金屬工藝學(xué)第12章課件

1、1金屬腐蝕與防護(hù)技術(shù)知識(shí)目標(biāo)了解金屬腐蝕的基本概念；了解幾種常見(jiàn)的金屬的局部腐蝕形態(tài)；掌握防止金屬腐蝕的方法。2技能目標(biāo)結(jié)合實(shí)際，能夠分析金屬腐蝕的機(jī)理，并能有效地防止金屬腐蝕。金屬腐蝕與防護(hù)技術(shù)12.1金屬腐蝕的定義及分類(lèi)12.1.1金屬腐蝕的定義 金屬材料與環(huán)境介質(zhì)作用以后，由于它們之間所產(chǎn)生的化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，或者由于物理溶解作用而引起材料的損壞或變質(zhì)稱(chēng)為金屬腐蝕。1.根據(jù)腐蝕反應(yīng)機(jī)理的不同分12.1金屬腐蝕的定義及分類(lèi)12.1.2金屬腐蝕的分類(lèi) 1）金屬的化學(xué)腐蝕 2）金屬的電化學(xué)腐蝕12.1金屬腐蝕的定義及分類(lèi)金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的比較12.1.2金屬腐蝕的分類(lèi)2.根據(jù)腐蝕破環(huán)

2、時(shí)的基本特征分12.1金屬腐蝕的定義及分類(lèi)（1）全面腐蝕（2）局部腐蝕12.1.2金屬腐蝕的分類(lèi)3.根據(jù)腐蝕時(shí)材料所處的環(huán)境分12.1金屬腐蝕的定義及分類(lèi)自然環(huán)境腐蝕（1）工業(yè)環(huán)境腐蝕（2）12.1.2金屬腐蝕的分類(lèi)12.2金屬腐蝕的基本概念12.2.1電極與電位1.電極 電子導(dǎo)體（金屬等）與離子導(dǎo)體（液、固體電解質(zhì)等）相互接觸，并有電子在兩相之間遷移而發(fā)生氧化還原反應(yīng)的體系，稱(chēng)為電極。如在丹尼爾電池（英國(guó)丹尼爾發(fā)明的電池）中，Cu與Zn分別插入了CuSO4和ZnSO4電解質(zhì)溶液中，就構(gòu)成了Cu電極和Zn電極。12.2金屬腐蝕的基本概念12.2.1電極與電位2.電極電位 在電極和溶液界面上進(jìn)行

3、的電化學(xué)反應(yīng)稱(chēng)為電極反應(yīng)。電極反應(yīng)可以導(dǎo)致在電極和溶液界面上建立起離子雙電層，而雙電層兩側(cè)的電位差就是所謂的電極電位。12.2金屬腐蝕的基本概念12.2.1電極與電位3.平衡電位 當(dāng)金屬電極浸入含有該金屬離子的溶液中的時(shí)候，金屬失電子而溶解于溶液的反應(yīng)和金屬離子得電子而析出金屬的逆反應(yīng)應(yīng)同時(shí)存在，即： Mn+ne-M。 金屬實(shí)際發(fā)生腐蝕時(shí)，電極上可能同時(shí)存在著兩種或兩種以上的不同物質(zhì)參與的電化學(xué)反應(yīng)，電極上不可能出現(xiàn)物質(zhì)交換與電荷交換均達(dá)到平衡的狀態(tài)，此時(shí)的電極電位稱(chēng)為非平衡電極電位。12.2金屬腐蝕的基本概念12.2.1電極與電位4.非平衡電極電位12.2.2極化與腐蝕1.極化（3） 活化極

4、化 濃差極化 電阻極化（2）（1）12.2金屬腐蝕的基本概念132.氫去極化腐蝕12.2.2極化與腐蝕12.2金屬腐蝕的基本概念（1）水化氫離子脫水：HnH2OHnH2O。（2）形成吸附氫原子：HM（e-）MH（電化學(xué)步驟）。（3）吸附氫原子脫附：MHMHH22M（脫附步驟）。（4）氫分子形成氣泡，從表面逸出。1）氫去極化腐蝕的過(guò)程1412.2.2極化與腐蝕12.2金屬腐蝕的基本概念2）影響氫去極化腐蝕的主要因素（1）金屬材料的形狀、本質(zhì)、表面狀態(tài)及金屬內(nèi) 的雜質(zhì)等都會(huì)影響到金屬的氫去極化腐蝕。（2）溶液的pH值會(huì)影響到金屬的氫去極化腐蝕。（3）陰極區(qū)的面積會(huì)影響到金屬的氫去極化腐蝕。（4）溫

5、度會(huì)影響到金屬的氫去極化腐蝕。3.氧去極化腐蝕12.2.2極化與腐蝕12.2金屬腐蝕的基本概念1）氧去極化腐蝕的過(guò)程（1）氧通過(guò)空氣/溶液界面 溶入溶液。（2）溶解氧通過(guò)對(duì)流擴(kuò)散分布在溶液中。（3）氧以擴(kuò)散方式通過(guò)電極表面的擴(kuò)散層，到達(dá)金屬的表面。 （4）氧在金屬表面進(jìn)行還原反應(yīng)。12.2.2極化與腐蝕12.2金屬腐蝕的基本概念（1）陽(yáng)極材料電極電位降低則氧去極化腐蝕的速度增大。（2）溶解氧濃度增大，氧去極化速度隨之增大。 （3）溶液流速越大，腐蝕速度也就越大。 （4）鹽濃度增大，溶液的電導(dǎo)率增大，腐蝕速度將有所增大。 （5）溫度升高，氧的擴(kuò)散和電極反應(yīng)速度加快，因此，在一定溫度范圍內(nèi)，隨溫度

6、升高腐蝕速度增大。2）影響氧去極化腐蝕的主要因素4.鈍化12.2.2極化與腐蝕12.2金屬腐蝕的基本概念 金屬與某些腐蝕介質(zhì)作用以后，在金屬表面形成了一層極薄的膜，使金屬由活化狀態(tài)變?yōu)殁g態(tài)，從而使金屬的陽(yáng)極過(guò)程受到了明顯阻礙，這一現(xiàn)象稱(chēng)為鈍化。1812.2.2極化與腐蝕12.2金屬腐蝕的基本概念（1）成相膜理論認(rèn)為：當(dāng)金屬溶解時(shí)，可在金屬表面生成一層致密的、覆蓋性良好的固體產(chǎn)物。這些產(chǎn)物作為一個(gè)獨(dú)立相存在，把金屬和溶液機(jī)械地隔離開(kāi)來(lái)，從而使金屬的溶解速度大大降低，金屬由活化態(tài)轉(zhuǎn)入鈍態(tài)。1912.2.2極化與腐蝕12.2金屬腐蝕的基本概念 （2）吸附理論認(rèn)為，引起金屬鈍化并不一定要形成固相膜，而

7、只要在金屬表面或部分表面上形成氧或含氧粒子的吸附層。這種吸附層改變了金屬/溶液表面的結(jié)構(gòu)，使金屬反應(yīng)的活化能顯著升高，故金屬同腐蝕介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速度將顯著減小。12.3.1應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)1.應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的定義 金屬材料在拉伸應(yīng)力的作用下，在某些特定的腐蝕介質(zhì)中發(fā)生的脆性斷裂稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，簡(jiǎn)稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕是危害最大的局部腐蝕形態(tài)之一，它是電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力機(jī)械破壞相互促進(jìn)裂紋的生成和擴(kuò)展的過(guò)程。12.3.1應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)2.應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的特征（1）合金比純金屬更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。（2）每種合金的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂只是對(duì)某些特定的介質(zhì)

8、環(huán)境敏感。（3）必須有拉伸應(yīng)力的作用。（4）應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的裂紋主要有穿晶型、晶間型和混合型，裂紋擴(kuò)展途徑與具體的金屬環(huán)境體系有關(guān)。2212.3.1應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)3.應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的機(jī)理 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的機(jī)理目前主要有：陽(yáng)極溶解機(jī)理和氫脆機(jī)理兩種。23 一些金屬材料接觸某種溶液后，表面上會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)狀腐蝕，形成的蝕孔隨時(shí)間延長(zhǎng)向深度方向發(fā)展直至穿孔，這種腐蝕形式稱(chēng)為點(diǎn)腐蝕（孔蝕）。通常點(diǎn)腐蝕的蝕孔很小，深度很深，直徑比深度小得多。12.3.2點(diǎn)腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)1.點(diǎn)腐蝕的定義12.3.2點(diǎn)腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)2.點(diǎn)腐蝕的產(chǎn)生條件（1）點(diǎn)腐蝕多發(fā)

9、生于表面生成鈍化膜的金屬材料上（不銹鋼、鋁合金等）。（2）點(diǎn)腐蝕發(fā)生于有特殊離子的介質(zhì)中，如不銹鋼對(duì)鹵素離子特別敏感，其作用順序?yàn)镃l、Br、I，這些陰離子在合金表面不均勻吸附導(dǎo)致膜的不均勻破壞。（3）點(diǎn)腐蝕發(fā)生在某一臨界電位以上，該電位稱(chēng)為點(diǎn)蝕電位或擊破電位。12.3.2點(diǎn)腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)3.點(diǎn)腐蝕的機(jī)理 點(diǎn)腐蝕的形成可分為：蝕孔形核和蝕孔發(fā)展兩個(gè)階段。 縫隙腐蝕是指金屬與金屬、金屬與非金屬的表面間形成特別小的縫隙，使縫隙內(nèi)的介質(zhì)處于滯留狀態(tài)，引起縫隙內(nèi)金屬加速腐蝕的一種破壞形式。12.3.3縫隙腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)1.縫隙腐蝕的定義12.3.3縫隙腐蝕12.

10、3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)2.縫隙腐蝕的特征（1）（2）（3）（4）縫隙腐蝕可發(fā)生在所有的金屬與合金上，特別是易鈍化的金屬或合金上。介質(zhì)是任意的可以是：酸、堿、鹽而含有Cl的溶液最容易引起縫隙腐蝕。對(duì)同一種合金來(lái)說(shuō)，縫隙腐蝕比點(diǎn)腐蝕更容易發(fā)生。發(fā)生縫隙腐蝕的金屬，在縫隙內(nèi)呈現(xiàn)出深淺不一的蝕坑或深孔。12.3.3縫隙腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)3.縫隙腐蝕的機(jī)理 縫隙腐蝕可分為：初期階段和后期階段。2912.3.3縫隙腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)縫隙腐蝕的機(jī)理圖解 腐蝕沿著金屬或合金的晶粒邊界或它的鄰近區(qū)域發(fā)展，晶粒本身腐蝕很輕微，這種腐蝕稱(chēng)為晶間腐蝕，也是一種常見(jiàn)的局部腐蝕形式。12

11、.3.4晶間腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)1.晶間腐蝕的定義12.3.4晶間腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)2.晶間腐蝕的機(jī)理 晶間腐蝕：是一種由組織電化學(xué)不均勻性引起的局部腐蝕，這主要是由于晶粒與晶界之間存在著電位差所致。此外，晶界處存在雜質(zhì)時(shí)，在一定介質(zhì)中也會(huì)引起晶間腐蝕。晶間腐蝕的機(jī)理主要是合金元素在固溶體中貧化。 當(dāng)兩種或兩種以上具有不同電極電位的金屬處于同一電解質(zhì)溶液中時(shí)引起的電化學(xué)腐蝕，稱(chēng)為電偶腐蝕，又稱(chēng)為接觸腐蝕或雙金屬腐蝕。12.3.5電偶腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)1.電偶腐蝕的定義12.3.5電偶腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)2.影響電偶腐蝕速度的因素（1）

12、 所形成的電偶間的電極電位差。電位差越大，理論上電偶腐蝕的電流也越大，腐蝕也越快。（2） 腐蝕介質(zhì)的電導(dǎo)率。介質(zhì)的電導(dǎo)率高，則加速電偶腐蝕。12.3.5電偶腐蝕12.3金屬的主要局部腐蝕形態(tài)（3） 金屬表面的極化和由于陰、陽(yáng)極反應(yīng)生成表面膜或腐蝕產(chǎn)物的影響。（4）電偶間的空間布置等。3512.4.1合金化12.4防止金屬腐蝕的方法（1）加入合金元素，提高鋼基體的電極電位，從而提高鋼的抗腐蝕能力。一般來(lái)說(shuō)，鋼中加入鉻、鎳、硅等元素均能提高其電極電位。（2）加入合金元素使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合牢固的鈍化膜，從而提高鋼的耐腐蝕能力。（3）加入合金元素使鋼在常溫時(shí)能以單相狀態(tài)存在

13、，減少微電池?cái)?shù)目，從而提高鋼的耐蝕性。如加入足夠數(shù)量的鉻或鉻鎳，使鋼在室溫下獲得單相鐵素體或單相奧氏體。3612.4.1合金化12.4防止金屬腐蝕的方法（4）加入鉬、銅等元素，提高抗腐蝕能力。（5）加入鈦、鈮等元素，消除鉻的晶間偏析，從而減輕晶間腐蝕傾向。（6）加入錳、氮等元素，代替部分鎳獲得單相奧氏體組織，同時(shí)能大大提高鉻不銹鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性。3712.4.2陰極保護(hù)1.陰極保護(hù)的定義 采用一定的方法使被保 護(hù)金屬設(shè)備發(fā)生陰極極化，以 減小或防止其腐蝕的方法稱(chēng)為陰極 保護(hù)。實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)的方法通常有： 外加電流的陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極 的陰極保護(hù)兩種。12.4防止金屬腐蝕的方法3812.4.2

14、陰極保護(hù)2.陰極保護(hù)的適用條件和特點(diǎn)12.4防止金屬腐蝕的方法（1）腐蝕介質(zhì)必須是電解質(zhì)溶液，能夠進(jìn)行離子導(dǎo)電。（2）被保護(hù)設(shè)備在其腐蝕介質(zhì)中要易于陰極極化。（3）鈍態(tài)金屬設(shè)備不宜采用陰極保護(hù)。（4）結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的金屬設(shè)備不宜采用陰極保護(hù)。（5）由氫脆敏感性材料制作的金屬設(shè)備不宜采用陰極保護(hù)。3912.4.2陰極保護(hù)3.陰極保護(hù)的主要參數(shù)12.4防止金屬腐蝕的方法最小保護(hù)電位（1）最小保護(hù)電流密度（2）12.4.3陽(yáng)極保護(hù)1.陽(yáng)極保護(hù)的定義 將被保護(hù)的金屬設(shè)備與外加 直流電源的正極相連，在一定的電解 質(zhì)溶液中將金屬進(jìn)行陽(yáng)極極化達(dá)到一定的 電位，如果在此電位下金屬能建立起鈍態(tài)并 維持鈍態(tài)，則陽(yáng)極過(guò)程受到抑制，而使金 屬的腐蝕速度顯著降低，設(shè)備因此而得 到保護(hù)，此種防護(hù)方法稱(chēng)為 陽(yáng)極保護(hù)。12.4防止金屬腐蝕的方法12.4.3陽(yáng)極保護(hù)2.陽(yáng)極保護(hù)的特點(diǎn)12.4防止金屬腐蝕的方法 （1）某些活性陰離子含量高的介質(zhì)中不宜采用陽(yáng)極保護(hù)，因?yàn)檫@些活性離子，如Cl在高濃度下能局 部地破壞鈍化膜并 造成點(diǎn)腐蝕。 （2）與陰極保護(hù)一樣，陽(yáng)極保護(hù)也存在遮蔽效應(yīng)。若陰、陽(yáng)極布局不合理，可能造成有的地方已鈍化，有的地