表面技術(shù)概論 表面基礎(chǔ)理論-腐蝕磨損課件

2.4金屬腐蝕原理與防護(hù)技術(shù)腐蝕就是材料與環(huán)境介質(zhì)作用而引起的惡化變質(zhì)或破壞。腐蝕對材料表面的損害不僅導(dǎo)致資源與能源的浪費(fèi)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且容易造成污染與事故，嚴(yán)重影響人民生活，甚至危及生命安全。所有的腐蝕破壞都是從損壞材料的表面開始的。要提高材料表面的耐腐蝕能力，必須先對金屬腐蝕原理與主要防護(hù)方式有一個基本了解。一、化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕原理

1．腐蝕的基本概念腐蝕的分類方法很多。按照材料腐蝕原理的不同，可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是金屬在干燥的氣體介質(zhì)中或不導(dǎo)電的液體介質(zhì)中(如酒精、石油等)發(fā)生的腐蝕，腐蝕過程中無電流產(chǎn)生。按環(huán)境不同，可將腐蝕分成三類：濕蝕:(包括水溶液腐蝕、大氣腐蝕、土壤腐蝕和化學(xué)藥品腐蝕)干蝕:(包括高溫氧化、硫腐蝕、氫腐蝕、液態(tài)金屬腐蝕、熔鹽腐蝕、羧基腐蝕等)微生物腐蝕:(包括細(xì)菌腐蝕、真菌腐蝕、流化菌腐蝕、藻類腐蝕)等。按腐蝕形態(tài)不同，可分為全面腐蝕和局部腐蝕兩大類。全面腐蝕：腐蝕分布在整個金屬表面上(包括較均勻的和不均勻的)；

局部腐蝕：腐蝕局限在金屬的某一部位。在全面腐蝕過程中，進(jìn)行金屬溶解反應(yīng)和物質(zhì)還原反應(yīng)的區(qū)域都非常小，甚至是超顯微的，陰、陽極區(qū)域的位置在腐蝕過程中隨機(jī)變化，使腐蝕分布相對均勻，危害也相對小些。而在局部腐蝕過程中，腐蝕集中在局部位置上，而金屬的其余部分幾乎沒有發(fā)生腐蝕。2．金屬化學(xué)腐蝕的基本原理

當(dāng)裸金屬表面與干燥的空氣或氧氣接觸時，首先將在表面形成氧分子的物理吸附層，并迅速轉(zhuǎn)化為一層較為穩(wěn)定的化學(xué)吸附膜。隨著氧化過程的繼續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)物質(zhì)必須先通過膜層然后再與基體起反應(yīng)，氧化速度往往由傳質(zhì)過程所控。提高材料抗氧化能力的重要途徑就是改變材料的表面成分，使其氧化動力學(xué)曲線呈對數(shù)變化。3．金屬電化學(xué)腐蝕原理

金屬材料與電解質(zhì)接觸，將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在界面處形成雙電層并建立相應(yīng)的電位。這種金屬電極與溶液界面之間存在的電位差就叫做金屬的電極電位。然而，通常所說的電極電位是指以該電極為陽極，以標(biāo)準(zhǔn)氫電極為負(fù)極構(gòu)成原電池，所測得原電池的電動勢(即原電池開路時兩個電極之間的電位差)，因此又稱為標(biāo)準(zhǔn)電極電位。

材料的種類、組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)，介質(zhì)的成分、濃度、溫度的差別，都會對材料在溶液中的電極電位產(chǎn)生影響，導(dǎo)致不同的電位值。將各種金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位按其代數(shù)值增大順序排列起來，稱為標(biāo)準(zhǔn)電位序。

由于金屬的標(biāo)準(zhǔn)電位序隨外部條件的變化而變化，常用腐蝕電位序(即各種金屬在某種介質(zhì)中的穩(wěn)定電位值按其代數(shù)值大小排列的順序)來判斷金屬腐蝕的熱力學(xué)可能性。腐蝕電位值越負(fù)的金屬越容易腐蝕。金屬在25℃時的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（V）Al:－1.67，F(xiàn)e：－0.44，Zn：－0.762，Cu：+0.345，4．腐蝕原電池與腐蝕微電池

如果把兩種電極電位不同的金屬同時放在同一種電解液中，并把它們用導(dǎo)線通過電流表連接起來，就組成了一個原電池。Cu—Zn腐蝕原電池

此外，由于材料成分和介質(zhì)或兩者同時存在著不均勻性，使金屬表面的不同區(qū)域電位值存在差別。

Fe-Fe3C微腐蝕電池示意圖電位較負(fù)的區(qū)域?qū)㈦x子化為陽極，電位較正的區(qū)域為陰極。而金屬作為良導(dǎo)體，溶液為離子導(dǎo)電體，在陽、陰極之間電位差的驅(qū)動下，形成閉路的腐蝕原電池，因其區(qū)域較小，又稱為腐蝕微電池。

二、極化作用與腐蝕速度金屬表面的鈍化與活化1.極化作用：2.鈍化----金屬表面的現(xiàn)象從熱力學(xué)上講，絕大多數(shù)金屬在一般環(huán)境下都會自發(fā)地發(fā)生腐蝕，可是在某些介質(zhì)環(huán)境下金屬表面會發(fā)生一種陽極反應(yīng)受阻的現(xiàn)象。這種由于金屬表面狀態(tài)的改變引起金屬表面活性的突然變化，使表面反應(yīng)(如金屬在酸中的溶解或在空氣中的腐蝕)速度急劇降低的現(xiàn)象，就稱為鈍化。鈍化大大降低了金屬的腐蝕速度，增加了金屬的耐蝕性。金屬鈍化后所處的狀態(tài)叫鈍態(tài)，鈍態(tài)金屬所具有的性質(zhì)稱為鈍性。

例如，被過分拋光的金屬表面可產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象。被拋光的金屬表面有較好的抗蝕性能。如將鋼鐵零件拋光，滲氮就會變得困難，使?jié)B氮層變薄或完全沒有滲氮層。

金屬表面的鈍化雖然可以減緩材料表面的氧化或腐蝕過程，但鈍化膜的存在卻是實施許多表面工程技術(shù)的障礙，使得表面涂層、鍍層與金屬基體的結(jié)合力大幅度降低。為此，大部分表面工程技術(shù)實施之前都要進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理，使基體表面處于活化狀態(tài)，即獲得清潔表面。3.金屬表面活化過程是鈍化的相反過程。(1)金屬表面凈化

(2)增加金屬表面的化學(xué)活性區(qū)三、腐蝕的主要形式

各種材料或構(gòu)件都是在特定的環(huán)境條件下使用的環(huán)境條件不同，材料的耐蝕性差別很大。金屬腐蝕的主要形式有三種：即局部腐蝕、全面腐蝕和在機(jī)械力作用下的腐蝕。四、金屬材料腐蝕控制及防護(hù)方法

1．產(chǎn)品合理設(shè)計與正確選材

任何一種材料或制品，經(jīng)長期使用或貯存后完全不發(fā)生腐蝕是不可能的。但是，多年的實踐表明，材料及其制品發(fā)生腐蝕的原因，許多是由于人們對腐蝕理論不夠了解，對長年積累起來的防腐蝕經(jīng)驗和技術(shù)不夠重視所造成的。

腐蝕及其控制是一個貫穿產(chǎn)品設(shè)計、試制、生產(chǎn)、使用和維護(hù)等各個環(huán)節(jié)的重要問題。

產(chǎn)品設(shè)計時不僅要考慮材料的機(jī)械性能，而且必須了解產(chǎn)品的使用和工作環(huán)境。對一些產(chǎn)品，如許多板件、管件、鑄件、鍛件和化工用的槽池等，壁厚設(shè)計時除了要考慮必要的機(jī)械強(qiáng)度保障以外，還必須預(yù)留一些腐蝕余量；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要注意設(shè)計合理的表面形狀，連接工藝中注意少留死角，以避免水分或其它腐蝕介質(zhì)的存留，造成縫隙腐蝕；產(chǎn)品設(shè)計中，不可避免地要使用各種不同材料，因此選材時必須考慮不同材料相互接觸時可能產(chǎn)生的電偶腐蝕問題；

對于受力構(gòu)件，應(yīng)力分布的不均勻性可能引起應(yīng)力腐蝕斷裂和腐蝕疲勞，尤其要注意殘余應(yīng)力對腐蝕過程的影響。此外，在金屬材料的冷、熱加工及裝配過程中，也要注意防止腐蝕的發(fā)生。陽極保護(hù)法則是使腐蝕件的電位正移，使表面形成穩(wěn)定的鈍態(tài)而受到保護(hù)。實現(xiàn)陽極保護(hù)的方法一種是施加外電流，被保護(hù)工件為陽極；另一種是在被保護(hù)的工件或合金中加入可鈍化的元素，使表面形成穩(wěn)定的鈍化膜。當(dāng)介質(zhì)中含有濃度較高的活性陰離子時，不能采用陽極保護(hù)法3．表面覆層及表面處理

(1)陽極性金屬覆層這種覆層除了自身有一定耐蝕性外，還可以作為陽極對基體金屬起保護(hù)作用。即使基材受到難以避免的裸露(如擦傷時)，仍可作為陰極而受到涂層保護(hù)。如鋼鐵表面的鋅、鋁、鎘覆層和高含量的鋅、鋁粉調(diào)制的有機(jī)涂層等。在大氣介質(zhì)中，鋅為陽極，優(yōu)先腐蝕，鐵得到保護(hù)，而受腐蝕的鋅表面上形成一層致密的氧化膜又阻止了鋅的繼續(xù)氧化。(2)陰極性金屬及非金屬涂層Questionsfordiscussion:腐蝕及其危害、化學(xué)腐蝕及其基本原理、電化學(xué)腐蝕及其基本原理、產(chǎn)生金屬腐蝕的驅(qū)動力、腐蝕分類方法、金屬氧化的動力學(xué)過程三種模式、金屬的電極電位、標(biāo)準(zhǔn)電極電位、腐蝕原電池與腐蝕微電池、金屬表面的鈍化與活化、金屬腐蝕的主要形式、金屬材料腐蝕控制及防護(hù)方法、電化學(xué)保護(hù)方法：陰極保護(hù)與陽極保護(hù)方法磨損是材料三大主要失效形式之一，它造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的。耐磨性不像力學(xué)性能和物理性能那樣屬于材料的固有特性，而受到摩擦學(xué)系統(tǒng)中接觸條件、工況、環(huán)境、介質(zhì)等多方面因素的影響，是一個系統(tǒng)性質(zhì)。

材料的磨損始于表面，表面性能是決定材料耐磨性的關(guān)鍵。而磨損失效過程和方式的不同，對材料表面所要求的性能相差很大。一、固體材料的摩擦與磨損

1．摩擦系數(shù)相互接觸的物體相對運(yùn)動時產(chǎn)生的阻力，稱為摩擦。摩擦存在于固體、氣體和液體之間。材料的磨損則指相對運(yùn)動的物質(zhì)摩擦過程中不斷產(chǎn)生損失或殘余變形的現(xiàn)象。顯然，材料的摩擦與磨損是因果關(guān)系。

摩擦力

F=μN(yùn)

式中，F(xiàn)為摩擦力(切向力)；N為法向力(載荷)；μ為摩擦系數(shù)。材料或體系的耐磨性高低一般用摩擦系數(shù)來表征。摩擦系數(shù)μ屬于材料常數(shù)之一。但近年來研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)潤滑條件、固體材料、環(huán)境介質(zhì)、工作參數(shù)等參數(shù)發(fā)生變化時，摩擦系數(shù)也發(fā)生很大的變化。

2．摩擦與磨損的分類按照實際工作條件的差別，將摩擦分為四類：即干摩擦、邊界潤滑摩擦、流體潤滑摩擦和滾動摩擦。

按照磨損機(jī)理的不同，可以將磨損分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動磨損、沖蝕(包括氣蝕)磨損和高溫磨損七大類。實際上，一種摩擦方式常常包含幾種磨損機(jī)理。上述磨損機(jī)理中，最基本的是粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。各種復(fù)雜的磨損現(xiàn)象不外乎是這些基本機(jī)理單獨或綜合的表現(xiàn)。例如，滑動干摩擦過程依據(jù)相對運(yùn)動的材料不同，可能發(fā)生粘著磨損、磨粒磨損，或兩者兼而有之。

磨料磨損機(jī)理是屬于磨料的機(jī)械作用，這種機(jī)械作用在很大程度上與磨料的性質(zhì)、形狀及尺寸大小，固定的程度以及載荷作用下磨料與被磨材料表面的機(jī)械性能有關(guān)。油環(huán)因為磨料磨損而損壞較為嚴(yán)重2.粘著磨損粘著磨損(adhesivewear)，又稱咬合磨損，它是指兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)(固相粘著)，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個表面之間。4.沖蝕磨損沖蝕磨損是由于含固態(tài)粒子的流體(常為液體)沖刷造成表面材料損失的磨損。二、提高零件耐磨性的途徑

機(jī)械零件磨損失效過程復(fù)雜，受材料成分和性能、環(huán)境溫度和介質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造過程和工藝、設(shè)備安裝與使用等多種因素的影響。

迄今為止，尚無一個較為簡單和通用的方法來預(yù)測零件的磨損壽命，也無合適的公式、手冊來準(zhǔn)確推算和記錄各種性能。然而，設(shè)計或改善機(jī)械零部件的耐磨壽命，是工程技術(shù)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。為此，應(yīng)該從以下幾個方面入手：

1．工程結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計：

工程結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計是提高零件耐磨性的基礎(chǔ)。它包括兩方面的含義：一方面，產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計必須合理。

在滿足工作條件的前提下，盡量降低對磨材料的交互作用力，否則，再優(yōu)良的耐磨材料也無法有效提高其磨損壽命，當(dāng)工程中發(fā)現(xiàn)某種零件的耐磨性很差時，首先要考慮的就是能否從設(shè)計原理上加以改進(jìn)降低摩擦力或減小摩擦系數(shù)。另一方面，設(shè)計時應(yīng)對零件的重要性、維修難易程度、產(chǎn)品成本、使用特點、環(huán)境特點等預(yù)先進(jìn)行綜合分析。2．零件磨損機(jī)理預(yù)測、分析和耐磨材料的選擇

由于材料的耐磨性是系統(tǒng)性質(zhì)，影響因素眾多。不同的磨損失效方式，影響耐磨性的因素相差很大，對材料力學(xué)性能的要求也不相同。增加材料硬度可以提高耐磨損能力，但