1、第五章 金屬在各種環(huán)境中的腐蝕,第一節(jié) 金屬在大氣中的腐蝕 金屬材料或構(gòu)筑物在大氣條件下發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)引起材料的破損稱為大氣腐蝕。 1.1 大氣腐蝕的分類 主要參與大氣腐蝕過程的是氧和水氣，其次是二氧化碳。 根據(jù)金屬表面的潮濕程度的不同，把大氣腐蝕分為三類： 1）干大氣腐蝕 特點：在金屬表面不存在液膜層；在金屬表面形成不可見的保 護性氧化膜（1-10nm）和某些金屬失澤現(xiàn)象。 2）潮大氣腐蝕 特點：金屬在相對濕度小于100%的大氣中，表面存在肉眼看不見的薄的液膜層（10nm-1um）。 3）濕大氣腐蝕 特點：金屬在相對濕度大于100%，如水分以雨、霧、水等形式直接濺落在金屬表面于上，表面

2、存在肉眼可見的水膜（1um-1mm）。,大氣腐蝕速度與金屬表面水膜厚度的關(guān)系，如圖所示。腐蝕速度與水膜厚度的規(guī)律大致可劃分四個區(qū)域：,通常所說的大氣腐蝕是指在常溫下潮濕空氣中的腐蝕。 大氣腐蝕的特點：（1）主要參與是氧和水氣，其次是二氧化碳及污染氣體。 （2）是發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)共同作用。,1.2 大氣腐蝕機理,腐蝕規(guī)律符合電化學(xué)腐蝕的一般規(guī)律。 1.大氣腐蝕的電化學(xué)過程 當金屬表面形成連續(xù)的電解液薄層時，大氣腐蝕的陰極過程主要是氧去極化。 陰極過程： 陽極過程： 在薄的液膜條件下，大氣腐蝕的陽極過程受到較大阻滯，因為氧更容易到達金屬表面，生成氧化膜或氧的吸附膜，使陽極處于鈍態(tài)。陽極鈍化及金

3、屬離子化過程困難是造成陽極極化的主要原因。 當液膜增厚，相當于濕的大氣腐蝕時，氧到達金屬表面有一個擴散過程，因此腐蝕過程受氧擴散過程控制。 可見：潮的大氣腐蝕主要受陽極過程控制，而濕大氣腐蝕主要受陰極過程控制。,2.銹蝕機理,一般認為，銹層對于銹層下基體鐵的離子化將起到強氧化劑的作用。 在銹層內(nèi)陽極反應(yīng)發(fā)生在金屬/Fe2O3界面上： 可見：銹層處在潮濕條件下,銹層參與了陰極過程。,1.3 工業(yè)大氣中金屬腐蝕特點,工業(yè)大氣中的SO2、NO2 、H2S、NH3等都增加大氣的腐蝕作用，加快金屬的腐蝕速度。 多數(shù)研究認為，SO2的腐蝕作用機制是硫酸鹽穴自催化過程。 在污染的大氣中，在低于臨界濕度時，金

4、屬表面沒有水膜，金屬受到的是由于化學(xué)作用引起的腐蝕，腐蝕速度很小。當高于臨界濕度時，由于水膜的形成，發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，腐蝕速度急劇增加。,1.4 影響大氣腐蝕的因素及防蝕方法,主要討論影響大氣腐蝕的幾個主要因素：濕度、大氣成分等。 *濕度：是決定大氣腐蝕類型和速度的一個重要因素。 每種金屬都存在一個腐蝕速度開始急劇增加的濕度范圍，人們把大氣腐蝕速度開始劇增時的大氣相對濕度值稱為臨界濕度。對于鐵、鋼、銅、鋅，臨界濕度約在70-80%之間。 *大氣成分：大氣的成分很復(fù)雜，尤其S02、H2S、NaCl。 防止大氣腐蝕的方法： *提高金屬材料的耐蝕性，在碳鋼中加入Cu、Cr、Ni及稀土元素可提高其耐大

5、氣腐蝕。 *采用有機和無機涂層及金屬鍍層。 *采用氣相緩蝕劑。 *降低大氣濕度。（主要用于倉儲金屬制品的保護） *另外，合理設(shè)計構(gòu)件，防止縫隙中存水，去除金屬表面上的灰塵等都有利于防蝕。尤其要開展環(huán)境保護，減少大氣污染，這不僅有利于人民健康，而且對延長金屬材料在大氣中的使用壽命也是相當重要的。,第二節(jié) 金屬在海水中的腐蝕,2.1 海水腐蝕特點 1. 鹽類及導(dǎo)電率 2. 溶解氧 3.海水的電化學(xué)特點 2.2影響海水腐蝕的因素 鹽類 海水中溶解氧 海洋生物和腐爛的有機物 海水的溫度、流速 PH值,2.3海水中常用金屬材料的耐蝕性,金屬材料在海水中的耐蝕性差別很大，其中耐蝕性最好的是鈦合金和Cr-N

6、i合金，而鑄鐵和碳鋼耐蝕性較差。不銹鋼的均勻腐蝕速度雖然很小，但在海水中易產(chǎn)生點蝕。 常用金屬材料耐海水腐蝕性能見表：,2.4防止海水腐蝕的措施,1）研制和應(yīng)用耐海水腐蝕的材料。 如：鐵、鎳、銅及其合金，耐海水鋼。 2）陰極保護。 腐蝕最嚴重處采用護屏保護較合理，亦可采用簡易可行的犧牲陽極法。 3）涂層。 除應(yīng)用防銹油漆外，還可采用防止生物玷污的雙防油漆，對于潮汐區(qū)和飛濺區(qū)的某些固定的鋼結(jié)構(gòu)可以使用蒙乃爾合金包覆。,第三節(jié) 金屬在土壤中的腐蝕,3.1土壤腐蝕的特點 1） 土壤的特性 *土壤多相性。 土壤是由土粒、水、空氣，有機物等多種組分構(gòu)成的復(fù)雜的多相體系。 *土壤導(dǎo)電性。 由于在土壤中的水

7、分能以各種形式存在，土壤中總是或多或少地存在一定的水分，因此土壤有導(dǎo)電性。土壤也是一種電解質(zhì)。 *土壤的不均勻性。 土壤中的氧氣，有的溶解在水中，有的存在于土壤的縫隙中。土壤中氧濃度與土壤的濕度和結(jié)構(gòu)都有密切關(guān)系，氧含量在干燥砂土中最高，在潮濕的砂土中次之，而在潮濕密實的粘土中最少。這種充氣不均勻性正是造成氧濃差電池腐蝕的原因。 *土壤的酸堿性。 2）土壤腐蝕的電化學(xué)過程 大多數(shù)金屬在土壤中的腐蝕都屬于氧去極化腐蝕。金屬在土壤中的腐蝕與在電解液中的腐蝕本質(zhì)是一樣的。,3.2土壤腐蝕的幾種形式,（1）充氣不均勻引起的腐蝕. 氧的濃度差別引起的宏觀電池腐蝕。 （2）雜散電流引起的腐蝕. 由于絕緣不

8、好產(chǎn)生的雜散電流引起宏觀電池的腐蝕。 （3）微生物引起的腐蝕。,3.3防止土壤腐蝕的措施,1）采用涂料或包覆玻璃布防水。 2）采用電化學(xué)保護，多采用犧牲陽極法，陰極保護與涂料聯(lián)合使用效果更好。 3）采用金屬涂層或包覆金屬，鍍鋅層等。,第四節(jié) 金屬在工業(yè)環(huán)境中的腐蝕,4.1金屬在酸溶液中的腐蝕 氧化性酸與非氧化性酸對金屬的腐蝕情況大不相同。 非氧化性酸的特點：腐蝕的陰極過程基本上是氫去極化過程，增加溶液酸度相應(yīng)地會增加陰極反應(yīng)，并使金屬腐蝕速度增加。 氧化性酸的特點：陰極過程主要是氧化劑的還原過程引起金屬腐蝕（如硝酸根還原成亞硝酸根）。但是當氧化性酸濃度超過某一臨界值時，促使鈍化型金屬進入鈍態(tài)，

9、而抑制了腐蝕。因此酸溶液的腐蝕性一方面與酸的強弱，即氫離子的濃度有關(guān)，同時也與酸的陰離子的氧化能力有關(guān)。 1）金屬在無機酸溶液中的腐蝕 *金屬在硫酸中的腐蝕： 高濃度H2SO4是一種強氧化劑，它能使具有鈍化能力的金屬進入鈍態(tài)，低濃度的H2SO4的則沒有氧化能力，其腐蝕性很強。硫酸的腐蝕性最主要取決于溫度和濃度，氧化劑、流速等也能影響硫酸對各種材料的腐蝕性。,鐵、鉛的腐蝕速度與硫酸濃度的關(guān)系分別如圖所示：,*金屬在鹽酸中的腐蝕：,鹽酸是強酸之一。除銀、鈦等少數(shù)金屬外，大多數(shù)金屬或合金在鹽酸中都不能生成難溶的金屬鹽膜。鹽酸中的氯離子具有極強的活性，除鈦等少數(shù)鈍性優(yōu)異的金屬外，金屬表面的鈍化膜在鹽酸

10、中都因受到氯離子的破壞而發(fā)生點蝕。,*金屬在硝酸中的腐蝕：,硝酸是一種氧化性的強酸。Ag、Ni、Pb、Cu一般不耐硝酸腐蝕。 碳鋼、不銹鋼、高硅鑄鐵的腐蝕分別如下圖：,2）金屬在有機酸溶液中的腐蝕,有機酸，如甲酸、乙酸、乳酸、檸檬酸等。有機酸對金屬的腐蝕比無機酸弱，因為前者電離度很小。,4.2金屬在堿溶液中的腐蝕,堿溶液一般比酸對金屬的腐蝕性小，因為在堿液中金屬表面生成難溶的氫氧化物或氧化物而起保護作用；在堿液中的電極電位比酸溶液中的電極電位負，與金屬間的電位差小，腐蝕動力小。 *碳鋼在堿液中的腐蝕如圖所示： 堿脆-在熱堿液中，受拉應(yīng)力的碳鋼會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，即所謂的“堿脆”。堿脆與溫度、濃

11、度有關(guān)。 碳鋼和低合金鋼在氫氧化鈉水溶液中產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕破裂一般是晶間斷裂型。 產(chǎn)生堿脆的條件：最易發(fā)生堿脆的溫度是在溶液沸點附近；且易發(fā)生在活化和鈍化的過渡區(qū)。,*鑄鐵在堿液中的腐蝕 鑄鐵耐苛性堿腐蝕。鑄鐵中僅含質(zhì)量分數(shù)為2%的Ni，就可提高耐堿蝕性能，其壽命一般有幾年。 *鎳及其合金在堿液中的腐蝕 鎳及其合金對于高溫高濃度的堿耐蝕性很好，所以廣泛用于制堿業(yè)。鎳實際上適合各種濃度和溫度的堿液，其耐蝕性一般與合金含鎳量成正比。 *兩性金屬在堿液中的腐蝕 鋁、鋅、錫等兩性金屬在堿溶液中不耐蝕。鈦、鉭、鈮等在堿溶液中耐蝕性也不好。在熱堿中，鉭的耐蝕性更差。,4.3金屬在鹽類水溶液中的腐蝕,水溶液中

12、的鹽類對金屬腐蝕過程的影響有以下四點： 1）使水溶液PH值發(fā)生變化； 2）使水溶液呈氧化或還原性； 3）使溶液導(dǎo)電率增加； 4）某些鹽類的陰、陽離子對腐蝕過程起特殊作用。 在實際中，多數(shù)鹽類水溶液的影響都不是單一的，往往是幾種因素的綜合作用。,第五節(jié) 人體環(huán)境中金屬植入材料的腐蝕,植入材料是指用于制造人體內(nèi)部的人工器官、小型監(jiān)測儀器和治療裝置等植入器件，整形外科中用于修復(fù)人體所使用的材料。植入材料也稱生物醫(yī)學(xué)材料。 人體內(nèi)是一個具有高度腐蝕性的環(huán)境。 5.1人體環(huán)境特點 1）人體環(huán)境的構(gòu)成：人體環(huán)境是由體液構(gòu)成。 體液（生理液）是質(zhì)量分數(shù)約1%的NaCl、少量其他鹽類及有機化合物的充氣溶液。有

13、人說，人體環(huán)境與溫暖的海水相似。 2）人體環(huán)境的特點: 人體環(huán)境復(fù)雜，人體又是活體;人體環(huán)境的電化學(xué)特點. 3） 人體體液也是一種典型的電解質(zhì)溶液。因此電化學(xué)腐蝕的基本規(guī)律對人體環(huán)境中植入材料的腐蝕完全適用。,5.2人體環(huán)境中可能發(fā)生的腐蝕形式,人體植入材料可能發(fā)生的腐蝕形態(tài)大約有八種。 均勻腐蝕 點腐蝕 電偶腐蝕 縫隙腐蝕 磨損腐蝕 晶間腐蝕 腐蝕疲勞 5.3 常用金屬植入材料 *對人體植入材料的要求： 主要有三個方面：材料與人體的生物相容性、植入材料在人體環(huán)境中的耐腐蝕性能以及植入材料的力學(xué)性能。 *常用的金屬植入材料：醫(yī)用不銹鋼、鈷鉻鉬合金及鈦合金，及超高分子聚乙烯； 陶瓷材料（即生物陶瓷材料），目前尚不成熟。,第五章思考題,1解釋下列名詞： 大氣腐蝕、潮大氣腐蝕、濕大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、雜散電流腐蝕 2按水膜厚度大氣腐蝕可分幾類腐蝕，井說明各類腐蝕的特點。 3簡述大氣腐蝕的過程。 4鋼鐵在含