不锈钢的耐腐蚀性

不锈钢的耐腐蚀性建筑／土木工程发言稿讲义第五章不锈钢的耐腐蚀性1不锈钢的耐腐蚀性内容1.大多材料随着时间推移而腐败2.为什么不锈钢能抵抗腐蚀3.不锈钢腐蚀的类型4.如何选择有足够耐腐蚀性的不锈钢结构应用其它应用5.参考文献2不锈钢的耐腐蚀性1.大多材料随着时间推移而腐败3不锈钢的耐腐蚀性大多材料随时间推移而腐败材料木材钢铁水泥腐败的类型真菌昆虫阳光+雨水生锈开裂/剥落缓解措施化学涂层/清漆镀锌上漆耐腐蚀的钢筋4不锈钢的耐腐蚀性大多材料随时间推移而腐败材料石头玻璃聚酯腐败类型磨损污染损害破裂紫外线照射先容易变脆缓解措施一般不采取措施钢化玻璃改进聚酯级别5不锈钢的耐腐蚀性大多材料随时间推移而腐败材料铝*铜不锈钢腐败类型随时间产生点蚀，可能产生电偶腐蚀随时间流逝会产生铜绿无腐败缓解措施可以避免电偶腐蚀无措施不需要*和不锈钢一样，铝也能产生很薄的氧化保护层，但铝氧化层的抗腐蚀性很低。6不锈钢的耐腐蚀性水泥中的腐蚀（腐蚀不仅仅发生在表面！）不锈钢用在水泥内部不仅提高强度，还能提高耐蚀能力，使得建筑结构的使用寿命更长，而且毋需维护。由于环境（海洋/除冰盐）中的氯化物在混凝土中会扩散，因此没有保护层的碳钢内部的钢筋混凝土结构也会出现腐蚀。腐蚀产物（铁锈）的体积大于金属体积，因此会产生内部张力，使得混凝土外层剥落。因此必须减少混凝土钢筋的腐蚀。为此采用了各种方法：增厚混凝土层；阴极保护；覆膜；环氧树脂涂层……使用不锈钢，而非碳钢。7不锈钢的耐腐蚀性2.为什么不锈钢会耐腐蚀8不锈钢的耐腐蚀性钝化层对比涂层不锈钢表面的钝化膜：铁和铬的氧化物-氢氧化物2-3纳米厚(0,002-0,003µm)透明黏着自修复低碳钢涂层外涂层底层涂料多层涂层通常是20-200µm厚可能脱落不能自修复9氧气气不锈钢的耐腐蚀性对保护层的破坏10钝化膜不锈钢自修复r多层涂层低碳钢腐蚀产物不锈钢的耐腐蚀性3.不锈钢腐蚀的类型11不锈钢的耐腐蚀性铬含量对耐大气腐蚀的影响（均匀腐蚀）0246810121416%铬0.0250.0500.0750.1000.1250.1500.1750.200mmpy腐蚀率不锈钢10.5Cr%普通碳钢12不锈钢的耐腐蚀性没选用合适等级的不锈钢，将会产生腐蚀…没有任何材料是完美的!就像为了特定的目的而选择合适的车一样13不锈钢的耐腐蚀性不锈钢的腐蚀类型a)均匀腐蚀b)点蚀c)缝隙腐蚀d)电偶腐蚀e)晶体间腐蚀f)应力腐蚀开裂14请查阅参考资料1不锈钢的耐腐蚀性a)什么是均匀腐蚀？钝化膜遭到恶劣环境破坏后，整个表面会遭到均匀腐蚀，金属损失的速度通过“µm/年”来表示。这是典型的无保护碳钢。在建筑用不锈钢中不会出现这种情况，因为腐蚀条件不会那么激进（通常需要在酸性液体中浸泡）15不锈钢的耐腐蚀性b)什么是点蚀1,2,3,7?点蚀是一种极端局部的腐蚀，能引起金属细小的穿孔。这张图显示的就是在激进的氯化物环境中，由于耐蚀性不够，不锈钢EN1.4310(AISI301)上出现的腐蚀。16不锈钢的耐腐蚀性点蚀的腐蚀机理1.开始时会出现在非常小的表面不规则处，或非金属夹杂物。2.再钝化无法阻挡点腐蚀区域产生的电化学反应时，腐蚀就开始扩张。17不锈钢的耐腐蚀性点蚀可以在电化学电池里复制l4腐蚀包括金属的溶解，即伴有下列反应的电化学过程a)金属表面的电化学反应b)发生腐蚀的金属（阳极）和阴极部分之间产生电流可以在电化学电池中来模拟，该电池可以让我们更好地研究腐蚀过程。18电化学电池Epit极化曲线不锈钢的耐腐蚀性影响点蚀的主要因素1(一般用点蚀电位Epit作为点蚀标准)1.温度温度增加，耐点蚀能力会急剧下降。19不锈钢的耐腐蚀性2.氯化物浓度随着氯化物含量的增加，耐点蚀性能下降。（氯离子浓度的对数）影响点蚀的主要因素1（一般用点蚀电位Epit作为点蚀标准)20不锈钢的耐腐蚀性2.不锈钢分析加入一些合金元素后，如氮、钼、铬，耐点蚀性会大量提高。合金元素的作用被称作“耐点蚀当量数（PREN）。影响点蚀的主要因素5（一般用点蚀电位Epit作为点蚀标准)21不锈钢的耐腐蚀性耐点蚀当量数（PREN）6通过计算PREN，可以比较不同级别的不锈钢耐点蚀的性能。当量数越高，性能越高。很明显，不能只用PREN值来预测某特定级别钢是否适用于某特定应用。PREN=Cr+3.3Mo+16N，其中Cr=铬含量Mo=钼含量N=氮含量ENAISIPREN1.40031.4016-43010.5-12.516.0-18.01.43011.4311304304LN17.5-20.819.4–23.01.4401/41.4406316/L316LN23.1–28.525.0–30.31.44391.4539317L-31.6–38.532.2–39.91.43621.44621.44101.4501----23.1–29.230.8–38.1404022不锈钢的耐腐蚀性几种常见等级钢的PREN值923注：请残月附录中的EN标准名称。不锈钢的耐腐蚀性c)什么是缝隙腐蚀1？缝隙腐蚀是指在封闭空间的腐蚀，从环境中获取工作液是有限制的，这种空间一般称为缝隙。比如部件之间的缝隙或接触面、垫圈或封条下面，裂缝和接缝内部，有沉积物的地方，或者污泥堆下。24不锈钢的耐腐蚀性缝隙腐蚀的机理开始的时候，缝隙腐蚀和表面腐蚀是以一样的接着，由于缝隙的氧气缺乏，开吃发生变化缝隙里出现一组电化学反应，产生更多氯离子，因此这个位置的PH值下降到无法出现钝化之后缝隙里的金属就会发生均匀腐蚀25不锈钢的耐腐蚀性临界点蚀温度(CPT)各种奥体钢和双相钢8的临界缝隙腐蚀温度(CCT)26注：温度越高，耐腐蚀性越好注：请参阅附录的EN标准名称不锈钢的耐腐蚀性如何避免缝隙腐蚀1.优化设计：a)使用焊接件。b)完全排水设计。2.保持清洁，清理沉积（尽可能）3.选择合适的耐腐蚀不锈钢（参看本章第四部分）27不锈钢的耐腐蚀性d)什么是电化腐蚀1?（也被称为双金属腐蚀）当电偶电位差异很大的两种金属相互接触时，会产生电偶腐蚀。阳性最强的金属会被腐蚀。左图案例：不锈钢板用碳钢螺栓被固定在不锈钢容器中——导致潮湿环境下（相当于电解质），螺栓出现电偶腐蚀。见参考1128不锈钢的耐腐蚀性电偶腐蚀的机理当被浸渍在电解质中时（通过参考电极来测量），每种金属都会有一个特征电位。当两种金属与导电液体连接时（湿度就足够了）：当这两种金属电位差异很大时电流会从负电荷最多的（阳极）流向正电荷最多的（阴极）。如果阳极面积较小，则会出现金属的溶解。正电荷负电荷金属1金属2阳极阴极电解质电流流动29不锈钢的耐腐蚀性流动海水中金属的电势序列。30不锈钢的耐腐蚀性如何避免电偶腐蚀的基本规则避免不同类金属在一起不同类金属相互接触时，要确保次贵金属（阳极）的接触面远远大于贵金属（阴极）的要接触面例子：–铝制品要用不锈钢紧固件（永远不要在不锈钢产品上用铝制紧固件）–同样规则也适用于不锈钢和碳钢31不锈钢的耐腐蚀性e)什么时晶间腐蚀1？晶间腐蚀由于在晶界形成铬的碳化物（Fe，Cr）23C6，使得铬的含量减少，钝化层的稳定性降低。在上图照片中可以看到，不锈钢样品抛光后，遇到强酸介质，产生蚀刻。黑色的网格线对应的是受到化学腐蚀的晶粒边界，起耐腐蚀性要远远低于晶粒本身。32不锈钢的耐腐蚀性晶界贫铬示意图33不锈钢的耐腐蚀性什么时候会发生晶间腐蚀？不锈钢经过适当处理后不容易出现晶间腐蚀当下列情况出现时，可能出现在焊接点的热影响区（在焊缝的任何一侧）–含碳量高–钢没有经过Ti,Nb,Zr*的稳定处理，使碳被“固定”矩阵中，无法在晶界形成碳化物。*这也是为什么不锈钢会有Ti和/或Nb和/或Zr等不同等级，它们都被称为“稳定”级钢。34“电车轨道”腐蚀焊接腐蚀不锈钢的耐腐蚀性如何避免晶间腐蚀？使用低碳钢，奥体钢的碳含量要低于0.03%或者使用“稳定级”的铁素体钢和奥体钢或者对奥体钢进行溶液退火处理（在1050°C将所有的碳化物溶解），再进行淬火处理。（但是这个方案实际操作性不强）。35不锈钢的耐腐蚀性f)什么时应力腐蚀开裂1(SCC)？组件没有经历变形的过程，突然发生开裂和损坏。当出现下列条件时，会发生应力腐蚀开裂–该部件受到应力影响（可能时外加的负荷，也可能时残余应力）–腐蚀性环境（氯含量高，温度超过50°C）–不锈钢不足以抵抗SCC36铁素体和双相（即奥体钢铁素体合金钢）对SCC免疫环境应力材料受到影响不锈钢的耐腐蚀性应力腐蚀开裂的机理（SCC）环境条件（含氯/高温）和应力（外部施加的应力或者残余应力）一起作用，间刚出现下列系列事件：1.出现点蚀2.点蚀处出现开裂3.开裂跨晶粒或在晶粒间传播4.出现故障37注：英文标注名称请参看附件不锈钢的耐腐蚀性避免SCC–两种选择在标准奥氏体不锈钢中出现氯离子引发的应力腐蚀开裂，即viz.1.4301/304or1.4401/316选择双相钢，价格更稳定（镍含量更少）选择含镍和钼高的奥氏体不锈钢（耐腐蚀性更强）+Ni+Mo1.45391.4547(6Mo)+Cr1.44621.44101.450138不锈钢的耐腐蚀性4.如何选择具有足够耐腐蚀性的不锈钢两种不同情况：1.结构应用2.其它应用39不锈钢的耐腐蚀性4-1结构应用欧洲规范1-4中提供了一套流程，为在特定环境下使用的结构构件选择合适的不锈钢。（请注意当时——即2014年11月——EN1993-1-4发展组的建议尚未实施）下张幻灯片将具体介绍流程内容它适用于：承重构件不经常浸泡在海水中的环境、pH值在4与10之间不接触化学工艺流程40不锈钢的耐腐蚀性该流程如何运作1.评估环境的耐腐蚀因子（CRF），由三个部分构成(CRF=F1+F2+F3)，其中a)F1代表来自海水或除冰盐中的氯化物的暴露风险b)F2代表对二氧化硫的暴露风险c)F3清理方案或雨水清理2.对于给定的CRF，匹配表格提供对应的CRC分类3.不锈钢耐腐蚀等级根据CRF值可分为I到V的级别请参看接下来四张幻灯片上的表格41不锈钢的耐腐蚀性F1氯离子的暴露风险（盐水或除冰盐）注：M代表与海的距离；S代表距离施用除冰盐的公路距离1内控环境0低度暴露风险M10kmorS0.1km-3中度暴露风险1kmM≤10kmor0.01kmS≤0.1km-7高度暴露风险0.25kmM≤1kmorS≤0.01km-10风险非常高施用除冰盐，或者机动车辆可能会讲除冰盐带入其中的公路隧道-10风险非常高德国北海海岸所有波罗地海沿岸区域M≤0.25km-15风险非常高M≤0.25km大西洋海岸线区域，包括葡萄牙、西班牙和法国英国、法国、比利时、荷兰、瑞典南部海岸线区域英国、挪威、丹麦、爱尔兰等国所有沿海区域地中海海岸42不锈钢的耐腐蚀性F2对二氧化硫的暴露风险注：欧洲沿海环境中，二氧化硫沉积值通常比较低。其内陆环境的二氧化硫值或者较低，或者中等。很少出现二氧化硫值较高的情况，或者是因为这是个重工业区，或者特制一些环境，例如公路隧道。二氧化硫的沉积值可以通过ISO9225提供的方法来评估。0较低暴露风险(10µg/m³平均沉积量)-5中度暴露风险(10–90µg/m³平均沉积量)-10高度暴露风险(90–250µg/m³平均沉积量)F3清洁方案或雨水清洁(ifF1+F2=0,thenF3=0)0完全雨水清洁-2具体的清洁方案-7既没有雨水清洁，也没有具体清洁方案43不锈钢的耐腐蚀性匹配表表A.2：耐腐蚀类别CRC的确定耐腐蚀因子(CRF)耐腐蚀类别(CRC)CRF=1I0≥CRF-7II-7≥CRF-15III-15≥CRF≥-20IVCRF-20V44不锈钢的耐腐蚀性不锈钢的耐腐蚀类别表A.3：各耐腐蚀类别CRC中的级别耐腐蚀类别CRCIIIIIIIVV1.40031.43011.44011.44391.45651.40161.43071.44041.45391.45291.45121.43111.44351.44621.45471.45411.45711.44101