材料腐蚀与防护 绪论1解析

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1、金属腐蚀与防护 corrosion and protection of metals 亢淑梅 kang shumei 参考书目 bibliography 材料的腐蚀与防护 曾荣昌，韩恩厚等编著 ，化学工业出版社 材料腐蚀学原理 肖纪美，曹楚南编著，化 学工业出版社 金属电化学腐蚀与防护张宝宏，丛文博， 杨萍编，化学工业出版社 corrosion 绪论 Introduction 常见腐蚀现象 phenomenon 生锈 rust 铜绿 patina 非金属材料的腐蚀 nonmetal material 腐蚀的危害 damage *4 5 http:/www.nace.org/nace/conte

2、nt/library/photogallery/showLarge.asp?PhotoID=145 Atmospheric Corrosion 6 Atmospheric Corrosion of Bronze Structure, Brandenburg Gate - Berlin http:/www.nace.org/nace/content/library/photogallery/showLarge.asp?PhotoID=145 Courtesy of: Toni A. Pfaff 7 Corrosion of Reinforcement of Concrete Pier Colum

3、ns http:/www.nace.org/nace/content/library/photogallery/showLarge.asp?PhotoID=145 Courtesy of: CC Technologies 8 Corrosion of Reinforcement of Concrete Pavement http:/www.nace.org/nace/content/library/photogallery/showLarge.asp?PhotoID=145 Courtesy of: Toni A. Pfaff 9 Corrosion in Chemical Plants ht

4、tp:/www.nace.org/nace/content/library/photogallery/showLarge.asp?PhotoID=145 Courtesy of: Toni A. Pfaff 10 Corrosion of Crude Oil Pipeline VOA News, 07 August 2006: “Shutdown of BP Operations in Alaska Causes Spike in World Oil Price .” u 腐蚀问题与人类社会息息相关 锅炉供暖系统：氧腐蚀、CO2腐蚀、结垢、电偶腐 蚀 解决措施：脱氧、缓蚀剂、氮气养护 长江大桥

5、护栏：表面涂刷油漆 需定时维护，即把不再起保护作用的旧油漆层清 除掉，刷上新的油漆层。 于是有的大桥就常年有工人在进行刷油漆层的维 护工作，从桥的这一头起，工作到另一头时，正好又 要从这一头开始新的维护工作。 铁路钢桥桥梁的主体部分是上部结构，受到的主要是 大气腐蚀。随着大气环境的不同，桥梁受到的腐蚀也不同 。 跨海大桥受到海洋性气体中氯离子的侵蚀、腐蚀环境 最为恶劣。处于工业区和城市的桥梁，由于大气环境很差 ，受到的腐蚀也很严重。 铁路钢桥大多采用明桥面，列车垃圾及废水对铁路桥 面的腐蚀产生最直接的影响。 在过去长时期内，蒸汽机车一直是我国铁路货运的主 力机车，运行过程产生的水汽、煤气及一氧

6、化碳等气体， 使铁路钢桥的微环境更加恶劣。 现在蒸汽机车已逐渐被淘汰，改为以内燃机车为主要 机车，其废气对钢梁的腐蚀也很不利。 古希腊早在公元前就提出了用锡来防止铁的腐蚀。我 国商代就已经用锡来改善铜的耐蚀性而出现了锡青铜。 凯依尔（Keir)在1790年详细论述了铁在硝酸中的钝 化，从此研究金属在各种介质中破坏的科学才活跃起来。 哈尔（Holl）在1819年证明铁在没有氧的情况下是不 会生锈的。 德维（Dary）在1824年证明，当没有氧时，海水并 不对钢起作用；在同年他又提出了用锌保护钢壳船的原理 。 电离理论以及法拉第（Faraday）定律的出现对腐蚀 的电化学理论的发展起到了重要的推动

7、作用。 德拉李夫（De La Rive）在1830年提出了腐蚀电化 学的概念（即微电池理论），随后能斯特定律、热力学腐 蚀图（pH-E）等也相继产生，并创立了电极动力学过程 的理论。 到了20世纪初，腐蚀学科成为一门独立的科学，在科 学领域中占有一定的位置。 为了改变这种状况，我国于1978年专门成立 了腐蚀科学组并组建了腐蚀学术委员会，建立了腐 蚀研究机构（如中科院原沈阳腐蚀与防护研究所、 青岛海洋腐蚀研究所等），同时加快了科技人才的 培养，加强了国际学术交流，极大地促进了我国腐 蚀科学水平的提高。 我国的腐蚀科学发展较晚，与发达国家相比， 我国腐蚀科学还有较大的差距。 能源与新材料、生物技

8、术、信息技术一起构成了文明 社会的四大支柱。 腐蚀是材料研究重要组成部分。 一般说，材料在环境中服役时有三种基本失效形式， 腐蚀是较重要一种。另两种失效形式分别是磨损和断裂。 二、金属腐蚀与防护的重要性 腐蚀造成的间接损失比较难统计，一般是直接损失 的几倍，如：我国中原油田，1993年度，管线、容器穿 孔8345次，更换油管总长590 km，直接经济损失7000多 万元，而产品流失、停产损失、效率损失和环境污染等 造成的腐蚀间接损失高达两个亿。 腐蚀的重要性首先来自经济方面，这是腐蚀学科最 初发展原动力。腐蚀给国民经济带来巨大损失，估计全 世界每年因腐蚀报废的钢铁设备折合钢年产量30。 英国1

9、969年“Hoar”报告称腐蚀每年给英国造成至少 13.65亿英镑损失，1975年美国国家标准局(NBS)调查， 美国每年腐蚀直接损失达700亿美元。 按当前不十分完全的统计统计 ，每年为为腐蚀蚀支付的直接 费费用已达人民币币2,000亿亿元以上。 1998年我国因腐蚀蚀造成的损损失已达到2,800亿亿元，约 占国民生产总值(GNP)的4，每年约有30的钢铁因腐 蚀而报废。腐蚀严重的石油和化学工业的损失已达到300 亿元左有，化工生产中因腐蚀造成的事故约占总事故的11 。 美国1998年总总的腐蚀损蚀损 失为为2,757亿亿美元，其中直接 经济损经济损 失为为1,379亿亿美元；日本1997年

10、的腐蚀损蚀损 失为为 52,580亿亿日元，占当年国民生产总值产总值 (GNP)的1.02%。 全球每年腐蚀经济损失约10,000亿美元，占各国国民 生产总值(GNP)的24，腐蚀损失为综合自然灾害损失 ，即地震、台风、水灾等损失总和的6倍。 腐蚀重要性的第二个领域来自安全和减少灾难性事故 的考虑。 第15届世界石油大会综合报告中曾提到1992年国外某 炼油厂因腐蚀导致液化石油气管道泄漏事故，造成6人死 亡、3亿美元财产损失的事例，更糟糕的是：精密的腐蚀 监测仪器竞未能事先发现这个隐患；汽车、轮船、飞机许 多事故也或多或少和腐蚀有关。 1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机在卡纳维 尔

11、角发射升空，起飞74秒后随着强烈爆炸声，7位太空人 ，包括一名中学女教师，连同价值十几亿美元的飞船，全 部葬身大西洋底。惨祸原因竟是某种合成橡胶密封圈在低 温环境下的失效(发脆、变粘是橡胶在环境作用下损伤的 主要表现形式)。 *20 p在美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之间的一座桥梁于1967 年12月突然坍塌，当时桥上的车辆和行人纷纷坠入河中 ，死亡46人。事后经专家鉴定，发现钢梁因应力腐蚀和 疲劳的联合作用，产生裂缝而断裂。 p在我国，1968年，威远至成都的输气管道泄漏爆炸，死 亡20余人。四川气田，因阀门腐蚀破裂漏气，造成火灾 ，绵延22天，损失6亿元人民币。天津某纺织厂，锅炉 因腐蚀而爆炸

12、，锅炉顶盖冲破室顶，飞出数十米远，当 场死亡10余人。 *21 p某厂卤水蒸发器一效加热室列管使用钛合金制造加热管 间通入温度为127147 的蒸汽，使管内卤水加热到 115135 。管内卤水含氯化钠280 g/L左右，pH 5.56.5。投入运行仅10个月，就有几十根钛管破裂穿 孔。 原因：钛在大气、海水和天然水中都具有优异的耐蚀性 能，缘于钛的钝化能力极强。对于常温下的稀盐酸（ 5%以下）、湿氯气、氯化物溶液耐蚀性优良。但即使 是中性氯化物溶液，若温度超过110 ，钛及其合金也 将发生腐蚀。 腐蚀重要性的第三个领域来自节约资源、能源，保护 环境等方面考虑。 由于腐蚀，大量得之不易的有用的材

13、料变成废料。 由于人们无节制地开采和使用原材料，地球上的有限 资源日益枯竭，与此同时，世界每90 s就有1 t钢腐蚀成铁 锈。而炼制1 t钢所需的能源则可供一个家庭用3个月。 每年花费大量资源和能源生产的钢铁，有40左右被 腐蚀而腐蚀后完全变成铁锈不能再利用的约占10。 在我国，因为腐蚀使传热效率降低，每年多消耗1750 万吨标准煤；排出的有害气体也大大增加。 虽然工业对环境的污染不仅仅是设备腐蚀造成的，但 腐蚀确实占了很大的份额。设备和管道因腐蚀而泄漏，使 有毒有害物料进入大气、土壤和水源，既污染了环境，又 是生产物料的浪费。 为了减轻腐蚀，保护设备，使用某些涂料和缓蚀剂(如 水处理中使用的

14、铬酸盐、聚磷酸盐)对环境也是有害的。 英国腐蚀学家何尔在1971年提出的腐蚀调查报告 中指出，1969年英国的腐蚀损失13.65亿英镑中，如果 有效使用已有的防护技术可以减少3.1亿英镑。 美国国家标准局在1976年发表的腐蚀调查报告中 使用了“可避免损失”和“不可避免损失”的术语。前音 指应用已有的防腐蚀技术可以减少的损失。 一般认为，可避免的损失在总的腐蚀损失中占 1/71/4。 例如，降低环境污染（重金属、酸雨、颗粒物、 溶雪剂等）可以起到降低腐蚀损失的作用。 化学腐蚀与电化学腐蚀的比较 依据腐蚀机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。前者的特征是 腐蚀产物生成于发生腐蚀反应的表面，由于它覆盖在金

15、属表面 ，使进一步腐蚀可减速进行；后者的受蚀区域是金属表面的阳 极，腐蚀产物常常发生在阳极与阴极之间，不能覆盖被蚀区域 ，起不到保护作用。 0.1材料腐蚀的基本概念basic concept 0.1.1材料 materials 材料的定义 definition 材料包括四要素，即：成分/结构、制备、合成、 性能和使用效能。其中，性能受到环境因素如气氛、 温度、时间、受力状态的影响，以致材料不堪使用发 生失效如腐蚀、蠕变、疲劳和应力腐蚀、磨损、辐射 损伤和断裂等。这样的结果不但增加生产维修成本而 且可能产生事故隐患，甚至带来巨大的灾难。其中又 以腐蚀的伤害最大，影响也最严重，因此认识并防治 腐蚀

16、，是学习材料必备的课题。 0.1.2腐蚀 corrosion 从热力学观点出发，自然界中绝大多数的物质都 有变成氧化物或是形成稳定化合物的倾向，除了金、 铂等贵金属外，自然界中甚少有纯金属存在。因此， 从矿石或是氧化物中提炼完成所需的工程材料，例如 ：铁、铜、铝、镁时，他们就开始有了回归到稳定状 态的趋势，在环境许可下，他们会再度变为金属化合 物，这种现象可认为是发生腐蚀的根本原因。这些环 境因素有：水分、温度，或是酸、碱、盐等化学物质 。 材料腐蚀是材料受其周围环境介质的化学、电 化学和物理作用下引起失效破坏的现象。 金属腐蚀是金属与周围环境（介质）之间发生 化学或电化学作用而引起的破坏或变质。 非金属腐蚀是非金属材料由于在环境介质的化 学、机械和物理作用下，出现老化、龟裂、腐烂和 破坏的现象。 0.2研究材料腐蚀的重要性 importance 0.2.1腐蚀与防护历史 corrosion and control history 我们的祖先早就对腐蚀与防护科学技术 的研究做出了卓越的贡献。从已发掘