材料腐蝕與防護(hù) 緒論課件

1、 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 第五節(jié) 材料腐蝕與防護(hù)的研究內(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Fe2O3H2O。 銅腐蝕-則生成銅綠CuSO43Cu(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)；

2、 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。早在年由明尼蘇達(dá)州交通部門作出的一份研究報(bào)告顯示，大橋連接路堤和主橋的引橋“存在老化問題”。同時(shí)，支撐橋梁的主結(jié)構(gòu)桁架也存在“老化問題”。 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 可見，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

3、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，其他金屬能級都要高于它們化合物，都具有自發(fā)回到低能級礦石狀態(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(以后會講到，這稱為鈍化現(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(又稱孕育期)。在此之前，材料安然無恙，但產(chǎn)生點(diǎn)蝕后，材料的腐蝕發(fā)展不可等閑視之。 （2）

4、其表現(xiàn)形式可能很難被發(fā)覺。 如：有些腐蝕類型，如含裂紋局部腐蝕，靠肉眼或簡單儀器很難發(fā)覺。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： “在周圍介質(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)與周圍環(huán)境的作用而產(chǎn)生的破壞”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)稱為腐蝕，強(qiáng)調(diào)力學(xué)或機(jī)械作用時(shí)則稱為摩擦磨損。

5、如兩者作用相當(dāng)，習(xí)慣上稱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)生的慢性過程 有報(bào)道：巴拿馬運(yùn)河海水中不銹鋼閘門工作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，這些都說明腐蝕過程之慢。 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：腐蝕的對象 腐蝕的性質(zhì) 腐蝕的后果第二節(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： 最重要、最常見、基本的損壞

6、種類：腐蝕、磨損和斷裂，決定了材料的壽命； 材料在服役損壞過程中，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1020的金屬損失掉了。2003年世界的鋼產(chǎn)

7、量達(dá)到9.625億噸，中國的鋼產(chǎn)量高達(dá)2.2億噸，美國的鋼產(chǎn)量為0.914億噸 3、世界每年腐蝕掉的鋼大于美國的鋼產(chǎn)量；中國一年就有2200萬噸鋼被腐蝕掉了，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6周，這次腐蝕事故總維修費(fèi)50萬美元，停產(chǎn)造成的稅收損失高達(dá)500萬美元。 1966年某天然氣井的套管發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，造成井噴和特大爆炸，人員傷亡，日產(chǎn)百萬立方米的高產(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)7000萬元。1985年日本的一架波音747客機(jī)，由于應(yīng)力腐蝕斷裂

8、而墜毀，死亡500余人。 1997年某化工廠18個(gè)乙烯原料儲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)* 材料腐蝕帶來的經(jīng)濟(jì)損失約占國民生產(chǎn)總值的1.84.2左右* 1995年，美國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年中國工程院的調(diào)查結(jié)果表明，我國腐蝕損失（包括直接和間接損失）達(dá)到4979.2億元。2

9、.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?？刂频闹匾裕?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)研究和開發(fā)

10、腐蝕測試、檢測和監(jiān)控方法。 為保障工程裝備安全可靠地運(yùn)行，研究和開發(fā)適用于實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場的腐蝕測試、檢測和監(jiān)控的方法及規(guī)范。材料腐蝕與防護(hù)科學(xué)在發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)中的意義 1材料腐蝕問題遍及國民經(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)的成本問題普及和提高防腐知識，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)損失和安全問題。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)場去土銹后，表面光亮如新，劍刃非常鋒利，一劍可劃透12

11、層報(bào)紙。經(jīng)電子探針和質(zhì)子X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，為了證實(shí)Cu 2S存在的可靠性，又用自制的銅錫合金塊狀樣品（其中銅83，錫123）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

12、用一個(gè)月后分析所得的結(jié)果相近。由此推測，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)我國古代科技史上這項(xiàng)重要成果。 目前主要的分類方法有：1）腐蝕環(huán)境分類法； 2）腐蝕機(jī)理分類法； 3）腐蝕形態(tài)分類法； 4）材料的特征分類法； 5）影響因素分類法； 6）應(yīng)用范圍或工業(yè)部門分類法； 第四節(jié) 材料腐蝕的分類常用前三種分類： *按腐蝕環(huán)境分類：（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(Atmospheric Corrosion

13、)。 (2)土壤腐蝕(Soil Corrosion)。 ， (3)海水腐蝕(Corrosion in Sea Water)。 (4)微生物腐蝕(Microbial Corrosion)。 2工業(yè)環(huán)境中的腐蝕 (1)酸、堿、鹽介質(zhì)的腐蝕。 (2)工業(yè)水中的腐蝕。 *按腐蝕機(jī)理分類：（有利于研究腐蝕的微觀機(jī)制）可分為四大類 。 *按腐蝕形態(tài)分類：（有利于辨別和診斷腐蝕失效）分為全面腐蝕、局部腐蝕兩大類。 全面腐蝕(General Corrosion) 腐蝕分布在整個(gè)金屬表面上，它可以是均勻的，也可以是不均勻的。 局部腐蝕(Localized Corrosion) 局部腐蝕主要發(fā)生在金屬表面某一區(qū)域

14、。 局部腐蝕的類型 (1)小孔腐蝕(Pitting) (2)縫隙腐蝕(Crevice Corrosion) (3)電偶腐蝕(Galvanic Corrosion) (4)晶間腐蝕(Intergranular Corrosion)(5)應(yīng)力腐蝕破裂(Stress Corrosion Cracking) (6)氫脆(Hydrogen Embrittlement) (7)腐蝕疲勞(Corrosion Fatigue) (8)選擇性腐蝕(Selective Corrosion) 金相組織腐蝕其它分類：按材料的特征和種類分類：金屬材料的腐蝕、無機(jī)非金屬材料腐蝕、有機(jī)材料腐蝕、復(fù)合材料腐蝕。 按應(yīng)用范圍和

15、部門分類：自然環(huán)境腐蝕、工業(yè)環(huán)境腐蝕。第五節(jié) 材料腐蝕程度的表示方法 1重量指標(biāo)： 材料因腐蝕而發(fā)生的重量變化，換算成相當(dāng)于單位材料表面積于單位時(shí)間內(nèi)重量變化的數(shù)值, 常用單位：mg/cm2h 失重法：增重法：2. 深度指標(biāo)： 材料的厚度因腐蝕而減少的量，以長度單位表示，并換算成單位時(shí)間的數(shù)值，常用單位：mm/a 3. 電流指標(biāo)： 用腐蝕金屬的陽極電流密度的大小，衡量金屬腐蝕速度的快慢，常用單位：mA/cm2假如電流強(qiáng)度為I，通電時(shí)間為t，則通過的電量為It。lmol物質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所需的電量為1個(gè)法拉第(Faraday)， 即9648496500(Cmol)。從而可得出金屬陽極溶解的質(zhì)量

16、為：全面腐蝕金屬表面積可看作是陽極面積S，從而得出腐蝕電流密度 腐蝕速度與腐蝕電流密度之間關(guān)系： 可見：腐蝕速度與腐蝕電流密度成正比 同理腐蝕深度與腐蝕電流密度的關(guān)系為： 常用腐蝕速率單位的換算關(guān)系 根據(jù)金屬全面腐蝕的材料耐蝕性，可分類為十級標(biāo)準(zhǔn)或三級標(biāo)準(zhǔn) 研究內(nèi)容：1. 材料與環(huán)境介質(zhì)作用的基本規(guī)律;2. 材料腐蝕的可能性-熱力學(xué);3. 材料腐蝕的速率和機(jī)理-動力學(xué);4. 在多種條件下控制或防止腐蝕的措施。 研究目的：減少損失和降低防腐成本 ， 延長其使用壽命。腐蝕損失和防護(hù)費(fèi)用與防腐蝕程度關(guān)系第六節(jié) 材料腐蝕與防護(hù)的研究內(nèi)容與目的 1）腐蝕是門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科，有越來越多相鄰學(xué)科滲透到

17、腐蝕研究中。 必須具有：化學(xué)基本理論，尤其是物理化學(xué)和電化學(xué)知識， 材料學(xué)知識。2）腐蝕學(xué)科又是一門緊密聯(lián)系實(shí)際的工程科學(xué)，以解決實(shí)際工程問題為學(xué)科推動力。 包括兩大組成部分：一部分是腐蝕科學(xué)，從事腐蝕機(jī)理研究，發(fā)展腐蝕科學(xué)理論體系，解釋腐蝕起因，了解腐蝕規(guī)律，提供防止腐蝕損失的可能途徑。另一部分是腐蝕工程，采用積累的知識，發(fā)展切實(shí)可行而又經(jīng)濟(jì)的防腐蝕技術(shù)。第七節(jié) 腐蝕與防護(hù)科學(xué)的學(xué)習(xí)方法腐蝕科學(xué)和腐蝕工程基本知識，在內(nèi)容上大致分為4個(gè)部分： 1)腐蝕基礎(chǔ)理論：主要是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕理論體系，了解化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕本質(zhì)、基本理論。 2)實(shí)際腐蝕分析：介紹具體環(huán)境、具體材料的腐蝕，各種局部腐蝕特點(diǎn)和規(guī)律。 3)防腐蝕技術(shù)：介紹選材、覆蓋層、技術(shù)等基本的防腐蝕技術(shù)。 4)腐蝕檢測和計(jì)量：介紹腐蝕測量、試驗(yàn)技術(shù)及腐蝕數(shù)據(jù)處理和腐蝕評價(jià)模型。 認(rèn)知材料腐蝕學(xué)科。掌握材料腐蝕基本規(guī)律；了解材料與環(huán)境關(guān)系，正確合理使用材料；了解耐蝕材料，學(xué)習(xí)防腐蝕基本原理和材料防護(hù)知識；學(xué)習(xí)本課程目的1. 概述2. 高溫腐蝕以及防護(hù)3. 腐蝕的電化學(xué)理論基礎(chǔ)4. 全面腐蝕和局部腐蝕5. 應(yīng)力作用下的腐蝕6. 自然腐蝕7. 材料的耐腐蝕性 8.高分子材料的腐蝕9.無機(jī)非金屬材料的腐蝕10. 腐蝕控制方法及選擇11.防腐設(shè)計(jì) 本課程的主要內(nèi)容參考資料：1.材料腐蝕與防護(hù)，孫秋霞主編，人民交通出版社2.