材料的腐蚀失效形式与机理

第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
3.3 全面腐蚀和局部腐蚀 3.3.1 均匀腐蚀 均匀腐蚀是最普遍的腐蚀形式。它是腐蚀介质均匀 抵达金属的各个表面上发生电化学反应, 宏观上表现为均 匀减薄，是典型的小阴极、大阳极的腐蚀破坏形式。
● 电极反应
阳极: Fe Fe n+＋ne ( 溶解） 阴极: H2O＋0.5O2＋2e 2OH－ 反应： Fe 2+ +2OH－ Fe(OH)2 4Fe(OH)2+ 2H2O +O2 → 4Fe(OH)3 进一步的反应： Fe2＋ → Fe3＋ ＋e Fe3＋＋3H2O →Fe(OH)3＋3H+ 图3-1 电化学腐蚀反应 H+ + H + → H2 ↑
3.4 3.5
全面腐蚀和局部腐蚀
应力作用下的腐蚀 苛性腐蚀（碱脆）
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3.1 腐蚀的危害性 ● 基本概况
所有材料都会与周围的环境介质发生相互作用， 故腐蚀问题遍及各行各业，从日常生活、工业生产、 国防工业等等，比比皆是。 凡有金属使用的地方，就有各种类型的腐蚀问题。 尤其在工业生产中，因介质性质使腐蚀变得更为严重。 腐蚀使完好的金属设备局部泄漏，导致报废，甚至造 成重大的人员伤亡事故，危害性极大。
● 阳极： Fe → Fe2＋ ＋2e 阴极： 1/2 O2 ＋H2O＋2e → 2OH－ 反应： Fe 2+ +2OH－ Fe(OH)2
● 进一步反应： 3Fe2＋＋4H2O → Fe3O4＋8H+＋2e Fe2＋ → Fe3＋＋e Fe3＋＋3H2O → Fe(OH)3＋3H+
4Fe(OH)2+ 2H2O +O2 → 4Fe(OH)3
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图3-2 是均匀腐蚀的圆杆形貌。 金属在大气中的腐蚀、高压蒸汽管的高温氧化等 均属于均匀腐蚀。
图3-2 均匀腐蚀直杆
● 解决方法 可以通过表面涂层、缓蚀剂、阴极保护、合理 的设计、选择合适的材料等加以防止。
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3.3.2 电偶腐蚀 (galvanic corrosion) 电偶腐蚀，也称接触腐蚀或异金属间腐蚀。 当电Baidu Nhomakorabea质溶液中有两种金属接触时，由于氧浓差效 应，电极电位较负的贱金属成为阳极, 较高的贵金属成 为阴极，构成了腐蚀电池，贵金属受到了保护，这种现 象叫电偶腐蚀。其电极反应与均匀腐蚀基本相同。 例如，碳钢管板与钛管间就构成了电偶腐蚀(图3-3)：
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主 讲 人： 杨振国 单 位： 材料科学系
办 公 室： 先进材料楼 407室 联系方式： zgyang@fudan.edu.cn 65642523（O）
复旦大学材料科学系 2016.2
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理 3.1 3.2 腐蚀的危害性 腐蚀机理和形式
3.3
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3.2.2 腐蚀破坏形式（type of corrosion damage） ● 全面腐蚀（general corrosion） 也称均匀腐蚀（uniform corrosion），腐蚀发生 在整个表面，腐蚀速度均匀一致，进程缓慢，危害性 小，一般易预防，如大气腐蚀等。 ● 局部腐蚀（local corrosion） 腐蚀发生在材料微区，隐蔽性大，腐蚀速度快，危 害性大，难以防范，比如海水中氯离子的点腐蚀。 按破坏形式区分，局部腐蚀主要有：电偶腐蚀、隙 缝腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀 开裂、腐蚀疲劳、氢脆等。
标准氢电极 （Vs.SHE） T＝250C 纯钛 －1.63V 阳极 碳钢 －0.46V 阴极
钛材
非标准非平衡态海水 (Vs.SCE） T＝300C －0.0V 阴极 －0.65V 阳极 碳钢
钛材与碳钢的电极电位序 图3-3 不同金属间的电极电位序（海水）
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因此，腐蚀问题一直是世界各国高度关注并应解 决的工程技术难题。
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● 世界腐蚀损失巨大 1937年美国壳牌公司(Shell Company)在比利时 布鲁塞尔举办的一次腐蚀展览会上放了如下一块展牌：
当你读此展牌时，760公斤铁已被腐蚀掉，即当 你用不到5秒钟的时间读这块牌时，大约一吨铁已被 腐蚀掉了。 可以推算，世界每年因腐蚀造成的金属材料损失至 少1亿吨以上，腐蚀损失占各国GDP的2-4%。 ● 我国腐蚀损失更惊人
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2. 电化学腐蚀 (electrochemical corrosion) 材料表面与环境介质发生电化学反应所引起的破坏 。材料在腐蚀过程中不仅有电流的产生，而且二个电极 有电子的得失，这种反应是电化学腐蚀反应。例如，材 料性能不均匀的铁浸在盐酸中，会发生如下的反应： Fe + 2HCl → FeCl2+ H2↑ 该反应进一步可写成： Fe + 2H+ + 2Cl- → Fe2+ + Cl2- + H2 ↑ 此电化学反应中，Cl-并未参与反应，真正的反应是： Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 ↑ 电化学反应是： 阳极: Fe Fe2+＋2e （氧化） 阴极: 2H+ + 2e → H2↑（还原）
据2002年中国工程院咨询项目《中国工业和自然环境 腐蚀问题的调查和对策》的统计，我国当年因腐蚀造成的直 接经济损失超过5000亿元。2013年7月，有的院士说仅海 洋腐蚀引起的损失，我国每年超过了1.5万亿元人民币。
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3.2 腐蚀机理和形式 3.2.1 腐蚀机理 （corrosion mechanism） 腐蚀是指材料与环境发生化学反应或电化学反应所 造成的破坏（DIN 50900-2002）。 按腐蚀反应机理，腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 1. 化学腐蚀 （chemical corrosion） 化学腐蚀是指物质在反应过程中无电流的产生。就 材料而言，其表面与接触的物质直接发生氧化还原反应 而被氧化损耗的过程。例如，化工厂里的氯气与钢铁表 面反应生成氯化铁： 3Cl2+2Fe = 2FeCl3 这个反应无电流的产生, 属于化学腐蚀。