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1、常用金属材料1. 碳钢和普通铸铁碳钢和铸铁是应用最广泛的金属材料。纯铁 是光泽的白色金属，有铁磁性，相对相对密度7.86,熔点1535,沸点3000C, 在觉化合物中为+2, +3, +6价，在25C水溶液中的标准电极电位是：Fe = Fe2+2e -0.440VFe = Fe3+3e -0.036V(2) 碳钢和铸铁都是铁碳合金，成分比较复杂，但基本上是铁和碳所组成的。一般碳 的质量百分含量0.02%2%的称为钢j破的质量百分含量大于2髓的称为铸铁。基本金 相组织都是铁素体、渗碳体和石墨，三者的电位相差很大：石墨(+0. 370V) 渗碳体 石墨(-0. 440V)。因此，当它们和电解质溶液
2、接触时，所形成的微电池加速其电化学腐 蚀。含碳量对碳钢和铸铁的性质有决定作用。碳钢和普通铸铁的耐蚀性不良。在大气、土壤、海水和淡水等中性水溶液中，主要发 生氧去极化腐蚀。(3) 钢铁在于燥大气中的腐蚀 在于燥的大气中，铁被氧氧化生成:FeO、Fe203或Fe3O4。 在500C以上，钢铁遭到含氧大气酌高温腐蚀，产生氧化皮。例如，钢铁在浇铸、锻造、 焊接、炼制、轧制等热加工过程中，在石油化工厂的管式加热炉管外壁等都发生高温氧 化。表2-1表明钢铁在空气中的氧化速度随温度的不同而改变。表2-1温度对软钢在空气中的氧化速度的影响软钢在给定温度下的空气中暴露24h。钢铁在200300C的空气中，表面开
3、始出现可见的氧化膜。刚着温度的升高，氧化 速度加大。但在570C时；i氧化速度述是比划低的。当温度600CE时，氧化速度显 著加快；600cE是钢铁可以逢凋续使用的温度上限。在600C的大气中，钢铁的氧化和 脱皮严重。在570C时，钢铁高温氧化生成的氧化膜的结构比较复杂；是由三种不同价态的氧 化物所组成的。从里及表，分别是FeO/Fe304 /Fe203。其增长过程是Fe2+与电子e通过 表层的FeO膜向外扩散，Fe2+和Fe3+穿过Fe304膜向外扩散，O2-通过Fe203层向内扩散。 FeO属于p型半导体，有高浓度的：Fe2+空位，使Fe2+迅速扩散，氧化物层快速增长。 在Fe304中，p
4、型半导体占优势，有80%的离子电导是由Fe2+离子提供的，而20%是由 O2-的扩散提供的Fe203是有阴离子空位的N型半导体。在Fe2O3及Fe304的界面上，Fe2+、 Fe3+和 O2-发生反应，生成Fe20和Fe3O4。在FeO与Fe3O4的界面上，Fe304分解成FeO, 并产生阳离子空位。在570C的空气中，钢铁所生成的Fe2O3和Fe3O4具有一定的保护作用十使进一步的 氧化速度变慢。当温度570C时，在铁的氧化层中，出现许多有晶格缺陷的FeO,使 Fe2+容易扩散，所以铁的氧化速度明显增大。空气的组成，对铁的高温氧化有很大影响，尤其是空气中的水蒸气和硫的化合物的含 量影响更为显
5、著。(4) 钢铁在潮湿大气中的腐蚀钢铁在潮湿大气中最先形成的铁锈的主要成分是 Fe2O3 nH2O。当锈层达到一定的厚度时，又处于潮湿环境中，锈层影响氧的扩散， Fe2O3nH2O作为氧化剂，发生下列反应；生成黑色的磁性Fe3O4：4Fe O nHQ+Fe2+2e=Fe3O4+4nH2O2 32342当锈层干燥时，氧气可以透过，Fe304又被氧气重新氧化，生成铁红色的Fe203，发生 的反应：4Fe304+02=6Fe203当锈层再受潮时，在接近基体处舶Fe203吸水，重新转化为Fe304。由此可见，如果钢 铁在十/湿交替的环境中，锈层的存在会加快其腐蚀。page(5) 钢铁在水中的腐蚀 当水
6、中有溶解氧存在时，碳钢和普通铸铁都不耐蚀。当水中的 氧的浓度达到某临界值时，钢铁发生钝化，使腐蚀减缓。当水中溶解氧消耗完后，而水 中又没有别的氧化剂；水不再腐蚀钢铁。如果水中有氧，又有少量活性离子；如氯离子， 钢铁发生严重的局部腐蚀，甚至穿孔。例如，北京某一饭店；尚未开业，即发生1. 2mm 厚的钢制水暖散热器片多处穿孔，最短的通水运行周期才38天，即属于此种情况。由于海水中有大量的氯离子/即使已钝化的钢铁，钝化膜也容易被破坏，因此钢铁难 以发生钝化，其腐蚀远比在淡水中的快。水的pH值对钢铁的腐蚀行为有很大的影响。铁在不同pH值的水溶液中的腐蚀行为 见图2-1由图可见，pH值在4以下时，发生严
7、重的析氢腐蚀。当拉值在49之间，铁 的腐蚀速度几乎和pH值无关，因为此时主要是溶解氧的腐蚀，腐蚀速度由空气中氧在 溶液中的溶解和扩散速度所决定，而氧在溶液中的溶解和扩散速度不随溶液的pH值而 改变。当溶液呈碱性时，即pH值914，铁的腐蚀速度显著下降，因为铁的腐蚀产物 牢固覆盖在金属表面，其在碱中的溶解度很小，抑制了铁的进一步腐蚀。当溶液的pH 值进一步升高后，pH值14，腐蚀速度又增加，因为氢氧根浓度太大，铁的氧化物氢氧化物转变为可溶性的铁酸钠Na2Fe02。温度越高，这种转变 的速度越大。当碱的浓度高于30%时，温度越高，铁的腐蚀越严重。(6) 钢铁在碱性溶液中的腐蚀 在常温的碱或碱性水溶
8、液中，碳钢和铸铁是耐蚀的。因 为，当水溶液中NaOH含量30%时，钢铁的表面生成不溶性的Fe(OH)2和Fe(OH)3,发 生钝化，基本上不被腐蚀。而在浓的碱溶液中，尤其是当温度较高时，碳钢和普通铸铁是不耐蚀的。当NaOH 浓度30%时，碳钢和普通铸铁表面上的腐蚀产物膜的保护作用开始下降，随温度升高， 腐蚀加速，因为表面的氧化物膜转变成可溶的HFeO-2。钢铁中的Fe以铁酸盐的形式进 入溶液，因此腐蚀继续发展。Fe304+2H20+2e=3HFeO2+H+(7) 钢铁在盐溶液中的腐蚀 钢铁在盐溶液中的腐蚀速度比在水中的大，因为盐溶液的 电阻比较小，促进钢铁的电化学腐蚀。其腐蚀速度与盐的种类、浓
9、度、所含氧化剂及氧 含量、温度、溶液的流动状态等有关。(8) 钢铁在非氧化性酸中的腐蚀钢铁受到非氧化性酸的腐蚀，发生以氢去极化为主的 腐蚀。酸浓度越大，腐蚀越快：Fe+2H+=Fe2+H2其产物是可溶解于酸的Fe2+，在充空气的酸中，Fe2+进一步氧化为Fe3+，不形成铁的 锈垢。但是，在80%以上的氢氟酸中，钢铁与铸铁是耐蚀的。(9) 钢铁在氧化性酸中的腐蚀 钢铁在浓硫酸、硝酸等氧化性酸中，常常可能发生钝化。例如，在硫酸中，当浓度为80%100%时，碳钢因发生钝化而耐腐蚀。但是，当浓 硫酸吸收水分后，浓度变小，碳钢和铸铁都受到严重腐蚀。在50%-80%的硝酸中也发生钝化，但这种钝化受、温度等
10、因素的影响，不稳定。因 此，一般在硝酸生产中不用碳钢或铸铁制造设备。碳钢和普通铸铁的腐蚀行为有许多相似之处，又不完全相同。例如，在发烟硫酸中， 普通铸铁不耐腐蚀，碳钢却很耐蚀。但是在许多条件下，普通铸铁比碳钢更耐蚀。这一 方面与铸铁表面的“铸造黑皮”有一定保护作用有关；另一方面是因为铸铁的含碳量较 高，腐蚀电池的阴极面积大，在氧化剂存在的条件下，有利于钝化。2 .耐蚀铸铁page在铸铁中加人某些合金元素得到在某些介质有较高耐蚀性的耐蚀合金铸铁，简称耐蚀 铸铁。(1) 高硅铸铁含硅14%18%的铸铁为高硅铸铁。因其表面可形成一层二氧化硅保 护层，以抑制腐蚀介质的渗入，故对常温下的盐酸、磷酸、浓硝
11、酸、有机酸和热硫酸等 有良好的耐蚀性。但是，它对能溶解二氧化硅的氟化物及氢氟酸和卤素、碱、亚硫酸盐 等则不耐蚀。含3. 5%-4. 0%钼的高硅铸铁，由于钼在盐酸中能钝化，其抗盐酸的能 力明显提高。高硅铸铁的缺点是强度小，硬而脆，线膨胀系数大，导热系数低，加工性 不好，一不耐高压和撞击，只可铸成厚壁构件。含某些稀土元素的高硅铸铁，性能有所 改善-o如，含钼高硅铸铁、含铜高硅铸铁、含稀土中硅铸铁和含稀土高硅球墨铸铁等的 性能都优于高硅铸铁。(2) 高竦铸铁 是含竦t4%36%(质量)：以及铭、钼、铜的铸铁。其耐酸性能明显改 善，担不甚优越；耐碱性能优良，即使在高温的浓碱或熔融碱中也是耐腐蚀的。在
12、海洋 性大气、海水及中性盐溶液中也非常耐蚀。因此，在海洋设备只常用到它。(3) 铝铸铁是含铝仁6%-7%(质量)的铸铁。它具有优良的耐碱性和耐热性。因为， 铝的存在，提高了铸铁的钝化能如常用于制造长时间工作的碱液泵、旋塞及零件等。(4) 高铭铸铁 含铭15%30%(质量)的铸铁。有优良的抗氧化性和耐磨性。在有摩擦 与冲刷作用的氧化性介质中常用到它，例如制造弱腐蚀性的泥浆泵、搅拌桨和管道等。在铸铁中含有少量Cu、Sb、Ni和Cr等合金元素，耐蚀性也有明显改善，总称为低 合金耐蚀铸铁。3. 低合金钢含有少量合金元素，其总量一般小于3%的碳钢称为普通低合金钢，又称为低合金高 强度钢。其特点：合金元素
13、含量少，成本低，强度高，综合性能好，加工性能优良，耐 蚀性比普通碳钢强；有的还可以代替不锈钢使用。(1)合金元素的影响a. 碳 在中性介质中含碳量对其耐蚀性无明显影响；在氧化性酸中，含碳量增加， 低合金钢的耐蚀性降低；在氧化性酸中，当C%0. 4时，低合金钢开始钝化，含碳量增加，钢的耐蚀 性提高。b. 铝有利于保护膜的形成，可提高钢的抗硫化氢、NH3-CO-H2O体系及弱酸腐蚀 和抗高温氧化的能力。c. 锰 一般可使钢强化。但是抗腐蚀能力下降。d. 硅有利于钢抗高温氧化，与铝、铜、钼配合，可提高钢抗硫化氢及弱酸腐蚀的 能力。e. 铭有利于钢形成致密的氧化膜，提高其抗NH3、CO2、H2O、H2
14、S、氧化性酸(如 硝酸)、高温高压氢气、大气等的腐蚀的能力，有利于抑制钢的脱碳。f. 钼提高钢抗nh3、CO、h20、h2s等的腐蚀的能力，在高温高压下抗氢损伤及弱 还原性酸等腐蚀的能力。与铜、铭共存，可提高钢抗大气腐蚀的能力。s.竦 使钢强化，提高钢抗酸、碱、海水腐蚀及抗腐蚀疲劳的能力。h. 磷当与铜共存时，能提高钢抗大气腐蚀的能力；在有钒存在的情况下，磷有利 于钢抗硫化氢的腐蚀。i. 硼改善钢的抗硫化氢腐蚀的性能。j. 氮 有利于提高钢的抗应力腐蚀的能力。k. 钨 改善钢的在高温高压下抗氢腐蚀的性能。l钛提高钢在高温高压下抗氢、氮、氨的腐蚀的能力。m.铌 与其他元素配合，提高钢在高温高压下
15、抗氢、氮、氨腐蚀的能方，以及抗大 气和海水腐蚀的能力。pagen.稀土金属可提高钢抗大气腐蚀酌能力。(2).主要用途 制造抗大气、海水、硫化氢、碳酸氢铵腐蚀等的设备。4. 不锈钢不锈钢指具有抵抗大气、酸、碱、盐的腐蚀作用的合金钢的总称；而把其中能耐酸及 其他强腐蚀性介质腐蚀的合金钢称为不锈耐酸钢。一般而言，其铭或铭竦含量较高，最 低含铭量为12%13%； 一般不锈耐酸钢的含铭量不低于17%。(1) 不锈钢的分类法a. 按化学组成分(a) 按主要的合金元素分为铭合金(如Crl3)和铭竦合金(如Crl8Ni8)。(b) 按主要节约的合金元素分为节竦无竦不锈钢、节铭不锈钢等。如Cr-Mn-N、Cr-Mn-Ni-N 不锈钢。(。按不锈钢的特征组成元素分为高硅不锈钢、高钼不锈钢等。(d)按不锈钢的碳含量及有害元素分为普通不锈钢、低碳不锈钢、超低碳不锈钢、含 铌或含钛的稳定化不锈钢等。如：ICrlSNi9Ti、0Crl8Nil2M02Ti等。b. 按用途分类(a) 按使用的环境介质分为耐硝酸、耐硫酸、耐尿素不锈钢等。(b) 按抗腐蚀的类型分为抗应力腐蚀、抗晶间腐蚀、抗腐蚀的不锈钢等。(c) 按功能特点分为高强度、无磁、易切削、低温、超低温不锈钢等。c. 按金相显微组织分为奥氏体、铁素体、马氏体和铁素体奥氏体双相不锈钢等。
