種合成橡膠密封圈在低溫環(huán)境下的失效(發(fā)脆、變粘是橡膠在環(huán)境作用下?lián)p傷的主要表現(xiàn)形式)。2023年1月12日20在美國西弗吉尼亞州和俄亥俄州之間的一座橋梁于1967年12月突然坍塌，當(dāng)時橋上的車輛和行人紛紛墜入河中，死亡46人。事后經(jīng)專家鑒定，發(fā)現(xiàn)鋼梁因應(yīng)力腐蝕和疲勞的聯(lián)合作用，產(chǎn)生裂縫而斷裂。在我國，1968年，威遠至成都的輸氣管道泄漏爆炸，死亡20余人。四川氣田，因閥門腐蝕破裂漏氣，造成火災(zāi)，綿延22天，損失6億元人民幣。天津某紡織廠，鍋爐因腐蝕而爆炸，鍋爐頂蓋沖破室頂，飛出數(shù)十米遠，當(dāng)場死亡10余人。2023年1月12日21某廠鹵水蒸發(fā)器一效加熱室列管使用鈦合金制造加熱管間通入溫度為127~147℃的蒸汽，使管內(nèi)鹵水加熱到115~135℃。管內(nèi)鹵水含氯化鈉280g/L左右，pH5.5~6.5。投入運行僅10個月，就有幾十根鈦管破裂穿孔。原因：鈦在大氣、海水和天然水中都具有優(yōu)異的耐蝕性能，緣于鈦的鈍化能力極強。對于常溫下的稀鹽酸（5%以下）、濕氯氣、氯化物溶液耐蝕性優(yōu)良。但即使是中性氯化物溶液，若溫度超過110℃，鈦及其合金也將發(fā)生腐蝕。

腐蝕重要性的第三個領(lǐng)域來自節(jié)約資源、能源，保護環(huán)境等方面考慮。由于腐蝕，大量得之不易的有用的材料變成廢料。由于人們無節(jié)制地開采和使用原材料，地球上的有限資源日益枯竭，與此同時，世界每90s就有1t鋼腐蝕成鐵銹。而煉制1t鋼所需的能源則可供一個家庭用3個月。

每年花費大量資源和能源生產(chǎn)的鋼鐵，有40％左右被腐蝕．而腐蝕后完全變成鐵銹不能再利用的約占10％。在我國，因為腐蝕使傳熱效率降低，每年多消耗1750萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤；排出的有害氣體也大大增加。雖然工業(yè)對環(huán)境的污染不僅僅是設(shè)備腐蝕造成的，但腐蝕確實占了很大的份額。設(shè)備和管道因腐蝕而泄漏，使有毒有害物料進入大氣、土壤和水源，既污染了環(huán)境，又是生產(chǎn)物料的浪費。為了減輕腐蝕，保護設(shè)備，使用某些涂料和緩蝕劑(如水處理中使用的鉻酸鹽、聚磷酸鹽)對環(huán)境也是有害的。

英國腐蝕學(xué)家何爾在1971年提出的腐蝕調(diào)查報告中指出，1969年英國的腐蝕損失13.65億英鎊中，如果有效使用已有的防護技術(shù)可以減少3.1億英鎊。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局在1976年發(fā)表的腐蝕調(diào)查報告中使用了“可避免損失”和“不可避免損失”的術(shù)語。前音指應(yīng)用已有的防腐蝕技術(shù)可以減少的損失。一般認為，可避免的損失在總的腐蝕損失中占1/7~1/4。例如，降低環(huán)境污染（重金屬、酸雨、顆粒物、溶雪劑等）可以起到降低腐蝕損失的作用。化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的比較

依據(jù)腐蝕機理分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。前者的特征是腐蝕產(chǎn)物生成于發(fā)生腐蝕反應(yīng)的表面，由于它覆蓋在金屬表面，使進一步腐蝕可減速進行；后者的受蝕區(qū)域是金屬表面的陽極，腐蝕產(chǎn)物常常發(fā)生在陽極與陰極之間，不能覆蓋被蝕區(qū)域，起不到保護作用。

0.1材料腐蝕的基本概念basicconcept

0.1.1材料materials

材料的定義definition

材料包括四要素，即：成分/結(jié)構(gòu)、制備、合成、性能和使用效能。其中，性能受到環(huán)境因素如氣氛、溫度、時間、受力狀態(tài)的影響，以致材料不堪使用發(fā)生失效如腐蝕、蠕變、疲勞和應(yīng)力腐蝕、磨損、輻射損傷和斷裂等。這樣的結(jié)果不但增加生產(chǎn)維修成本而且可能產(chǎn)生事故隱患，甚至帶來巨大的災(zāi)難。其中又以腐蝕的傷害最大，影響也最嚴(yán)重，因此認識并防治腐蝕，是學(xué)習(xí)材料必備的課題。0.1.2腐蝕corrosion

從熱力學(xué)觀點出發(fā)，自然界中絕大多數(shù)的物質(zhì)都有變成氧化物或是形成穩(wěn)定化合物的傾向，除了金、鉑等貴金屬外，自然界中甚少有純金屬存在。因此，從礦石或是氧化物中提煉完成所需的工程材料，例如：鐵、銅、鋁、鎂時，他們就開始有了回歸到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢，在環(huán)境許可下，他們會再度變?yōu)榻饘倩衔?，這種現(xiàn)象可認為是發(fā)生腐蝕的根本原因。這些環(huán)境因素有：水分、溫度，或是酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)。

材料腐蝕是材料受其周圍環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)和物理作用下引起失效破壞的現(xiàn)象。金屬腐蝕是金屬與周圍環(huán)境（介質(zhì)）之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞或變質(zhì)。非金屬腐蝕是非金屬材料由于在環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)、機械和物理作用下，出現(xiàn)老化、龜裂、腐爛和破壞的現(xiàn)象。0.2研究材料腐蝕的重要性importance

0.2.1腐蝕與防護歷史

corrosionandcontrolhistory

我們的祖先早就對腐蝕與防護科學(xué)技術(shù)的研究做出了卓越的貢獻。從已發(fā)掘出的春秋戰(zhàn)國時期的武器以及秦始皇時代的青銅劍和大量的箭鏃來看，有的迄今毫無銹蝕。經(jīng)鑒定，在這些箭鏃的表面上有一層含鉻的氧化物層，而基體金屬中并不含鉻。由此可見，早在兩千多年以前，我們的中華民族就創(chuàng)造了與現(xiàn)代鉻酸鹽（或重鉻酸鹽）處理相似的技術(shù)。20世紀(jì)初，由于化學(xué)工業(yè)的蓬勃發(fā)展及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突飛猛進的需要，經(jīng)過電化學(xué)、金屬學(xué)等科學(xué)家的辛勤努力，通過一系列重要而又深入的研究，確立了腐蝕歷程的基本電化學(xué)規(guī)律，形成了一門獨立的金屬腐蝕學(xué)科。特別提出的是英國科學(xué)家、現(xiàn)代腐蝕科學(xué)的奠基人埃文斯及其同事們的貢獻。他們提出了金屬腐蝕過程的電化學(xué)基本規(guī)律，發(fā)表了許多經(jīng)典性的著作。0.2.2腐蝕的危害damage

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

橋梁船舶0.2.3腐蝕理論對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意義signification

1.三峽工程

sanxiaengineering

三峽工程的安全是工程設(shè)計最重要的研究問題。三峽工程將消耗鋼材635100t。腐蝕科學(xué)家為三峽工程建設(shè)做了許多前期研究工作。1960年底，在“三峽土壤站”埋置了鋼鐵、水泥、塑料三類材料，共計8個品種、217個試件。1993年，全國土壤腐蝕試驗網(wǎng)站6個單位對埋置的試件進行挖掘、現(xiàn)場測試和實驗室分析研究，獲得了多種材料土壤腐蝕的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果。這些研究成果為三峽工程腐蝕設(shè)計提供了非常寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。腐蝕科學(xué)家們還為三峽工程防腐蝕施工提出了許多科學(xué)的指導(dǎo)性建議。2.西氣東輸工程與腐蝕

West-EastGasTransmissionProject

管道的安全性同樣也是一個非常重要的問題，日益受到人們的重視。隨著管道的大量鋪設(shè)和運行時間延長，管道事故時有發(fā)生。造成管道失效的原因很多，劃分為五大類：（1）機械損傷；（2）腐蝕；（3）焊接和材料缺陷；（4）設(shè)備和操作；（5）其它原因。總體看來，國外造成大多數(shù)天然氣管道失效的主要原因是機械損傷、腐蝕及焊接和材料缺陷，其中機械損傷是造成歐美天然氣管道失效的主要原因，在加拿大和前蘇聯(lián)，腐蝕是管道失效的主要原因。0.2.4腐蝕耗竭了寶貴的資源和能源

resourceandenergysourcesexhausted

每年由于腐蝕而報廢的金屬設(shè)備和材料相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的10%-40%。我國目前年產(chǎn)鋼以1億t計，則因腐蝕消耗掉的鋼材近1千萬t。0.2.5腐蝕引起環(huán)境污染environmentpollution0.3材料的腐蝕控制corrosioncontrol

根據(jù)使用的環(huán)境，正確地選用金屬材料或非金屬材料。對產(chǎn)品進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計，以減少產(chǎn)品在加工