金属腐蚀与防护课件 第一章 绪论

金属腐蚀与防护（2011-2012学年)1第一章绪论•材料腐蚀与防护基本概念•材料腐蚀与防护重要性•腐蚀速度的表示•学科的发展慨况金属腐蚀与防护（2011-2012学年)2§1.1腐蚀的基本概念•历史悠久—古希腊Herodus和古罗马Plinins在2000年前已提出用锡防止铁生锈；我国商代（3000年前）发明锡青铜；出土铁器可见古人防蚀成就。18世纪工业发展—腐蚀与防护学科形成、发展。•普遍性—材料腐蚀司空见惯，无所不在，无时不有,十分普遍.材料的腐蚀与防护的重要性已成共识。•必然性—热力学观点，一切材料在环境作用下,将逐渐自发地腐蚀、变质、退化。金属—由元素状态转变成金属化合物(生锈)，有机/无机材料—化学变化（老化/风化…)。金属腐蚀与防护（2011-2012学年)3春秋战国18世纪19世纪20世纪青铜剑、箭镞——含铬表面涂层大漆——防腐涂料金属的氧化、溶解、钝化铁的钝化膜形成历程、金属溶解的电化学本质、腐蚀微电池特征、金属在酸中溶解的动力学独立学科，腐蚀历程的基本电化学规律，腐蚀科学的基本理论：现代腐蚀科学37腐蚀科学的发展历史金属腐蚀与防护（2011-2012学年)4381748罗蒙诺索夫1790凯依尔1830德.拉.里夫1833法拉第18401881卡杨捷尔1913金属的氧化（质量不灭定律—推翻了“热素”说）铁在硝酸中的钝化金属腐蚀微电池电解定律——腐蚀量化计算热镀锌保护钢板获得专利金属在酸中的溶解动力学镍、铬不锈钢开始获得实际应用1920-伊文思瓦格纳布拜腐蚀极化图混合电位理论电位-pH图尤里格、方坦纳、阿基莫夫、费鲁姆金……金属腐蚀与防护（2011-2012学年)5越王勾践宝剑金属腐蚀与防护（2011-2012学年)6曾侯乙编钟（战国）金属腐蚀与防护（2011-2012学年)7断裂：强度、力学破坏、瞬间破坏磨损：表面、力学-摩擦损坏、缓慢腐蚀：表面、化学-力学损坏、不可再生材料失效的基本形式金属腐蚀与防护（2011-2012学年)8矿石（稳定）金属（不稳定）冶炼(＋能量)腐蚀（－能量）自发过程能量差＝腐蚀驱动力金属腐蚀与防护（2011-2012学年)9塑料发胀或开裂木头干裂或腐烂花岗岩风蚀水泥剥离脱落材料+化学+力学腐蚀腐蚀的定义腐蚀(corrosion)源于拉丁文“corrdere”，意即“损坏”、“腐烂”20世纪60年代前，材料腐蚀的定义只局限于金属生锈：铁及铁基合金生成以水合氧化铁为主的腐蚀腐蚀的概念逐步涉及到整个材料领域金属腐蚀与防护（2011-2012学年)1010•广义的腐蚀材料在服役损坏过程中，腐蚀与磨损、腐蚀与断裂往往协同进行，甚至三种损坏同时发生。广义的腐蚀包括了腐蚀与磨损、断裂等的协同作用，是一个交叉学科的领域。腐蚀的定义金属腐蚀与防护（2011-2012学年)11•材料损伤宏观上：材料质量流失、强度退化微观上：组织、结构或价态的改变腐蚀的定义★腐蚀是材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产生的损坏或变质现象。腐蚀包括化学、电化学与机械因素或生物因素的共同作用。•环境介质：材料-环境交互作用•表面/界面现象•自发现象金属腐蚀与防护（2011-2012学年)12三个基本要素腐蚀的对象腐蚀的性质腐蚀的后果◆耐蚀性指材料抵抗环境介质腐蚀的能力◆腐蚀性指环境介质腐蚀材料的强弱程度金属腐蚀与防护（2011-2012学年)13金属腐蚀与防护（2011-2012学年)14（2）普遍性纯金属最低能级状态一般为其化合物（除Au、Pt）普遍存在的空气和水是两类主要腐蚀环境（O2、H+）腐蚀的特点金属腐蚀与防护（2011-2012学年)15（3）隐蔽性发展速度缓慢•不锈钢在海水中点蚀：10年孕育期表现形式不易被发觉•生锈：容易观察•应力腐蚀断裂：表面光亮如新内部满布裂纹腐蚀的特点金属腐蚀与防护（2011-2012学年)16§1.2研究腐蚀与防护的重要意义•直接损失•材料、构件、设备的直接腐蚀破坏；防止腐蚀或延缓腐蚀的投入（高耐腐蚀材料、表面处理、涂覆、电化学保护、环境介质处理等），可估算。•据国际权威统计-金属年产量的1/3受腐蚀报废，其中2/3尚可回炉,即约10％金属永久腐蚀损失。•全世界金属产量约为10亿吨，损失1亿吨/年•我国金属年产量达1亿吨，损失0.1亿吨/年•据权威报告(英国Hoar报告和美国NBS报告)估计：每年因腐蚀造成的经济损失占国民经济总值2-4%金属腐蚀与防护（2011-2012学年)17材料腐蚀给国民经济带来巨大损失腐蚀事故危及人身安全腐蚀造成资源和能源的浪费腐蚀引起环境污染腐蚀造成的危害金属腐蚀与防护（2011-2012学年)181钢铁工业－腐蚀掉大量的钢铁每年腐蚀：大约10～20％的金属年产量2003年钢产量世界：9.625亿吨中国：2.2亿吨美国：0.914亿吨世界每年腐蚀掉的钢美国的钢产量；中国一年被腐蚀掉的钢=一大型钢铁企业年产量腐蚀造成的危害金属腐蚀与防护（2011-2012学年)19••••钢轨的锈蚀、磨损机车底架：侧梁铆钉头被局部腐蚀穿透机车气缸：气缸套壁空泡腐蚀：9mm5mm，甚至穿透……带来极大的事故隐患!2300万吨x1%/年=23万吨/年每年使用120万吨：1/5被腐蚀18腐蚀造成的危害2交通运输：铁轨、机车部件的腐蚀和磨蚀；飞机零部件的高温腐蚀和应力腐蚀；船舶在海洋环境中的腐蚀；金属腐蚀与防护（2011-2012学年)20•海洋环境中：海水腐蚀介质、海洋大气腐蚀介质、海水冲刷、复杂波动载荷等；•船舶腐蚀：船体锈蚀、螺旋桨叶片电偶腐蚀、水线腐蚀、应力腐蚀等。腐蚀造成的危害金属腐蚀与防护（2011-2012学年)21金属腐蚀与防护（2011-2012学年)22金属腐蚀与防护（2011-2012学年)23金属腐蚀与防护（2011-2012学年)2425腐蚀造成的危害导电电路绝缘层硅衬底元件结构集成电路示意及照片5机械电子金属腐蚀与防护（2011-2012学年)25金属腐蚀与防护（2011-2012学年)26§1.3腐蚀的分类及腐蚀形式材料腐蚀破坏局部腐蚀均匀腐蚀点腐蚀缝隙腐蚀晶间腐蚀电偶腐蚀选择性腐蚀….无机材料腐蚀高分子材料腐蚀氧化/水解/取代溶胀/溶解应力开裂环境老化渗透溶解生物腐蚀表面腐蚀内部腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀大气腐蚀海水腐蚀土壤腐蚀化工腐蚀生物腐蚀高温腐蚀应力腐蚀开裂氢致开裂腐蚀疲劳磨损腐蚀摩擦腐蚀金属材料腐蚀金属腐蚀与防护（2011-2012学年)27高温腐蚀1.2%22%全面腐蚀应力腐蚀断裂19%腐蚀疲劳23%11%点蚀8%晶间腐蚀6%磨蚀2%8%其他各种腐蚀所占比例氢腐蚀及氢脆金属腐蚀与防护（2011-2012学年)28•环境－大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀、化工腐蚀•状态－干腐蚀、湿腐蚀•力学－应力腐蚀开裂、疲劳腐蚀、磨损腐蚀•本质－化学腐蚀、电化学腐蚀•温度－高温腐蚀、常温腐蚀金属腐蚀与防护（2011-2012学年)29•电化学腐蚀－最普遍，金属与导电介质发生电化学作用而破坏。其特点：阴、阳反应相对独立，同时进行，阴、阳极区电荷传递，产生等量电流,满足法拉第定律。•化学腐蚀－金属与非电介质直接发生纯化学反应而破坏，有电荷转移但不产生电流。MeMen+H+-H2ee导电介质AlAlCl4CCl4Al＋CCl4AlCl4非导电介质金属腐蚀与防护（2011-2012学年)30项目化学腐蚀电化学腐蚀介质干燥气体或非电解质溶液电解质溶液能量转换化学能与机械能和热化学能与电功过程规律化学反应动力学电极过程动力学电子传递反应物直接碰撞和传递，测不出电流通过电子导体在阴、阳极上的得失，测得出电流反应区在碰撞点上瞬时完成在相对独立的阴、阳极区同时完成产物在碰撞点直接形成一次产物在电极上形成，二次产物在一次产物相遇处形成金属腐蚀与防护（2011-2012学年)31局部腐蚀：只有一部分金属遭受腐蚀。腐蚀集中，阴、阳极区明显可分均匀腐蚀按形态分类全面腐蚀：金属表面几乎全面遭受腐蚀。阴、阳极区交替发生，不可区分不均匀腐蚀金属腐蚀与防护（2011-2012学年)32局部腐蚀（1）应力腐蚀破裂:内/外应力作用腐蚀开裂，沿晶/穿晶腐蚀开裂;（2）小孔(点腐蚀):腐蚀集中在小点位置，深部发展，可穿孔;（3）晶间腐蚀:腐蚀发生在晶粒边界并沿晶界发展;（4）电偶腐蚀:不同电极电位金属接触，某金属优先快速腐蚀;（5）缝隙腐蚀:腐蚀选择地发生在缝隙内或结构隐蔽位置;（6）选择性腐蚀:合金中某些组分优先溶解，如黄铜脱锌。（7）氢脆:H原子渗入金属内部，金属变脆，应力下发生脆裂。金属腐蚀与防护（2011-2012学年)33§1.4金属腐蚀速度的表示法1、失质法：当腐蚀产物易被清除时表示为一、质量指标(QualityIndex)StmmV10•V－失质指标（g/m2·h）•m0－试样腐蚀前金属的质量（g）•m1－试样发生腐蚀且清除腐蚀产物后金属的质量（g）•S－试样表面积（m2）•t－腐蚀时间（h）单位时间内单位表面腐蚀金属的质量表示腐蚀速度，称为金属腐蚀的质量指标。金属腐蚀与防护（2011-2012学年)34•2增质法：•V+－增质指标(g/m2·h);•m2－带有腐蚀产物时金属的质量（g）。•增质法的最大缺点是数据的间接性。所测得的数据包括腐蚀产物的质量，通过分析腐蚀产物，换算有多少金属材料本身被腐蚀。当腐蚀产物复杂时，换算也较困难。StmmV02金属腐蚀与防护（2011-2012学年)35二、深度指标(DepthIndex)金属的厚度因腐蚀而减少的量，以线量单位表示，并换算成单位时间时间的数值。L2－L1Vt=————mm/yt•Vt—深度指标的腐蚀速率，毫米/年，•L1—腐蚀前深度,•L2—腐蚀后深度，•t—腐蚀时间。V-与Vt互换：24×365V1=V-×————=8.76×V-/(mm/y)1002×•－材料密度(g/cm3)金属腐蚀与防护（2011-2012学年)36三、电流指标（ElectricCurrentDensityMethod)•在金属的电化学腐蚀过程中，金属被腐蚀的同时释放出电子。•释放电子数量越多，输出的电量越多，说明金属被溶解得越多。•金属电极输出的电量与金属电极的溶解量之间的定量关系用Faraday定律表示。金属腐蚀与防护（2011-2012学年)37•根据Faraday定律，当电极通过的电量为1F(1F=96500C/mol)时，电极上参加反应的物质量为1mol。即当电极通过1F的电量时，电极上阳极溶解或阴极沉积的金属量恰为1mol。故可算出溶解的金属量：MItmzF•Δm－阳极金属溶解的金属量(g)；•I－电流强度(A)；t－反应时间(s)；•It－电极上通过的电量(Coulomb)；•M－金属的摩尔质量。金属腐蚀与防护（2011-2012学年)38StmVcorrMVizFtcorrmMViStzFcorrImizFSMSt对于全面均匀腐蚀，电密icorr=I/S，将上式代入得显然icorr∝Δm，又因为故腐蚀深度指标与腐蚀电密的关系为：金属腐蚀与防护（2011-2012学年)39§1.5学科概况、研究内容及任务交叉性综合性复杂性多学科材料腐蚀科学/防护技术金属腐蚀与防护（2011-2012学年)40材料腐蚀与防护学科的主要研究内容及任务：1．研究材料在不同环境条件下腐蚀破坏的本质机理和规律性（1）现代腐蚀电化学理论（2）新体系(新材料/新环境)的腐蚀行为（3）局部腐蚀（4）高温腐蚀（5）表面涂覆条件下的腐蚀（6）研究方法2．研究如何有效控制材料腐蚀破坏（1）高耐蚀材料研制—非晶，多相，无机，高聚物……（2）选材，工艺和设计（3）电化学保护（4）添加剂（5）涂覆与衬里（6）环境处理金属腐蚀与防护（2011-2012学年)41参考书籍：1.魏宝明等，《金属腐蚀理论及应用》化学工业出版社，19842.黄永昌，《金属腐蚀与防护原理》上海交大出版社，19893.曹楚南，《腐蚀电化学原理》化学工业出版社，19854.曹楚南，《腐蚀电化学》化学工业出版社，19945.陈正均，《耐蚀非金属材料及应用》化学