腐蚀与防护-绪论教学案例

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1、西北工业大学航空学院腐蚀与防护研究所刘道新,材料腐蚀理论及应用,课 程 说 明 （1）授课方式：理论授课与专题（学生准备）讨论相结合（2）考试方式：小论文形式；原理题；PPT报告（专题） （3）先修要求： 材料学基础，大学化学，材料力学 （4）专题要求：以小论文或报告形式综述某一研究方向或领域的国内外研究进展，题目自选或参考老师提供的题目，其中要求至少查阅25篇以上的近10年内出版的参考文献作为报告的内容，并把参考文献附在报告。,“材料腐蚀理论及应用”主要内容,金属材料的化学腐蚀（高温氧化）和电化学腐蚀理论 非金属材料的腐蚀行为和原理 材料的环境敏感断裂和微动损伤 工程材料和结构的常见局部腐蚀

2、类型及其控制技术 腐蚀控制中的结构设计、环境处理、表面处理和电化学保护技术 材料的耐蚀理论 腐蚀研究方法、失效分析技术和诊断技术,*第六章：材料的耐蚀理论 第七章：腐蚀研究方法、失效分析技术和诊断技术 （1）物理方法（各种现代分析技术） 扫描电镜、X射线衍射与能谱、X光电子谱、俄歇谱、电子探针、离子探针等； （2）电化学方法（开路电位、极化曲线、交流阻抗、电化学噪声等）； （3）断裂力学方法； （4）*无损检测技术（声、光、热、电、磁等方法）,推 荐 参 考 书,刘道新主编.材料的腐蚀与防护，西北工业大学出版社，2006 肖纪美，曹楚南. 材料腐蚀学原理. 化学工业出版社，2002 孙秋霞主编

3、. 材料腐蚀与防护. 冶金工业出版社，2002 白新德主编.材料的腐蚀与控制，清华大学出版社，2005 蒋祖国主编. 飞机结构腐蚀疲劳. 航空工业出版社，1992 刘道新主编. 机械失效分析与预防技术.西北工业大学，2002 曹楚南. 腐蚀电化学原理. 化学工业出版社，2004 曹楚南. 腐蚀电化学. 化学工业出版社，1994,第1章 绪 论,腐蚀现象与定义 腐蚀的危害与经济损失 腐蚀控制（防护）及其重要性 腐蚀的分类 腐蚀的主要形态 腐蚀程度的评定方法 腐蚀的主要控制方法,材料与结构的损伤形式 三大失效形式：断裂；腐蚀；磨损,图1.1 T-39，F-4C/D/E，RF-4C，F-111C和C

4、-4A 五种飞机分解状态检查的事故累积出现率,表1.1 在一些工程工业中调查的失效原因的比例,1.1 材料腐蚀的基本概念 “金属腐蚀是金属从元素态转变为化合态的化学变化及电化 学变化”。 腐蚀可以从几个方面下定义： （1）由于材料与环境及应力作用而引起的材料的破坏和变质； （2）除了机械破坏以外的材料的一切破坏； （3）冶金的逆过程等。 “材料的腐蚀是材料受环境介质的化学、电化学和/或物理作用的 破坏现象” “材料腐蚀是材料受环境介质的化学作用或电化学作用而变质和 破坏的现象”。,腐蚀环境,自然环境： 大气、土壤、海洋、生物和微生物等 工业介质： 酸、碱、盐、工业水、熔盐、燃气、药剂、废气 等

5、,1.2 腐蚀的危害与腐蚀控制的重要性 1.2.1 腐蚀的危害 1.2.1.1 直接经济损失 腐蚀的直接经济损失是指由于腐蚀的存在而导致总费用的增量。 直接经济损失： 资本费用，包括更换设备及建筑费、富裕容量费、多余的备用设备费； 控制费用，包括维修费、腐蚀控制费； 设计费用，包括建筑材料、腐蚀容差、特殊工艺； 相关费用，包括产品损失、技术支持、保险、零件及设备存货。 美国：腐蚀造成的损失达到1100美元/（人年） 中国：腐蚀造成的损失约为400元/（人年）。 直接损失约2288亿元人民币/年 腐蚀总损失可达5000亿元 /年（约占我国GNP的5% ）,腐蚀的危害 25%GDP！,腐蚀危害遍及

6、日常生活和几乎所有的行业，包括冶 金、化工、能源、矿山、交通、机械、航空航天、 信息、农业、食品、医药、海洋开发、基础设施等。 能源和材料的损失 设备的失效，物料污染 工艺流程的中断 泄漏（跑、冒、滴、漏）、爆炸、伤亡 环境污染 高新技术产业发展的限制性因素,资源和能源的浪费,统计表明每年全球因设备和工程结构腐蚀而报 废的金属，约占金属年产量的30%，其中三分之一完全无法回收，这样全世界每年就有上亿吨的金属，因腐蚀而损耗掉了！ 仅我国每年因腐蚀报废的钢铁就相当于上海宝钢全年的产量。,有限资源与可持续发展,1.2 腐蚀的危害与腐蚀控制的重要性 1.2.1 腐蚀的危害 1.2.1.3 间接经济损失

7、 间接损失难以估计，一般包括如下几个方面： 停工，例如炼油厂更换一根腐蚀了的钢管可能只需数百美元，但当由此造成的停工一小时，产值可能损失10000美元。再如电站锅炉管因腐蚀而爆炸，造成电厂停电，由此导致其供电范围内的工厂全部停电，其损失会是十分惊人的。 降低产品效率，如腐蚀产物影响管路畅通，降低设备和管道的换热效率及输送容量等。 产品的污染，如罐头或饮料因容器器壁腐蚀造成污染而报废。,航空工业的腐蚀损伤,美国1995年：飞机金属结构的腐蚀损失每年达130亿美元，美国空军腐蚀维修费约10亿美元，海军飞机每年约花1.5亿美元用作腐蚀维护和维修。 1982年国际航空运输协会对其成员公司的调查统计表明

8、，因腐蚀导致飞机定期维修、更换机件所需费用平均为每架次每飞行小时1020美元,飞机结构腐蚀案例,2002年国航机队的767飞机因设计原因和防腐措施不到位，导致前后货舱门槛内缘条及周边框架、长桁大面积严重腐蚀，更换缘条的工作造成飞机停场25天，修理费用高大106万美元（850万人民币）。 在飞机A、C、D检中，最常见的结构故障是飞机结构件的腐蚀。,人身伤亡与环境污染,1980年3月北海油田一采油平台发生腐蚀疲劳破坏，致使123人丧生； 1984年12月3日，美国联合碳化物公司在印度一农药厂泄漏了45吨甲基异氰酸酯剧毒物，造成3500多人丧生，20多万人中毒； 1985年8月，日航一架波音747客

9、机（价值约2亿美元）由于机身增压舱端框应力腐蚀断裂而坠毁，机上524人全部遇难,材料腐蚀损伤的控制技术,合理设计结构与冷热加工工艺 合理选材与开发新材料（非晶、纳米晶、微 晶材料、非金属新材料等） 环境的处理（如三脱一注、缓蚀剂的应用等） 电化学保护（阴极保护与阳极保护） 表面涂镀层技术（湿法镀、干法镀等） 表面改性技术（机械表面形变强化、注入、 渗、合金化处理、激光、电子束、离子束、 等离子体表面处理等）,腐蚀损失（代价）= 故障损失 + 防护费用,1.3 腐蚀科学与防护技术的研究进展,（1）我国商代（公元前16世纪前11世纪）就用锡改善铜的耐蚀性，冶炼出了青铜。闻名世界的中国真漆（大漆）在

10、3000多年的商代得到了应用。发掘的2000多年前的秦始皇兵马俑坑中的青铜剑光亮如新、锋利如初，经分析表面有一层厚约10微米的含铬黑色氧化层，而基体中并不含铬。 （2）18世纪中叶开始陆续出现对腐蚀现象和防护技术的研究及阐述 。 （3）作为一门独立的学科则是二十世纪2030年，50年代后迅速发展。特别是现代测试技术的出现促进了学科进展。 （4）我国1961年成立了国家腐蚀科学学科组，中国腐蚀与防护学会于1979年12月正式成立 。2005年成功申请并举办腐蚀学科最重要的国际系列会议第16届世界腐蚀大会,1.4 材料腐蚀的分类,腐蚀分类方法有： （1）依据腐蚀环境分类法； （2）依据腐蚀机理分类

11、法； （3）依据腐蚀形态分类法； （4）依据材料的特性分类法； （5）依据应用范围或工业部门分类法； （6）依据影响因素分类法。,1.4 材料腐蚀的分类,依据腐蚀环境分类法： （1）干燥气体腐蚀（干腐蚀） ； （2）电解质溶液中的腐蚀 自然环境中的腐蚀： 大气腐蚀；土壤腐蚀；海水腐蚀；微生物腐蚀。 工业介质中的腐蚀： 酸、碱、盐溶液中的腐蚀；工业水中的腐蚀；高温高压水中的腐蚀；熔融盐中的腐蚀。 （3）非电解液中的腐蚀 （4）熔融金属的“腐蚀”“物理腐蚀”。,1.4 材料腐蚀的分类,1.4 材料腐蚀的分类,1.4 材料腐蚀的分类,依据腐蚀机理分类法： （1）化学腐蚀（Chemical Corro

12、sion） 材料与周围非电解质之间发生纯化学作用而引起的腐蚀损伤称为化学腐蚀。腐蚀反应过程中不伴随电流产生。 （2）电化学腐蚀（Electrochemical Corrosion） 金属和电解质接触时，由于腐蚀电池作用而引起的金属腐蚀现象称为电化学腐蚀。电化学腐蚀过程中有电流产生。,1.4 材料腐蚀的分类,依据腐蚀形态分类法： （1）普遍性腐蚀（或全面腐蚀）（General Corrosion） 腐蚀分布在整个金属的表面，均匀的或不均匀的。 （2）局部腐蚀（Localized Corrosion） 局部既可以是部位的也可以是成分的 。 （3） 应力作用下的腐蚀断裂 材料在应力和腐蚀性环境介质协

13、同作用下发生的开裂及断裂失效现象。,力 + 腐蚀环境 构件 低应力脆断 静应力+腐蚀SCC 交变应力+腐蚀CF 静应力+氢环境HE 微动+腐蚀FCF,应力作用下的材料环境损伤,图1.5 美国部分工业部门不同腐蚀形态所占比例统计,非金属材料的腐蚀类型,1.5 腐蚀程度的评定方法,1.5.1 均匀腐蚀程度的评定方法 1.5.1.1 重量法,1.5 腐蚀程度的评定方法,1.5.1 均匀腐蚀程度的评定方法 1.5.1.2 深度法,1.5 腐蚀程度的评定方法,1.5.1 均匀腐蚀程度的评定方法 1.5.1.2 深度法,1.5 腐蚀程度的评定方法,表1.4 均匀腐蚀的十级标准,1.5 腐蚀程度的评定方法,

14、1.5.1 均匀腐蚀程度的评定方法 1.5.1.2 电流密度表征法,1.5 腐蚀程度的评定方法,1.5.2 局部腐蚀程度的评定方法,1.6 课程章节安排,重要的科学技术问题和领域前沿,1. 金属/腐蚀介质界面反应和决定速度步骤的原位综合研究 2. 钝化、高强度不锈钢和耐蚀合金 3. 耐高温/高压、耐强腐蚀介质、耐多相流冲刷腐蚀等苛刻条件下服役的高性能复合涂层，包括添加碳化物、超细陶瓷粉等耐磨材料的复合涂层以及含纳米功能性添加剂的涂层,重要的科学技术问题和领域前沿,4.环保型涂层，包括防污损生物附着涂层、水基和无溶剂型涂层、低价镀铬、代电镀Cr技术开发 5. 利用电化学微探针技术和电子光学原位技

15、术从分子水平上研究缓蚀机理，包括缓蚀剂分子和特性官能团在表面的吸附和缓蚀机理、表面自组装膜和电聚合膜型缓蚀剂的研究、环境相容的缓蚀/杀菌/阻垢多效缓蚀剂的开发，例如用于电子装备的气相缓蚀剂的研究与开发，飞机油箱专用缓蚀剂、杀菌剂等。,重要的科学技术问题和领域前沿,6. 硫酸还原菌、铁细菌、腐生菌和硫细菌等微生物影响下的腐蚀 7. 钢筋混凝土结构腐蚀的发生发展规律和影响因素、 检测/维修/保养技术 8. 海洋平台、长输管线、跨海大桥等大型工程结构阴极保护的计算机辅助设计、以及其他根据设计规范/评价判据/专家经验建立的专家系统等智能软件的开发。舰载飞机、大型飞机的腐蚀与控制。,重要的科学技术问题和

16、领域前沿,9. 腐蚀的在线检测/评价/预测预报、大型装置的可靠性和服役适应性的评估、检修周期和腐蚀剩余寿命的评估 10. 工业装置/设备在使用寿命期内总费用的技术经济综合分析(Livetime Cycle Cost)，防护系统工程学（Terotechnology），以风险分析为基础的检测(Risk Based Inspection) 11.裂纹萌生与扩展的位错层次研究；裂纹扩展预测模型建立；损伤过程的计算机仿真,参 考 专 题： 1、大型船舶的腐蚀特点、影响因素及腐蚀控制技术研究进展； 2、跨海大桥的腐蚀隐患分析及腐蚀控制技术研究进展； 3、镁合金腐蚀行为及其腐蚀防护技术； 4、生物植入金属材料的腐蚀损伤及其防护技术； 5、固液两相中金属材料的冲蚀机理及其控制技术研究进展； 6、高强度钢腐蚀疲劳行为、机理与控制技术研究进展； 7、钛铝合金的高温氧化行为及其防护技术； 8、纳米材料腐蚀行为及其防护技