材料腐蝕與防護(hù) 緒論

本章主要內(nèi)容

第一節(jié)材料腐蝕的基本概念第二節(jié)材料腐蝕的危害與控制的重要性第三節(jié)現(xiàn)代腐蝕理論研究的發(fā)展第四節(jié)材料腐蝕的分類(lèi)第五節(jié)材料腐蝕與防護(hù)的研究?jī)?nèi)容與目的第六節(jié)腐蝕科學(xué)的學(xué)習(xí)方法

第一章材料腐蝕與防護(hù)概述1.1腐蝕及腐蝕現(xiàn)象

腐蝕：英文：Corrosion，意為“損壞”“腐爛”。

腐蝕現(xiàn)象：

＊金屬材料的腐蝕（較熟悉）：例如：鐵生銹---表面腐蝕形成FeO(OH)或Fe2O3·H2O。

銅腐蝕---則生成銅綠[CuSO4·3Cu(OH)3]。

＊非金屬材料、復(fù)合材料的腐蝕：

例如：耐火磚或陶瓷、玻璃材料等受融化金屬、熔融鹽等介質(zhì)的腐蝕；石英或硅酸鹽材料由于水分子引起的破壞或變質(zhì)；

＊高分子材料受到的輻射分解。第一節(jié)材料腐蝕的基本概念2007年8月1日，美國(guó)明尼蘇達(dá)州一座跨越密西西比河的大橋發(fā)生坍塌。事故造成6人死亡。早在２００１年由明尼蘇達(dá)州交通部門(mén)作出的一份研究報(bào)告顯示，大橋連接路堤和主橋的引橋“存在老化問(wèn)題”。同時(shí)，支撐橋梁的主結(jié)構(gòu)桁架也存在“老化問(wèn)題”。

2001年11月07日，四川宜賓市南門(mén)大橋于七日凌晨四時(shí)三十分左右發(fā)生懸索及橋面局部斷裂事故，導(dǎo)致兩輛汽車(chē)墜入江中，一艘小船被毀，有二人死亡，二人受傷，交通和市外通訊中斷。四川省一些橋梁專(zhuān)家和工程設(shè)計(jì)人員在橋梁的斷裂處進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)坍塌斷裂之處露出一層薄薄的鋼筋網(wǎng)，懸吊的承重鋼管中露出了銹跡斑斑的鋼纜。例：油輪鋼腐蝕最大均勻腐蝕速率>0.1mm/y最大點(diǎn)蝕速率~4mm/y例：油氣工業(yè)采集和輸送過(guò)程中使用大量彎頭、三通等復(fù)雜部件，其多以高溫高壓流體的沖刷腐蝕失效為主水下油氣田生產(chǎn)設(shè)施油氣田中出現(xiàn)的沖刷腐蝕失效有金屬（材料）存在的地方就會(huì)

有腐蝕問(wèn)題－悄悄進(jìn)行的破壞

可見(jiàn)，腐蝕現(xiàn)象的特點(diǎn)：自發(fā)性、普遍性、隱蔽性。

1）腐蝕的自發(fā)性----大多數(shù)金屬腐蝕是自發(fā)的。

例：鋼鐵在潮濕土壤、大氣等腐蝕環(huán)境中，鐵腐蝕變成以水和氧化鐵為主的腐蝕產(chǎn)物。

腐蝕是自發(fā)進(jìn)行的現(xiàn)象--向自然界回歸。熱力學(xué)－自發(fā)過(guò)程（熱力學(xué)第二定律）2）腐蝕的普遍性---除入Au和Pt外，其他金屬能級(jí)都要高于它們化合物，都具有自發(fā)回到低能級(jí)礦石狀態(tài)的傾向。

可知：地球環(huán)境下金屬腐蝕不是個(gè)別現(xiàn)象，而是普遍面臨的問(wèn)題。

但是很多金屬雖有大的腐蝕傾向，但實(shí)際腐蝕十分微小(以后會(huì)講到，這稱(chēng)為鈍化現(xiàn)象)。3）腐蝕的隱蔽性-----腐蝕的隱蔽性包含兩層意思：

（1）發(fā)展速度可能很慢、短期變化極微小。

例如：不銹鋼在海水中的點(diǎn)蝕約有10年潛伏期(又稱(chēng)孕育期)。在此之前，材料安然無(wú)恙，但產(chǎn)生點(diǎn)蝕后，材料的腐蝕發(fā)展不可等閑視之。

（2）其表現(xiàn)形式可能很難被發(fā)覺(jué)。

如：有些腐蝕類(lèi)型，如含裂紋局部腐蝕，靠肉眼或簡(jiǎn)單儀器很難發(fā)覺(jué)。

1.2材料腐蝕的定義

50年代初，腐蝕的定義僅指金屬的腐蝕：

“在周?chē)橘|(zhì)作用下，由于化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)或物理溶解而產(chǎn)生的金屬破壞。”

50年代后，隨著非金屬材料的發(fā)展，腐蝕定義擴(kuò)大到所有的材料:

－“由于材料和它所處的環(huán)境發(fā)生反應(yīng)使材料和材料的性質(zhì)發(fā)生惡化的現(xiàn)象”

－“腐蝕是由于物質(zhì)與周?chē)h(huán)境的作用而產(chǎn)生的破壞”定義：材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)作用或電化學(xué)作用而變質(zhì)和破壞的現(xiàn)象。

其中，引起材料腐蝕的環(huán)境被稱(chēng)為“腐蝕環(huán)境”“腐蝕介質(zhì)”。包括四個(gè)方面的含義：1）腐蝕的著眼點(diǎn)在材料例如：酒類(lèi)、食品的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程。因腐蝕造成容器壁厚減薄、強(qiáng)度降低，但同時(shí)也可能導(dǎo)致食品或酒類(lèi)受腐蝕產(chǎn)物污染而品質(zhì)惡化。后者雖因腐蝕引起，是介質(zhì)環(huán)境的變化，一般稱(chēng)為污染，而不稱(chēng)為腐蝕。2）腐蝕是一種材料和環(huán)境間的反應(yīng)

大多數(shù)是電化學(xué)反應(yīng)，這是腐蝕和摩擦現(xiàn)象的分界線。實(shí)際條件下腐蝕和磨損往往密不可分、同時(shí)發(fā)生。強(qiáng)調(diào)化學(xué)或電化學(xué)作用時(shí)稱(chēng)為腐蝕，強(qiáng)調(diào)力學(xué)或機(jī)械作用時(shí)則稱(chēng)為摩擦磨損。如兩者作用相當(dāng)，習(xí)慣上稱(chēng)為腐蝕磨損或磨損腐蝕。

3）腐蝕是材料的損傷

宏觀上可表現(xiàn)為材料質(zhì)量流失強(qiáng)度等性質(zhì)退化等；微觀上可表現(xiàn)為材料相、價(jià)態(tài)或組織改變。

例如：鋁、不銹鋼材料表面氧化；半導(dǎo)體硅片蝕刻等，雖稱(chēng)為腐蝕，但其后果是我們希望的。

4）腐蝕漸漸發(fā)生的慢性過(guò)程

有報(bào)道：巴拿馬運(yùn)河海水中不銹鋼閘門(mén)工作10年之后才出現(xiàn)點(diǎn)蝕；許多埋地管道運(yùn)行一二十年后才出現(xiàn)事故多發(fā)期，這些都說(shuō)明腐蝕過(guò)程之慢。

注意：材料和環(huán)境之間發(fā)展迅速的反應(yīng)，如：鎂粉燃燒、火藥爆炸等不叫腐蝕。

三個(gè)基本要素：腐蝕的對(duì)象腐蝕的性質(zhì)腐蝕的后果其它基本概念耐蝕性指材料抵抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕的能力腐蝕性指環(huán)境介質(zhì)腐蝕材料的強(qiáng)弱程度腐蝕過(guò)程的本質(zhì)

△G﹤0，自發(fā)過(guò)程

不可逆過(guò)程第二節(jié)材料腐蝕的危害與控制的重要性材料的損壞或失效種類(lèi)：

最重要、最常見(jiàn)、基本的損壞種類(lèi)：腐蝕、磨損和斷裂，決定了材料的壽命；材料在服役損壞過(guò)程中，腐蝕與磨損、腐蝕與斷裂往往協(xié)同進(jìn)行，有時(shí)三種失效形式同時(shí)發(fā)生。磨損腐蝕、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕等

2.1腐蝕的危害

具體表現(xiàn)在：1）直接經(jīng)濟(jì)損失：指由于腐蝕的存在而導(dǎo)致總費(fèi)用的增加。

2）間接經(jīng)濟(jì)損失：包括停產(chǎn)、降低產(chǎn)品效率、產(chǎn)品的污染。

3）人身傷亡和環(huán)境污染。

4）阻礙科學(xué)技術(shù)和國(guó)防事業(yè)的發(fā)展。

5）資源和能源的浪費(fèi)。

腐蝕的影響1、在化學(xué)工業(yè)、煉油、石油化工、造紙等工業(yè)中，金屬腐蝕造成設(shè)備的跑、冒、滴、漏可造成大量有毒的物質(zhì)泄漏，污染環(huán)境，危害人民的健康

2、每年由于腐蝕可使大約10～20％的金屬損失掉了。2003年世界的鋼產(chǎn)量達(dá)到9.625億噸，中國(guó)的鋼產(chǎn)量高達(dá)2.2億噸，美國(guó)的鋼產(chǎn)量為0.914億噸

3、世界每年腐蝕掉的鋼大于美國(guó)的鋼產(chǎn)量；中國(guó)一年就有2200萬(wàn)噸鋼被腐蝕掉了，相當(dāng)于腐蝕掉一個(gè)大型鋼鐵企業(yè)的年產(chǎn)量腐蝕事故舉例1975年美國(guó)芝加哥一個(gè)大的煉油廠一根15cm的不銹鋼彎管破裂引起爆炸和火災(zāi)，停車(chē)6周，這次腐蝕事故總維修費(fèi)50萬(wàn)美元，停產(chǎn)造成的稅收損失高達(dá)500萬(wàn)美元。1966年某天然氣井的套管發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，造成井噴和特大爆炸，人員傷亡，日產(chǎn)百萬(wàn)立方米的高產(chǎn)氣井報(bào)廢。1971年某天然氣管線發(fā)生腐蝕斷裂，產(chǎn)生爆炸，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7000萬(wàn)元。1985年日本的一架波音747客機(jī)，由于應(yīng)力腐蝕斷裂而墜毀，死亡500余人。1997年某化工廠18個(gè)乙烯原料儲(chǔ)罐由于硫化物腐蝕引起大火，停產(chǎn)半年，直接損失達(dá)2億多元，間接損失巨大。腐蝕損失調(diào)查數(shù)據(jù)*

材料腐蝕帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)民生產(chǎn)總值的1.8～4.2％左右*

1995年，美國(guó)由于金屬腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約為700億美元，為當(dāng)年國(guó)民生產(chǎn)總值的4.2％，是當(dāng)年水災(zāi)、火災(zāi)、地震、颶風(fēng)等自然災(zāi)害損失（125億美元）的5倍多。*

我國(guó)1980年十家化工企業(yè)由于腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約為當(dāng)年生產(chǎn)總值的3.9％，這個(gè)數(shù)值與許多國(guó)家進(jìn)行的全面腐蝕損失調(diào)查的結(jié)果大體相當(dāng)。*2002年中國(guó)工程院的調(diào)查結(jié)果表明，我國(guó)腐蝕損失（包括直接和間接損失）達(dá)到4979.2億元。2.2腐蝕控制及其重要性

目前用于腐蝕控制的基本方法可以概括為以下五個(gè)方面：1）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2）正確選材和發(fā)展新型耐蝕材料3）采用合理的表面工程技術(shù)合理選用表面涂鍍層和改性技術(shù)(通過(guò)物理的或化學(xué)的手段，改變材料表面的結(jié)構(gòu)、力學(xué)狀態(tài)、化學(xué)成分等)，達(dá)到抗腐蝕或隔離材料與腐蝕環(huán)境的目的。4）改善環(huán)境和合理使用緩蝕劑

例如，工業(yè)生產(chǎn)中采用的脫氣、除氧、脫鹽和降溫處理等措施，或?qū)⒏g控制對(duì)象置人干燥的、腐蝕性低的環(huán)境之中的做法。

如，封閉或循環(huán)的體系中添加恰當(dāng)?shù)木徫g劑。

5）電化學(xué)保護(hù)

對(duì)于電化學(xué)原因?qū)е碌母g，可以采用陰極保護(hù)或陽(yáng)極保護(hù)的措施。（后面詳細(xì)討論）

事實(shí)上，以上兩種或兩種以上方法綜合應(yīng)用，現(xiàn)在已形成了一門(mén)新的學(xué)科------防腐系統(tǒng)工程學(xué)控制的重要性：

1）研究材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的破壞行為、普遍規(guī)律和機(jī)理。

不僅要從熱力學(xué)方面研究腐蝕發(fā)生的可能性．更重要的是研究腐蝕發(fā)生的動(dòng)力學(xué)規(guī)律和機(jī)理，以指導(dǎo)腐蝕的控制。

2)以材料的腐蝕理論研究為基礎(chǔ)，以腐蝕防護(hù)技術(shù)研究為應(yīng)用目標(biāo)，研究和發(fā)展腐蝕控制的技術(shù)措施和方法，制定腐蝕控制的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

3)研究和開(kāi)發(fā)腐蝕測(cè)試、檢測(cè)和監(jiān)控方法。

為保障工程裝備安全可靠地運(yùn)行，研究和開(kāi)發(fā)適用于實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)的腐蝕測(cè)試、檢測(cè)和監(jiān)控的方法及規(guī)范。

材料腐蝕與防護(hù)科學(xué)在發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的意義

1．材料腐蝕問(wèn)題遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域2．腐蝕危及人身安全3．腐蝕污染環(huán)境

4．腐蝕防護(hù)的成本問(wèn)題普及和提高防腐知識(shí)，研究推廣應(yīng)用先進(jìn)防腐蝕技術(shù)，減少腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失和安全問(wèn)題。

成為獨(dú)立理論研究過(guò)程：（隨著各相關(guān)科學(xué)的發(fā)展逐步完善）

腐蝕科學(xué)：16世紀(jì)50年代，研究高溫氧化，金屬的溶解↓18世紀(jì)中葉，發(fā)現(xiàn)金屬氧化現(xiàn)象、金屬鈍化現(xiàn)象

↓原電池原理↓

19世紀(jì)：初步認(rèn)識(shí)電化學(xué)腐蝕、微電池概念、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象↓

20世紀(jì)30年代：作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。防護(hù)技術(shù)：利用金屬開(kāi)始，出現(xiàn)了防腐蝕技術(shù)。我國(guó)漢朝前就開(kāi)始使用“大漆”，至今仍被公認(rèn)為世界上最好的防腐涂料，稱(chēng)之為“中國(guó)漆”，許多出土的漆器歷經(jīng)數(shù)千年光澤不減。

第三節(jié)現(xiàn)代腐蝕理論研究的發(fā)展過(guò)程在秦始皇陵兵馬俑坑中，發(fā)現(xiàn)了一柄青銅劍，為銅錫合金制成，并含有微量的鎳、鋁、鐵、鋅等十多種金屬元素。這種合金的硬度為HRC為22至24度，已達(dá)到調(diào)質(zhì)后的中碳鋼的硬度。最令人驚奇的是，這把劍在地下埋了二千多年，當(dāng)場(chǎng)去土銹后，表面光亮如新，劍刃非常鋒利，一劍可劃透12層報(bào)紙。經(jīng)電子探針和質(zhì)子X(jué)光熒光分析，劍的表面有一層10至15微米的含鉻氧化物保護(hù)層，表明曾采用鉻鹽氧化處理技術(shù)。

1978年1月17日，又在北京有色金屬總院對(duì)越王勾踐劍劍身上的黑色紋飾進(jìn)行了X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)此黑色紋飾處除含有銅錫合金以外，還含有硫化亞銅（Cu2S）、硫化亞鐵及鐵錫合金（FeSn2）。由于分析所顯示的Cu2S衍射峰太弱，即Cu2S的條件又為古代所無(wú)，為了證實(shí)Cu2S存在的可靠性，又用自制的銅錫合金塊狀樣品（其中銅83％，錫12．3％）在四種條件下進(jìn)行了硫化處理后，洗去樣品表面的殘留物，再進(jìn)行同樣的分析，其結(jié)果與越王勾踐劍表面黑色紋飾部分及用硫粉與銅粉（硫粉與銅粉重量比為1：6）作用一個(gè)月后分析所得的結(jié)果相近。由此推測(cè)，越王勾踐劍等表面黑色部位是用硫粉處理而形成的，其劍身的黑色菱形花紋則可能是劍身硫化處理后再對(duì)其表面進(jìn)行拋光而留下黑色菱形紋飾。從而發(fā)現(xiàn)我國(guó)古代科技史上這項(xiàng)重要成果。

目前主要的分類(lèi)方法有：1）腐蝕環(huán)境分類(lèi)法；

2）腐蝕機(jī)理分類(lèi)法；

3）腐蝕形態(tài)分類(lèi)法；

4）材料的特征分類(lèi)法；

5）影響因素分類(lèi)法；

6）應(yīng)用范圍或工業(yè)部門(mén)分類(lèi)法；

第四節(jié)材料腐蝕的分類(lèi)常用前三種分類(lèi)：

*按腐蝕環(huán)境分類(lèi)：（較直觀和使用）有：干燥氣體腐蝕

、潮濕環(huán)境腐蝕、非電解液的腐蝕。

潮濕環(huán)境腐蝕又可分為：

1．自然環(huán)境下的腐蝕(1)大氣腐蝕(AtmosphericCorrosion)。(2)土壤腐蝕(SoilCorrosion)?！?，