腐蚀与防护-1

腐蚀与防护杨兵超分子实验室B318；电话：85168492主要参考书：《金属腐蚀与防护概论》，叶康民主编，高等教育出版社《金属腐蚀学》，蒋金勋，张佩芬，高满同主编，国防工业出版社《金属腐蚀学原理》，刘永辉，张佩芬主编，航空工业出版社《金属腐蚀与防护》，黄淑菊主编，西安交通大学出版社课程性质、目的与任务：本课程全面系统地讲述了金属腐蚀原理、各种腐蚀类型、影响因素腐蚀控制方法。具体内容包括，腐蚀热力学、腐蚀蚀动力学、析氢腐蚀和吸氧腐蚀、金属钝化、各种局部腐蚀及其产生机理、应力作用下的腐蚀、不同环境下的腐蚀、高温氧化、各种金属材料的耐蚀性以及腐蚀控制方法等。本课程的目的是将金属腐蚀与防护的原理、类型、方法等传授给学生。以达到拓宽思路、提高学生科研素质、促进理论与实践相结合的目的。教学基本要求：通过本课程学习，学生应达到下列要求：弄懂金属腐蚀原理、各种腐蚀类型、影响因素腐蚀控制方法，以及金属腐蚀的各种防护方法等。第一章绪论一、腐蚀的定义人们最早是从腐蚀产物感性地认识金属腐蚀，如棕黄色的“铁锈”[FeO(OH)或Fe2O3·H2O]绿色的“铜绿”：[CuSO4·3Cu(OH)2]分别认识铁与铜的腐蚀。腐蚀现象是普遍存在的：钢铁结构在大气中生锈，海船外壳在海水中的腐蚀，地下金属管道的穿孔，热力发电厂中锅炉的损坏，化工厂中各种金属容器的损坏，轧钢及金属热处理时氧化皮的形成等等都是金属腐蚀的例子。区别于磨损：金属表面因机械摩擦作用而引起的破坏，通常也叫做磨蚀。例如铸铁轴承被磨损即称为磨蚀，而轴承生锈则称为腐蚀。金属腐蚀；非金属腐蚀腐蚀的定义：由于材料和它所处的环境介质之间发生作用而引起材料变质、破坏和性能恶化的现象称为腐蚀。二、腐蚀与防护科学的发展1、研究目的：在于防止金属材料免遭腐蚀，延长其使用寿命。为此，就必须研究并确定金属材料与周围介质作用的普遍规律、腐蚀过程的机理和寻找在各种条件下防止金属腐蚀的方法。2、研究对象：金属和合金表面的物理化学破坏问题。3、研究内容：（1）研究和了解金属材料与环境介质作用的普遍规律。（2）研究和了解金属在各种条件下发生腐蚀的原因以及控制或防止金属腐蚀的各种措施。（3）研究和掌握金属腐蚀速度的测试方法和技术，制定腐蚀评定方法和防护措施的各种标准，发展腐蚀的现场监控技术等。腐蚀及防护这门学科．还是一门很年轻的学科，是一门内容非常广泛的综合性边缘学科，是在金属学、金属物理、物理化学、电化学、力学等学科基础上发展起来的一门综合性边缘学科。目前中国发现的最早期的青铜酒器之一铜爵（夏代）人类利用金属的历史，就是与金属腐蚀作斗争的历史。越王勾践宝剑曾侯乙编钟（战国）1960年国家科委已成立了学科组。1979年正式成立了中国腐蚀与防护学会，下设十三个专业委员会，开展了腐蚀与防护方面的各种学术活动。80年代初成立了腐蚀与防护研究所（国家重点实验室，沈阳金属研究所）三、腐蚀的危害与防护的意义1、腐蚀的危害：（1）经济损失巨大；（2）引发灾难事故；（3）延迟科学技术的发展；（4）耗费资源与能源；（5）污染生存环境。经济损失包括直接损失和间接损失◆直接损失：防护技术费用、腐蚀破坏后的维修、更换费用、劳务费用。◆间接损失：腐蚀破坏造成停工、停产；物料流失；产品污染，质量下降，设备效率降低，能耗增加；钢材浪费等。举例◆1975年美国芝加哥一个大的炼油厂一根15cm的不锈钢弯管破裂引起爆炸和火灾，停产6周，这次腐蚀事故总维修费50万美元，停产造成的税收损失高达500万美元。美国：1949年55亿美元1960～1969年150～200亿美元1975年700亿美元1982年1269亿美元2002年5520亿美元英国：1969年13.65亿英镑（27.3亿美元）中国：2002年4979亿元（占当年GDP的5%）（占当年GDP的4.2%）金属材料使用量的90%以上是钢铁，全世界现存的钢铁及金属设备大约每年腐蚀率为10%，全世界每年因腐蚀而损耗的金属达1亿吨以上，全世界每年因腐蚀损失约高于7000亿美元，一般看来，由于腐蚀所造成的经济损失约占国民经济总产值的2-4%，由此可见，金属腐蚀问题十分严重和普通。钢铁的70%大型钢铁桥梁，钢轨、车辆、贮罐、厂房等都是在易于生锈的大气中使用，据估计因大气腐蚀的金属约占总腐蚀损失量的一半以上，随着大型工程，核电站，石油与城市建设的发展，大量的油、气、水管、电缆及其它金属构件大量埋入地下，由于土壤造成的腐蚀损失也十分可观，而这些损失是往往在出现漏油、漏气、火灾、爆炸等事故时才被发现，现代海洋工程中金属使用量的80%也是钢铁，而在海洋中的钢铁腐蚀速度约十倍于大气中的腐蚀速度，随着海洋开发，海上交通，港口建设的发展，如何加强海洋腐蚀与防护问题已成为世界各国面临的重大问题，我国海沿线已长达一万八千多公里，加强腐蚀与防护问题更是十分突出。2、防护的意义现代腐蚀科学正在迅速发展，新的防腐蚀技术不断涌现，加速了我国腐蚀科学知识的普及，进一步拓展防腐蚀科学在各个领域的大量实际应用，不仅对我国现代化建设发展意义深远，而且还可大量节约国家能源，保护资源，减少污染，减少灾害隐患，提高社会，经济和环境效益的有效途径。四、腐蚀的特征：1、腐蚀是自发的，不可抗拒的，难以避免的。腐蚀是金属由亚稳态向稳定态转变的自发过程。金属腐蚀的实质是广义氧化过程。在腐蚀的过程中，体系的吉布斯自由能变化为ΔG0，因此腐蚀过程必然为自发过程。2、腐蚀多是化学、电化学过程，符合化学、电化学反应规律。3、腐蚀总是发生在金属的表面（个别发生在晶体界面）。或者说，腐蚀首先开始于金属的表面上。因此金属表面的结构、状态、性质都对腐蚀的发生、发展具有关键的作用。只有采取一定的措施，下大力气做“表面文章”，才可能在一定程度上控制金属的腐蚀。4、腐蚀的发生是有条件的（具备一定的外界条件）。只有当外界存在一定的介电物质（对于电化学腐蚀而言）或存在腐蚀介质（对于化学腐蚀而言），腐蚀才会发生。上述特征为我们研究腐蚀规律、控制腐蚀速度提供了可能。五、腐蚀的分类1、按腐蚀原理分类：（1）化学腐蚀：是金属和环境介质直接发生化学作用而产生的损坏。服从于多相反应化学动力学的基本规律。（2）电化学腐蚀：是金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的损坏。服从于电化学动力学的基本规律。（3）区别与联系：化学腐蚀：在腐蚀过程中没有电流产生。引起金属化学腐蚀的介质不能导电。例如金属在高温的空气中或氯气中的腐蚀，非电解质对金属的腐蚀等。电化学腐蚀：在腐蚀过程中有电流产生。引起电化学腐蚀的介质都能导电。例如，金属在酸、碱、盐、土壤、海水等介质中的腐蚀。电化学腐蚀与化学腐蚀的主要区别：在于它可以分解为两个相互独立而又同时进行的阴极过程和阳极过程，而化学腐蚀没有这个特点。电化学腐蚀比化学腐蚀更为常见和普遍。2、按腐蚀的形式分类：（1）均匀腐蚀：是腐蚀作用均匀地发生在整个金属表面上——化学腐蚀为主。（2）局部腐蚀：是腐蚀作用仅局限在一定的区域——电化学腐蚀为主。（3）均匀腐蚀是局部腐蚀的特例。尽管局部腐蚀的腐蚀量不大，但是由于其局部腐蚀速度很大，可造成设备的严重破坏，甚至爆炸，因此，其危害更大。局部腐蚀又可以分为：（1）斑点腐蚀腐蚀像斑点一样分布在金属表面上，所占面积较大，但不很深。（2）脓疮腐蚀金属被腐蚀破坏的情形好像人身上长的脓疮，被损坏的部分较深较大。（3）孔腐蚀(又称点腐蚀)在金属某些部分被腐蚀成为一些小而深的圆孔，有时甚至发生穿孔。(4)晶间腐蚀这种腐蚀发生在金属晶体的边缘上。金属遭受晶间腐蚀时，它的晶粒间的结合力显著减小，内部组织变得很松弛，从而机械强度大大降低。(5)穿晶粒腐蚀破坏沿最大张应力线发生的一种局部腐蚀，其特征是腐蚀可以贯穿晶粒本体，例如金属在周期地交变载荷下的腐蚀及在一定的张应力下的腐蚀。穿晶粒腐蚀通常又称为腐蚀裂并。(6)选择腐蚀多元合金中某一组分溶解到腐蚀介质中，从而造成另一组分富集在合金的表面上。黄铜的脱锌，便是选择性腐蚀的例子，此时黄铜的组分之一—锌溶解到介质中去，金属表面上富集着铜而呈红色。3、按腐蚀的环境（介质）分类：（1）大气腐蚀：腐蚀在潮湿的气体(例如空气)中进行。（2）土壤腐蚀：埋设在地下的金属构筑物（如管道、电缆等）的腐蚀，（3）在电解质溶液中的腐蚀：这是极其广泛的一类腐蚀，水及大部分水溶液对金属结构的腐蚀（例如在海水和酸、碱、盐的水溶液中所发生的腐蚀）都属于这一类。（4）在熔融盐中的腐蚀：例如在热处理车间，熔盐加热炉中的盐炉电极和所处理的金属发生的腐蚀。六、腐蚀程度的评价金属腐蚀的程度通常是用平均腐蚀速率来表示的。评定腐蚀程度的方法很多。简单介绍两种最常用的方法。1．由质量的变化来评定金属的腐蚀程度可以由样品在腐蚀前后质量的变化(减少或增加)来评定。如果根据质量的减少来测定，可以用下式来表示其腐蚀速率：腐蚀速率单位：g•m-2•h-1显然，此法只能在均匀腐蚀并能很好地清除金属表面的腐蚀产物时，才能采用。在某种情况下，如果金属表面的腐蚀产物全部附着在上面，或者即使脱落下来也能全部把它收集起来时，则腐蚀速率可以根据样品腐蚀前后的质量增加来测定，此时可用如下的关系式：2．由腐蚀深度来评定前面所述的两种方法是用质量变化来表示腐蚀速率，都没有考虑金属的密度。当两种密度不同的金属，其质量的损失相同时，若两种金属的表面积也相同，显然，这两种金属的腐蚀深度就不同，密度大的金属其腐蚀深度自然就浅—些。例如当质量损失等于1.0g•m-2•h-1时．钢、生铁和铜的样品的腐蚀深度为1.1mm•a-1，铝样品则为3.4mm•a-1(a表示年)。为了表示腐蚀前后样品尺寸的变化，用腐蚀深度未评定腐蚀速率更为适当。单位：mm•a-1