1、2020/7/12,金屬腐蝕與防護Metal Corrosion and Protection,主講：李又綠 （）,2020/7/12,2.金屬腐蝕的定義及分類,2.1 金屬腐蝕的定義 2.2 金屬發(fā)生腐蝕的特點 2.3 金屬腐蝕的分類 2.4 金屬腐蝕速度的表示方法,2020/7/12,狹義：腐蝕是材料受環(huán)境介質(zhì)的化學作用而破壞現(xiàn)象。 廣義： 任何材料(金屬或非金屬材料)受到周圍環(huán)境因素(如濕氣、水、化工大氣、電解液、有機溶劑、酸、堿等)的作用引起破壞或變質(zhì)的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為“腐蝕”。,腐蝕的定義,2.1 金屬腐蝕的定義,2020/7/12,金屬腐蝕 是指金屬與周圍環(huán)境（介質(zhì)）發(fā)生化學反應、電化

2、學反應或物理溶解作用而導致金屬損壞。 這個定義明確指出了金屬腐蝕是包括金屬材料和環(huán)境介質(zhì)兩者在內(nèi)的一個具有反應作用的體系。,2.1 金屬腐蝕的定義,2020/7/12,金屬及其合金的腐蝕主要是化學和電化學作用引起的破壞，有時伴隨有機械、物理或生物作用。單純的物理作用的破壞，如合金在液態(tài)金屬中的物理溶解（存放熔融鋅的鋼容器，F(xiàn)e在高溫下被液態(tài)鋅溶解，使容器壁變薄），這種情況比較少。 不包含化學變化的純機械破壞不屬于腐蝕范疇，例如鋼索斷裂、機器軸的損壞等 ，這是材料本身性能的失效。,2.1 金屬腐蝕的定義,2020/7/12,WHY？ 從熱力學的觀點看，是因為金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)，它有與周圍介質(zhì)發(fā)生

3、作用轉(zhuǎn)變成金屬離子的傾向。,金屬為什么很容易受腐蝕？,2020/7/12,2 金屬腐蝕的定義及分類,2.1 金屬腐蝕的定義 2.2 金屬發(fā)生腐蝕的特點 2.3 金屬腐蝕的分類 2.4 金屬腐蝕速度的表示方法,2020/7/12,2.2 金屬發(fā)生腐蝕的特點,1）破壞總是從金屬表面逐漸向內(nèi)部深入。 因金屬腐蝕的過程發(fā)生在金屬與介質(zhì)面上的多相反應。 2）金屬在發(fā)生腐蝕過程時，一般也同時發(fā)生外貌變化。 如潰瘍斑，小孔，表面有腐蝕產(chǎn)物，金屬材料變薄等。 3）金屬的機械性能，組織結構發(fā)生變化。 如金屬變脆，強度降低，金屬組織結構發(fā)生相變等。 4）金屬還沒有腐蝕到嚴重的程度，已足以造成設備事故或損壞,202

4、0/7/12,2 金屬腐蝕基本原理,2.1 金屬腐蝕的定義 2.2 金屬發(fā)生腐蝕的特點 2.3 金屬腐蝕的分類 2.4 金屬腐蝕速度的表示方法,2020/7/12,2.3 金屬腐蝕的分類,2.3.1 按腐蝕形態(tài)分類 2.3.2 按腐蝕環(huán)境分類 2.3.3 按腐蝕機理分類 2.3.4 其他（材料、部位、應用場合、防護方法）,2020/7/12,2.3.1 按腐蝕形態(tài)分類,點蝕 pitting,電偶腐蝕 galvanic corrosion,氫腐蝕 hydrogen corossion,應力腐蝕開裂 stress corrosion cracking,晶間腐蝕 intergranular corr

5、osion,選擇性腐蝕 selective leaching,局部腐蝕 （ localized corrosion ）,全面腐蝕 （general corrosion）,2020/7/12,全面腐蝕（general corrosion）,全面腐蝕是指腐蝕發(fā)生在整個金屬表面，但各點的腐蝕速率不一定相同。如果各處的腐蝕速率相同，則為均勻腐蝕，否則就為不均勻腐蝕。碳鋼在強酸、強堿中發(fā)生的腐蝕屬于全面腐蝕。,2020/7/12,全面腐蝕（general corrosion）,均勻腐蝕的程度可以用腐蝕率來表示。 常用兩種單位：一是單位時間內(nèi)、單位表面積上損失的質(zhì)量，以/(2)計； 另一是單位時間內(nèi)腐蝕的

6、平均厚度，以/計。 由厚度腐蝕率可以估算設備的預期壽命，應用得更為廣泛。,若知道了腐蝕的速度，即可推知材料的使用壽命，并在設計時將此因素考慮進去。,2020/7/12,局部腐蝕（localized corrosion）,腐蝕主要集中在金屬表面某一區(qū)域，而表面的其他部分幾乎未被破壞。,(1) 點蝕 (2) 電偶腐蝕 (3) 脫層腐蝕 (4) 晶間腐蝕 (5) 選擇性腐蝕,(6) 磨損腐蝕 (7) 應力腐蝕開裂 (8) 腐蝕疲勞 (9) 氫腐蝕 (10) 縫隙腐蝕,2020/7/12,（1） 點蝕,腐蝕集中于金屬表面的很小范圍內(nèi)，并深入到金屬內(nèi)部的孔狀腐蝕形態(tài)。 一種高度局部的腐蝕形態(tài)。（也叫孔蝕

7、） 通常其腐蝕深度大于其孔徑，嚴重時可使金屬穿孔。 如：不銹鋼在含有氯離子的溶液中常呈現(xiàn)這種破壞形式。,2020/7/12,鋁的點蝕坑成長的電化學機構示意圖,（1）點蝕,點蝕系數(shù)：蝕孔最大深度/平均腐蝕深度,易于生成燉化膜的金屬材料表面容易發(fā)生深的點蝕（如不銹鋼、鋁） 點腐蝕發(fā)生于有特殊離子的介質(zhì)中。 點腐蝕發(fā)生在某一臨界電位以上,特 征,2020/7/12,兩種或兩種以上不同電極電位的金屬處于腐蝕介質(zhì)內(nèi)相互接觸而引起的電化學腐蝕 又稱接觸腐蝕或雙金屬腐蝕。,（2）電偶腐蝕 galvanic corrosion,2020/7/12,發(fā)生電偶腐蝕時,電極電位較負的金屬通常會加速腐蝕,而電極電位較

8、正的金屬的腐蝕則會減慢。 如不銹鋼和碳鋼的連接處，碳鋼在介質(zhì)中做為陽極而被腐蝕。,（2）電偶腐蝕 galvanic corrosion,2020/7/12,（3） 脫層腐蝕,在金屬層狀結構層與層之間產(chǎn)生腐蝕，先垂直向內(nèi)發(fā)展，然后改變方向，有選擇地腐蝕與表面平行的物質(zhì)。（剝蝕） 腐蝕產(chǎn)物的膨脹力使未腐蝕的表層成層狀脫離。,鋁的脫層腐蝕,2020/7/12,（4）晶間腐蝕,晶間腐蝕是發(fā)生在金屬或合金晶間處的一種選擇性腐蝕。腐蝕沿晶粒邊界向內(nèi)發(fā)展，外表沒有腐蝕跡象，但晶界沉積有腐蝕產(chǎn)物 由金相顯微鏡可看到晶界呈現(xiàn)網(wǎng)狀腐蝕。,2020/7/12,（4） 晶間腐蝕,晶間腐蝕是晶界在一定條件下產(chǎn)生化學和組

9、織的變化導致耐蝕性降低而引起的。（溫度、成分、腐蝕溶液等） 奧氏體不銹鋼的晶間貧鉻引起的晶間腐蝕在工業(yè)中較為常見。,2020/7/12,工業(yè)合金有不同成分和雜質(zhì),具有不同的結構,耐蝕性也有差別。在一定溶液中,有些活性組分溶出,剩下疏松的不活潑組分,強度和延性完全喪失。 黃銅脫鋅：鋅溶人溶液，黃銅表面覆蓋一層疏松的紅色薄膜。實際上銅也溶解，但其后又沉積在合金表面上。除均勻的層狀脫鋅外，還有局部的塞狀脫鋅。,（5） 選擇性腐蝕,2020/7/12,灰鑄鐵的石墨化： 鐵腐蝕浸出，剩下石墨網(wǎng)狀體，嚴重失去強度。 球墨或延展性鑄鐵因為不存在殘余物聯(lián)系在一起的網(wǎng)狀結構，所以不產(chǎn)主石墨化。,（5） 選擇性腐

10、蝕,2020/7/12,（6）磨損腐蝕,沖擊腐蝕 空泡腐蝕 摩振腐蝕,2020/7/12,（6）磨損腐蝕,沖擊腐蝕 沖擊腐蝕是磨損腐蝕的主要形態(tài)。簡稱沖蝕。,磨損腐蝕,2020/7/12,（6） 磨損腐蝕,沖擊腐蝕 沖擊腐蝕多發(fā)生在流體改變方向的部位，如彎頭、三通、旋風分離器、容器內(nèi)以及入口管相對的部位。 防止沖擊腐蝕可以選用耐磨損較好的材料, 也可改進設計、改變環(huán)境、或用涂層和陰極保護等。,發(fā)生沖蝕的彎頭圖,未發(fā)生沖蝕的彎頭,2020/7/12,（6 ） 磨損腐蝕,空泡腐蝕 空泡腐蝕簡稱空蝕或氣蝕,是磨損腐蝕的一種特殊形態(tài)。 泵葉輪和水力透平機等常產(chǎn)生空蝕。,2020/7/12,（6） 磨損

11、腐蝕,空泡腐蝕,空泡腐蝕各步驟示意圖,防止空蝕可改進設計，以減少流程中流體動壓差，也可選用較耐空蝕的材料或精磨表面。用彈性保護層(塑料或橡膠)或陰極保護也有效。,2020/7/12,（6） 磨損腐蝕, 摩振腐蝕 是指承受載荷、互相接觸的兩表面由于振動和滑動(反復的相對運動)引起的破壞,也稱微動腐蝕。,2020/7/12,（6） 磨損腐蝕, 摩振腐蝕 最常見的例子是滾珠軸承與軸之間,也發(fā)生在引擎、機車部件、螺栓連接的部件等處。 防護方法可在接觸表面涂潤滑油脂,如果表面同時磷化更有效。還可選用硬質(zhì)合金,如冷加工以提高表面硬度等。,2020/7/12,（7） 應力腐蝕開裂,合金在腐蝕和一定方向的拉應

12、力同時作用下產(chǎn)生破裂,稱為SCC 裂縫形態(tài)有兩種:沿晶界發(fā)展,稱晶間開裂；縫穿過晶粒,稱穿晶開裂,也有混合型。 是最危險的腐蝕形態(tài)之一,可引起突發(fā)性事故。,2020/7/12,（7） 應力腐蝕開裂,輸氣,2020/7/12,（7） 應力腐蝕開裂,防止應力腐蝕的方法: 進行熱處理以消除部件的應力; 改進設計結構,避免應力集中于局部 設計中選用的載荷應低于產(chǎn)生應力腐蝕的臨界值; 表面用噴丸處理產(chǎn)生壓應力; 采用電化學保護、涂料、或緩蝕劑,2020/7/12,（8） 腐蝕疲勞,腐蝕和交變應力共同作用引起的疲勞破裂。,埋地管道,2020/7/12,（8） 腐蝕疲勞,防止方法: (1) 改進設計或進行熱

13、處理以消除和減小拉應； (2) 表面噴丸處理產(chǎn)生壓應力； (3) 電鍍鋅、鉻、鎳等(但電鍍時注意鍍層中不可產(chǎn)生拉應力,也不可有氫滲入) ； (4) 也可用緩蝕劑和陰極保護。,2020/7/12,（9）氫腐蝕,(1) 氫鼓泡 (2) 氫脆,2020/7/12,（9） 氫腐蝕,(1) 氫鼓泡 對低強度鋼，特別是含大量非金屬夾雜時溶液中產(chǎn)生的氫原子很容易擴散到金屬內(nèi)部。 當環(huán)境中含有硫化物、氰化物、含磷離子等阻止放氫反應的毒素時，進入鋼內(nèi)結合成分子，使鋼表面產(chǎn)生鼓泡。,2020/7/12,（9） 氫腐蝕,氫鼓泡防止方法 除去毒素（硫化物、氰化物、磷離子等）最有效 可選用無空穴的鎮(zhèn)靜鋼代替沸騰鋼 采用

14、氫不易滲透的奧氏體不銹鋼或鎳的襯里(或橡膠、塑料、瓷磚村里),2020/7/12,（9） 氫腐蝕,(2) 氫脆 金屬由于吸收了原子氫而使其性質(zhì)變脆的現(xiàn)象叫氫脆。 如鋼中的BiPbSAs都能促進氫脆. 在高強鋼中晶格高度變形，當進入后,晶格應變更大，使韌性及延展性降低，導致脆化，在外力下可引起破裂。 一般鋼強度越高，氫脆破裂的敏感性越大。（機理還不十分清楚，有各種理論。）,2020/7/12,（9） 氫腐蝕,氫脆防止方法： 在未破裂前氫脆是可逆的，如進行適當?shù)臒?處理，使氫逸出,金屬可恢復原性能。 在容易發(fā)生氫脆的環(huán)境中,避免使用高強鋼，可用、合金鋼； 焊接時采用低氫焊條，保持環(huán)境干燥(水是氫的

15、主要來源)； 電鍍液要選擇,控制電流； 酸洗液中加入緩蝕劑。 氫已進入金屬后，可進行低溫烘烤驅(qū)氫，如鋼一般在90150脫氫。,2020/7/12,（10） 縫隙腐蝕,縫隙腐蝕是孔蝕的一種特殊形態(tài) 發(fā)生在縫隙內(nèi)(如焊、鉚縫、墊片或沉積物下面的縫隙) 破壞形態(tài)為溝縫狀,嚴重的可穿透。,2020/7/12,初期階段,（10） 縫隙腐蝕,縫隙腐蝕常有一段較長的孕育期。當縫內(nèi)p值下降到臨界值后，與孔蝕相似，產(chǎn)生加速腐蝕。,一般在含Cl-溶液中最易發(fā)生 有效的防止方法是消除縫隙,2020/7/12,思考： 應力腐蝕開裂、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、氫脆及種腐蝕的異與同？,？,2020/7/12,2.3 金屬腐蝕的

16、分類,2.3.1 按腐蝕形態(tài)分類 2.3.2 按腐蝕環(huán)境分類 2.3.3 按腐蝕機理分類 2.3.4 其他（材料、部位、應用場合、防護方法）,2020/7/12,2.3.2 按腐蝕環(huán)境分類,金屬在露點以上的常溫干燥氣體中的腐蝕； 生成很薄的表面產(chǎn)物，使金屬失去光澤； 屬于化學腐蝕范疇,金屬在高溫氣體中腐蝕； 在金屬表面有時生成一層很薄的氧化皮； 氧化皮在熱應力和機械應力的作用下可能剝落，屬于高溫腐蝕。,如Al在CCl4和CHCl3中的腐蝕。,如Al在乙醇中，Mg在Ti在甲醇中的腐蝕。,2020/7/12,2.3 金屬腐蝕的分類,2.3.1 按腐蝕形態(tài)分類 2.3.2 按腐蝕環(huán)境分類 2.3.3

17、 按腐蝕機理分類 2.3.4 其他（材料、部位、應用場合、防護方法）,2020/7/12,2.3.3 按腐蝕機理分類,(1) 化學腐蝕 (2) 電化學腐蝕 (3) 物理腐蝕,2020/7/12,(1) 化學腐蝕,金屬的化學腐蝕是指金屬表面與非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學作用而引起的破壞。 化學腐蝕是在一定的條件下，非電解質(zhì)中的氧化劑直接與金屬表面的原子相互作用，即氧化還原反應是在反應粒子相互作用的瞬間于碰撞的那一個反應點上完成的。 在化學腐蝕過程中，電子的傳遞是在金屬與氧化劑之間直接進行的，因而沒有電流產(chǎn)生。,2020/7/12,純化學腐蝕的情況不多，主要為金屬在無水的有機液體和氣體中腐蝕以及在干燥氣

18、體中的腐蝕（無電解液）。 化學腐蝕可分為兩種： 氣體腐蝕：一般指金屬在干燥氣體中發(fā)生的腐蝕。例如，用氧氣切割和焊接管道時在金屬表面上產(chǎn)生的氧化皮。 在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕：例如金屬在某些有機液體（如苯、汽油）中的腐蝕。,(1) 化學腐蝕,2020/7/12,過去，普遍的觀點認為，金屬的高溫氧化屬典型的化學腐蝕。但在1952年，瓦格納（C.Wangner）根據(jù)氧化膜的近代觀點提出，不再將高溫氧化視為單純的化學腐蝕。 在高溫氣體中金屬的氧化最初雖然是通過化學反應，但后來，膜的成長過程則屬于電化學機理。（有了離子的遷移）,(1) 化學腐蝕,2020/7/12,(2) 電化學腐蝕,電化學腐蝕是指金屬與

19、電解質(zhì)發(fā)生電化學反應而產(chǎn)生的破壞。 在腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。電化學腐蝕的過程至少包括有一個陽極反應和一個陰極反應，并與流過金屬內(nèi)部的電子流和介質(zhì)中定向遷移的離子聯(lián)系在一起。 陽極反應是金屬原子從金屬轉(zhuǎn)移到介質(zhì)中并放出電子的過程，即氧化過程。 陰極反應是介質(zhì)中的氧化劑奪取電子發(fā)生還原反應的還原過程。,2020/7/12,例如，碳鋼在酸中腐蝕時，在陽極區(qū)Fe被氧化成Fe2+，所放出的電子自陽極（Fe）流至鋼表面的陰極區(qū)（如Fe3C）上，與H+作用而還原成氫氣，即,陽極反應：FeFe2+2e 陰極反應：2H+2e H2 總反應：Fe+2H+ Fe2+H2 ,（2） 電化學腐蝕,2020/7/12,電

20、化學腐蝕的特點,介質(zhì)為離子導電的電解質(zhì)。 金屬/電解質(zhì)界面反應過程是因電荷轉(zhuǎn)移而引起的電化學過程，必須包括電子和離子在界面上的轉(zhuǎn)移。 界面上的電化學過程可以分為兩個相互獨立的氧化和還原過程，金屬/電解質(zhì)界面上伴隨電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生的化學反應稱為電極反應。 電化學腐蝕過程伴隨電子的流動，即電流的產(chǎn)生。,2020/7/12,綜上所述，電化學腐蝕實際上是一個短路的原電池反應的結果，這種原電池又稱為腐蝕原電池。油氣管道和儲罐在潮濕的大氣中、海水中、土壤中以及油氣田的污水、注水系統(tǒng)等環(huán)境中的腐蝕均屬此類。 腐蝕原電池與一般原電池的差別僅在于原電池是把化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽饔杏霉?，而腐蝕原電池則只能導致材料的破壞

21、，不對外界作有用功。,（2）電化學腐蝕,2020/7/12,當管、罐金屬表面受到外界的交、直流雜散電流的干擾，產(chǎn)生電解電池的作用時，腐蝕金屬電極的陽極溶解，即發(fā)生所謂的雜散電流腐蝕。電解池的正極進行陽極反應，負極進行陰極反應，其電極的正、負極性與腐蝕原電池相反。 故電化學反應是借助于原電池和電解池進行的。電化學腐蝕較普遍和常見，是油氣田設備及管道腐蝕的主要類型。,（2）電化學腐蝕,2020/7/12,條件 現(xiàn)象 本質(zhì) 聯(lián)系,化學腐蝕與電化學腐蝕的區(qū)別,電化學腐蝕,化學腐蝕,兩種腐蝕往往同時發(fā)生，只是電化學腐蝕比化學腐蝕要普遍得多,2020/7/12,（3）物理腐蝕,物理腐蝕是指金屬由于單純的物

22、理溶解作用而引起的破壞。熔融金屬中的腐蝕就是固態(tài)金屬與熔融金屬（如鉛、鋅、鈉、汞等）相接觸引起的金屬溶解或開裂。 這種腐蝕不是由于化學反應，而是由于物理溶解作用，形成合金，或液態(tài)金屬滲入晶間造成的。 熱浸鋅用的鐵鍋，由于液態(tài)鋅的溶解作用，可使鐵鍋腐蝕。,2020/7/12,2.3 金屬腐蝕的分類,2.3.1 按腐蝕形態(tài)分類 2.3.2 按腐蝕環(huán)境分類 2.3.3 按腐蝕機理分類 2.3.4 其他分類（材料、部位、應用場合、防護方法） （課后了解部分）,2020/7/12,2 金屬腐蝕的定義及分類,2.1 金屬腐蝕的定義 2.2 金屬發(fā)生腐蝕的特點 2.3 金屬腐蝕的分類 2.4 金屬腐蝕速度的

23、表示方法,2020/7/12,2.4 金屬腐蝕速度的表示方法,2.4.1 均勻腐蝕腐蝕速度的腐蝕速度 2.4.2 局部腐蝕的腐蝕速度 2.4.3 腐蝕評價標準,2020/7/12,2.4.1 均勻腐蝕的腐蝕速度,金屬遭受腐蝕后，其質(zhì)量、厚度、機械性能、組織結構、電極過程都會變化，這些物理性能和力學性能的變化率可用來表示金屬腐蝕的程度。 在均勻腐蝕的情況下通常采用質(zhì)量指標、深度指標和電流指標來表示。,2020/7/12,1) 質(zhì)量指標,單位時間內(nèi)金屬單位表面積損耗金屬的質(zhì)量。 失重表示法 損耗的質(zhì)量是指腐蝕前的質(zhì)量與消除了腐蝕產(chǎn)物后的質(zhì)量之間的差值。,2020/7/12,增重表示法 損耗的質(zhì)量指

24、腐蝕后帶有腐蝕產(chǎn)物時的質(zhì)量與腐蝕前的質(zhì)量之差。,1） 質(zhì)量指標,2020/7/12,方法選用： 可根據(jù)腐蝕產(chǎn)物容易去除或完全牢固地附著在試件表面的情況來選取失重或增重表示法 一般均用失重表示腐蝕速度 但如腐蝕產(chǎn)物不易消除或牢固附著在金屬的表面，亦有用增重表示的。,1）質(zhì)量指標,2020/7/12,根據(jù)我國選定的非國際單位制的時間單位除了上面所用的小時（h）外，還有天，符號為 d（day）；年，符號為 a（annual）。 因此，以質(zhì)量變化表示的腐蝕速度的單位還有 kgm2a，g/dm2d，gcm2h和mg/ dm2d。有些文獻上用英文縮寫mdd代表mg/ dm2d，用gmd代表g/m2d。,1

25、）質(zhì)量指標,2020/7/12,如果確切地知道腐蝕產(chǎn)物的組成和分子式，即可對對v失、v增進行換算。 例如：已知Zn在空氣中加熱氧化后的腐蝕產(chǎn)物是ZnO時 Zn+1/2O2=ZnO Zn的腐蝕質(zhì)量指標，分別為v失、v增。顯然，在v增中的質(zhì)量增加部分是氧的質(zhì)量，在v失中的質(zhì)量減小部分是鋅的質(zhì)量。 以AO、AZn分別表示氧和鋅的相對原子質(zhì)量，以no、nZn分別表示氧和鋅的物質(zhì)的量（mol）。那么根據(jù)腐蝕產(chǎn)物ZnO的分子式，其nonZn =11。,1）質(zhì)量指標,2020/7/12,因此可得出下列比例式：,將上式除以下式，即得：,帶有腐蝕產(chǎn)物的質(zhì)量,1） 質(zhì)量指標,2020/7/12,當金屬的腐蝕產(chǎn)物是MxOy時，其關系式為：,1） 質(zhì)量指標,2020/7/12,2) 深度指標,衡量不同密度的金屬腐蝕程度時，腐蝕深度比質(zhì)量更適用,結合質(zhì)量指標的含義，則單位時間內(nèi)單位面積耗損金屬的厚度v1 為：,h為深度,已知：,(mm/a),2020/7/12,常用腐蝕率單位的換算因子,2）深度指標,2020/7/12,3) 電流指標,腐蝕的標志是陽極的溶解。即腐蝕速度與腐蝕電流密度成正比。因此可用腐蝕電流密度表示金屬的電化學腐蝕速度。 可通過法拉第定律把電流指標和質(zhì)量指標聯(lián)系起來。,法