金屬在各種環(huán)境中的腐蝕

金屬在各種環(huán)境中的腐蝕4.1.1大氣腐蝕的類型和特點

暴露于大氣中的腐蝕，腐蝕反應(yīng)的程度決定于濕度、大氣成分。第2頁,共54頁，2024年2月25日，星期天大氣腐蝕的分類:(1)干大氣腐蝕：在空氣非常干燥條件下,金屬表面不存在水膜。(2)潮大氣腐蝕：大氣的相對濕度在100%以下，金屬表面存在肉眼不可見的薄不膜。(3)濕大氣腐蝕：水分在金屬表面已成液滴凝聚而形成肉眼可見的液膜層。第3頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖4-1Ⅰ水膜厚度為1-10nm,Ⅱ水膜厚度為10nm-1μmⅢ水膜厚度為1μm-1mm;Ⅳ水膜厚度大于1mmⅠ區(qū)：只有幾個分子層厚的附著水膜，沒有延續(xù)的電解質(zhì)膜，腐蝕速度很小。Ⅱ區(qū)：薄膜易于氧所擴散。Ⅲ區(qū)：水膜增厚，氧的擴散阻力大。Ⅳ區(qū)：相當于金屬全沉浸在電解液中，腐蝕速度下降。第4頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1、干的大氣腐蝕—無水汽水膜厚度δ≤100?2、潮的大氣腐蝕—空氣中有大量水汽，但相對濕度小于100%,形成水膜看不見,Ⅱ—δ=100?～1μm。3、濕的大氣腐蝕—表面有可見水膜，相對濕度為100%，相當于下雨天，Ⅳ—1μm～

1mm。Ⅳ~δ＞1μm耐腐蝕性決定于膜厚度。

大氣組成：CO2

、SO2

、Cl2灰分、塵粒、鹽……。第5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.1.2大氣腐蝕機理

當金屬表面形成連續(xù)的電解水膜時，大氣腐蝕的陽極過程：

Me→Men++ne陰極過程：O2+2H2O+4e→4OH-

是氧去極化過程。第6頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.1.3影響大氣腐蝕的因素（1）氣候因素：大氣相對濕度:(如圖4-1)氣溫:當相對濕度低于金屬臨界相對濕度時，溫度對大氣腐蝕的影響很小，無論氣溫多高，因環(huán)境干燥，金屬腐蝕輕微。當相對濕度大于金屬臨界相對濕度時，溫度升高，反應(yīng)速度提高。降塵：分為三種情況：1）塵粒本身為可溶性、腐蝕性，增加腐蝕；2）塵粒本身不可溶且沒有腐蝕性，如炭粒，但它能吸附腐蝕性物質(zhì)，促進腐蝕；3）塵粒無腐蝕性和無吸附性，如土粒，但沉積在金屬表面形成縫隙，發(fā)生局部腐蝕。第7頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（2）大氣中污染物質(zhì)根據(jù)污染物質(zhì)的性質(zhì)及含量，大氣環(huán)境類型大致分為：城市工業(yè)大氣：污染物中主要含有硫化物,如SO2、H2S、Cl2、HCl、NH3。海洋大氣：以海鹽粒子為特征，海鹽粒子具有很強的吸濕性，并溶于水膜中形成強腐蝕介質(zhì)。海洋工業(yè)大氣：既有SO2，又含海鹽粒子。農(nóng)村大氣：不含有強烈的化學污染物，但含有有機物和無機物塵埃，大氣腐蝕相對小些。第8頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.1.4提高合金抗大氣腐蝕穩(wěn)定性方法1、降低濕度2、凈化大氣3、提高金屬的耐大氣腐蝕性能第9頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.2金屬在海水中的腐蝕第10頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1、海洋大氣區(qū)——含鹽水分進入大氣。4.2.1海洋環(huán)境和海水腐蝕的特點第11頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2、飛濺區(qū)——又稱為浪花飛濺區(qū),金屬在此區(qū)腐蝕很嚴重,由于金屬表面經(jīng)常與充氣良好的海水接觸,形成了發(fā)生氧去極化腐蝕的有利條件.飛濺區(qū)約為全浸條件下腐蝕速度的3-4倍.第12頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3、潮汐區(qū)——又稱潮差區(qū),和飛濺區(qū)相似,金屬在該區(qū)域中經(jīng)受周期性海水浸泡。與飛濺區(qū)不同的是,海洋生物會在潮汐區(qū)的金屬表面上寄生,使鋼的表面加速腐蝕.第13頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4、全浸區(qū)——根據(jù)海水的深度不同,又分為淺海區(qū)和深海區(qū),在淺海區(qū)含氧量一般達到飽和濃度,隨著水深增大,腐蝕速度逐漸減小。第14頁,共54頁，2024年2月25日，星期天海水腐蝕特點(1)大多數(shù)金屬在海水腐蝕時陽極過程的阻滯很小,主要是海水的氯離子濃度高.(2)大多數(shù)金屬在海水中的腐蝕過程是氧去極化過程,腐蝕速度由氧擴散過程控制.(3)海水的電導率很高,電阻性阻滯很小.(4)海水中金屬易發(fā)生局部腐蝕破壞.第15頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.2.2影響腐蝕因素：1、鹽類及濃度:海水中Cl-含量很高,使海水腐蝕性較大,鹽濃度增大海水中溶解的氧量下降,所以溶鹽超過一定值后,金屬腐蝕下降.2、pH值：海水pH值一般在7.2-8.6之間，為中性，對腐蝕影響不大，在深海區(qū)pH值有降低，不利于生成保護性碳酸鹽水垢，使腐蝕速度增大第16頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3、溫度：從動力學角度，溫度升高，化學反應(yīng)速度提高；但溫度升高使氧氣的溶解度下降?？傮w上說，溫度升高，腐蝕速度增大。4、流速：海水的流速增大使金屬腐蝕速度增大；但對于能鈍化的金屬，有一定的流速可促進鈍化，提高其耐蝕性。5、海洋生物：海洋生物在船舶表面附著處產(chǎn)生了縫隙，易誘發(fā)縫隙腐蝕；另外，微生物生理作用會產(chǎn)生氨、二氧化碳和硫化氫等腐蝕物質(zhì)，加速金屬腐蝕；有些生物的生長穿過涂層而加速腐蝕。第17頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.2.3金屬和合金在海水中的耐蝕性

金屬在海水中的耐蝕性見P91頁，表4-6中所示。其中最耐蝕的金屬有鉬、鈦、鎢、鈮等。第18頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.2.4防止海水腐蝕的措施（1）研制和應(yīng)用耐海水腐蝕的材料,如Ti、Ni、Cu和耐海水鋼。（2）涂層保護，腐蝕最嚴重處采用護屏保護，如使用耐腐蝕合金包覆；或應(yīng)用防銹油漆等。（3）電化學保護，只限于全浸區(qū)才有效，可采用外加電流陰極保護法或犧牲陽極法。第19頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.3金屬在土壤中的腐蝕4.3.1土壤的性質(zhì)1、土壤的組成土壤由各種顆粒狀礦物質(zhì)、有機物質(zhì)及水分、空氣和微生物等組成，它含砂子、灰、泥渣和植物腐爛后形成的腐植土，有此體系中有許多彎曲的毛細管，水分和空氣所通過這些微孔到達土壤深處。第20頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2、土壤中的水分及氧土壤中的水分少，含鹽量少、電阻大。土壤中的水分多，含鹽量高，電阻小，易腐蝕。土壤干燥，含氧多。土壤潮濕，含氧少。

第21頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3、土壤中的微生物厭氧的硫酸鹽還原菌、硫桿菌、嗜氧的鐵桿菌。第22頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.3.2土壤腐蝕的特點1、土壤是一種特殊性質(zhì)的電解質(zhì)由于土壤是毛細管多孔性的，還是膠質(zhì)體系，土壤的空隙為空氣和水汽所充滿。土壤中還含有鹽類。因此，土壤具有離子導電性。土壤是一種電解質(zhì)。第23頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2、土壤腐蝕的過程

本質(zhì)：與電解質(zhì)一樣；大多數(shù)的金屬在土壤中屬氧去極化腐蝕，少數(shù)情況發(fā)生氫去極化腐蝕。第24頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（1）陽極過程：對Fe在酸性土壤中，鐵離子以水化離子的狀態(tài)溶解在土壤水分中，在中性及堿性土壤中，鐵離子以氫氧根離子進一步生成氫氧化鐵。（2）陰極過程：陰極過程主要是氧去極化作用，氧與電子結(jié)合而生成氫氧根離子。第25頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.3.3土壤腐蝕常見的幾種形式1、不均勻充氣所引起的腐蝕

第26頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2、雜散電流引起的腐蝕第27頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3、土壤中的微生物引起腐蝕（1）硫桿菌有排硫桿菌和氧化硫桿菌種。由于污物發(fā)酵結(jié)果產(chǎn)生硫代硫酸鹽、硫桿菌大量繁殖，產(chǎn)生元素硫。氧化桿菌將元素硫氧化成硫酸使土壤酸化，降低pH值，加速腐蝕。第28頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（2）微生物所產(chǎn)生一些腐蝕氣體例：硫酸鹽還原菌產(chǎn)生的氧化加重吸氧腐蝕，而S2-又加重土壤的酸性，加重土壤腐蝕。第29頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.3.4防止土壤腐蝕措施1、采用表面處理手段2、采用電化學保護3、其他第30頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.4金屬在各種化學介質(zhì)中腐蝕化學介質(zhì)(酸、堿、鹽溶液)第31頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.4.1在酸性介質(zhì)中的腐蝕酸類對金屬的腐蝕情況，要視其是氧化性的還是非氧化性的而大不相同。①在腐蝕過程中，非氧化性酸的特點是腐蝕的陰極過程純粹為氫去極化過程。②氧化性酸的特點是腐蝕的陰極過程主要為氧化劑的還原過程。第32頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.4.1.1在非氧化性酸中的腐蝕主要是析氫腐蝕：2H++2e=H2

第33頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖中，只有位于Mn+/M與H+/H之間區(qū)域（陰影線區(qū)）才有可能發(fā)生析氫腐蝕（不充氣）。第34頁,共54頁，2024年2月25日，星期天例:金屬在鹽酸中的腐蝕a)鹽酸濃度與腐蝕速度的關(guān)系(見書95頁圖4-14,4-15)b)鹽酸存在氧化劑時,銅、鉬、鎳基合金腐蝕速度顯著增加。c)在鹽酸中金屬的鈍態(tài)區(qū)很窄或完全不存在鈍態(tài)區(qū)。第35頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.4.1.2在氧化性介質(zhì)中腐蝕

主要是氧化劑的還原過程，多數(shù)是氧去極化腐蝕第36頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.4.2在堿性介質(zhì)中的腐蝕例1：鋅的腐蝕圖①在酸性范圍PH在0-4之間由于生成鋅酸鹽而不耐蝕。②pH在4-11之間,腐蝕速度隨pH的上升而下降，在pH為11時，腐蝕最慢。③pH在11-14較強堿性范圍，腐蝕速度又重新上升。因為鋅在強堿范圍內(nèi)會生成鋅酸鹽，并電離為（ZnO2）。第37頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共54頁，2024年2月25日，星期天例2：鐵的腐蝕圖①酸性范圍。②在pH4-9之間，腐蝕速度幾乎與pH無關(guān)。③pH在9-14之間，鐵的腐蝕速度大為降低。第39頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.4.3在鹽溶液中的腐蝕鹽有許多形式，它們對金屬的作用亦不相同。一般無機鹽分為三種類型。1、中性鹽中性鹽絕大多數(shù)是氧去極化引起的腐蝕。因此，溶液中的氧對腐蝕有很大影響。第41頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2、氧化性鹽①起鈍化作用——減緩腐蝕。②起陰極去極化作用——加速腐蝕。3、酸性鹽、堿性鹽一些鹽由于水解能生成酸或堿，因此它們對腐蝕速度的影響主要決定于電解液的PH值。第42頁,共54頁，2024年2月25日，星期天鋁、鉛、鋅金、鉑鐵、鎳、鈀第43頁,共54頁，2024年2月25日，星期天①氧化物可溶解于酸、亦可溶于堿。圖（a）所示，即不耐酸，又不耐堿腐蝕。②氧化物可溶解于酸、但難溶于堿。圖(b)所示。③在酸和堿中都穩(wěn)定的貴金屬見圖(c)腐蝕速度與pH無關(guān)。第44頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.4.4影響腐蝕速度的其他外界因素1、溫度影響

總的趨勢：T↑K↑氫去極化：溫度升高使陽極和陰極過程加速。第45頁,共54頁，2024年2月25日，星期天氧去極化：Fe在水中（1）封閉容器（氧不能從水中離開呈直線關(guān)系）（2）敞開容器在溫度高于80℃時，氧的影響（氧少）變的顯著，因而腐蝕速度減小。

第46頁,共54頁，2024年2月25日，星期天敞開容器封閉容器第47頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2、介質(zhì)運動速度的影響（1）對于氧去極化腐蝕，介質(zhì)運動速度可有下列作用，如圖1。一階段：由于氧輸送增強，氧去極化腐蝕加快。二階段：對于易鈍化金屬形成保護膜鈍化。三階段：由于表面膜沖刷作用，發(fā)生沖刷腐蝕。（2）對于受活化極化控制的腐蝕過程，流速對腐蝕速度沒影響，如鐵在稀鹽酸中，如圖2。第48頁,共54頁，2024年2月25日，星期天21第