航空材料与腐蚀防护讲义 (腐蚀与防护部分)

第一章绪论

1.1 材料腐蚀的基本概念

腐蚀是一种自发过程。

腐蚀是由于环境作用引起的材料的破坏和变质。

从这个定义可以看出，材料（或结构）是否会发生腐蚀破坏，既取决于材料本身的性质，也与环境有关。

导致材料发生腐蚀的环境因素构成了腐蚀环境。腐蚀环境包括总体环境（大气环境）和工作环境。

随着非金属材料（塑料、橡胶，以及树脂基复合材料等）越来越多地用作工程材料，非金属材料的环境破坏现象也越来越引起人们的重视。因此，腐蚀科学家们主张把腐蚀的定义扩展到所有材料（金属和非金属材料）。

环境因素可以是机械的、物理的或化学的。如载荷造成的断裂和磨损，光和热造成的老化，氧化剂造成的氧化等。从这个意义来说，所有的材料破坏都可认为是腐蚀。这是腐蚀的广义概念。

但由机械的或物理的因素造成的材料或结构破坏，以及某些材料的老化等破坏形式，有专门的研究方法。所以通常所说的腐蚀是指由于环境因素与材料之间发生化学反应造成的破坏。这是腐蚀的狭义概念。

本课程中将主要介绍金属材料由于环境中化学因素造成的腐蚀及其控制。

1.2 研究材料腐蚀的重要性

材料腐蚀问题遍及国民经济的各个领域。从日常生活到交通运输、机械、化工、冶金，从尖端科学技术到国防工业，凡是使用材料的地方，都不同程度地存在着腐蚀问题。腐蚀给社会带来巨大的经济损失，造成了灾难性事故，耗竭了宝贵的资源与能源，污染了环境，阻碍了高科技的正常发展。

一、腐蚀给国民经济带来巨大损失

以金属材料为例，每年由于腐蚀而造成的经济损失约占国民经济生产总值的2%~4%（表1.1）。这些损失中包含了腐蚀的直接损失和间接损失，包括了浪费的材料和能源、腐蚀引起的原材料或产品的流失或污染、因腐蚀失效而损失的设备和结构、腐蚀降低设备性能造成的损失、因腐蚀造成的误工停产、因腐蚀导致的维修费用、控制腐蚀带来的费用，和因腐蚀造成的毒害物质泄漏所污染环境的治理费用等等。

表1.1 腐蚀造成经济损失的统计数据

国家统计年份腐蚀造成的经济损失占当年国民生产总值的百分比

美国1975 700亿美元 4.2% 1982 1260亿美元-

英国1969 13.65亿英镑 3.5%

日本1976 92亿美元 1.8%

苏联1967 67亿美元2%

联邦德国1974 60亿美元3%

中国1995 1500亿元人民币4%

二、腐蚀事故危及人身安全

腐蚀引起的灾难性事故屡见不鲜，损失极为严重。例如1965年3月，美国一输气管线因应力腐蚀破裂着火，造成17人死亡。日本1970年大阪地下铁道的管线因腐蚀断裂，造成瓦斯爆炸，乘客当场死亡75人。1985年8月12日，日本的一架波音747飞机由于构件的应力腐蚀断裂而坠毁，造成500多人死亡的惨剧。

三、腐蚀浪费宝贵的资源和能源

据统计，每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料相当于年产量的10%~40%，其中1/3是无法回收的废渣。腐蚀对自然资源是极大的浪费，同时还浪费了大量的人力和能源。

四、腐蚀引起严重的环境污染

由于腐蚀增加了工业废水、废渣的排放量和处理难度，增多了直接进入大气、土壤、江河及海洋中的有害物资，因此造成了自然环境的污染，破坏了生态平衡，危害了入民健康，妨碍了国民经济的可持续发展。

五、腐蚀问题会阻碍技术发展

如果腐蚀问题解决得好，就能起到促进作用；例如，不锈钢的发明和应用，促进了硝酸和合成氨工业的发展。反之，如果腐蚀问题解决得不好，则可能妨碍高技术的发展。美国的阿波罗登月飞船贮存N204的高压容器曾发生应力腐蚀破裂，经分析研究，加入0.6%的NO 之后才得以解决。美国著名的腐蚀学家方坦纳（Fontana）认为，如果找不到这个解决办法，登月计划会推迟若干年。

以上事实说明，材料的腐蚀研究具有很大的意义。

1.3 材料的腐蚀控制

实践告诉人们，若充分利用现有的防腐蚀技术，广泛开展防腐蚀教育，实施严格的科学管理，因腐蚀而造成的经济损失中有30%~40%是可以避免的。但在目前仍有一半以上的腐蚀损失还没有行之有效的防浊方法来避免，这就需要加强腐蚀基础理论与工程应用的研究。

腐蚀控制的方法很多，概括起来主要有：

1.根据使用的环境，正确地选用金属材料或非金属材料；

2.对产品进行合理的结构设计和工艺设计，以减少产品在加工、装配、贮存等环节中的腐

蚀；

3.采用各种改善腐蚀环境的措施，如在封闭或循环的体系中使用缓蚀剂，以及脱气、除氨

和脱盐等；

4.采用电化学保护方法，包括阴极保护和阳极保护技术；

5.在基材上施加保护涂层，包括金属涂层和非金属涂层。

除此之外，在可能的条件下，实施现场监测和监控手段及技术理和行政管理，使材料发挥最大的潜能。

第二章腐蚀原理

从日常经验中我们可以得到这样一个认识，未涂漆的钢铁结构非常容易生锈。生锈是钢铁材料发生腐蚀的外在表现之一。而涂漆是我们有意识采取的防止腐蚀（严格地说是减缓腐蚀速率，或推迟因腐蚀造成的破坏的发生）的措施。从这个简单的例子中可以看出，腐蚀是一个自发的过程。那么如何认识这样一个过程呢？又如何控制这个过程的发生和发展呢？

2.1 腐蚀过程的推动力

我们先看下面一个实验。在图2.1（a）中，两个重物的形状和质量相等，斜面的坡度和摩擦系数相等，不同的是两个重物所处的高度不同。显然，左边的重物因具有更大的重力势能，向下滑落的趋势，或推动力更大，在任意高度上，左边重物的运动速度也更快。

在图（b）中，两个重物的质量和所处高度相等，但右边重物换成了一个圆柱体。显然，两重物具有相等的重力势能，即它们向下滑落的过程的趋势或推动力相等。但由于右边重物下落过程中，受到的是滚动摩擦的阻碍，其摩擦阻力小于左边重物的滑动摩擦阻力，因此在推动力相等的前提下，按阻力小的滚动方式滑落的重物在任意高度上的运动速度更快。

（a）

（b）

图2.1 重物沿斜面下落的实验

上面的实验中，我们实际上是用一个重物沿斜面下落的自发过程来类比金属腐蚀的自发过程。

一个过程之所以能够自发进行是因为系统具有势能。所谓势能，是能通过某种功，而转化为其他能量的能量形式。势能的大小，即表示了过程发生的推动力（或趋势）的大小。

但是推动力大，或趋势大的过程，其发生的速度却不必然更快。因为一个过程的发生，又可能有不同的途径（或机理）。由于我们更多地关心过程发生的速度，所以不同途径的区