材料腐蚀理论 第一章 绪论
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25-40%可以挽回
2004年我国GDP＝13.7万亿元 4%GDP损失＝5480亿元 可挽回＝1360～2100亿元
• 交通运输 铁轨、机车部件的腐蚀和磨蚀 飞机零部件的高温腐蚀和应力腐蚀 船舶在海洋环境中的腐蚀 钢轨的锈蚀、磨损 机车底架：侧梁铆钉头被局部 腐蚀穿透 机车气缸：气缸套壁空泡腐蚀 甚至穿透 …… 带来极大的事故隐患!
构成的技术体系功能受到损伤（ISO80441999，GB/T10123）
塑料发胀或开裂 木头干裂或腐烂 花岗岩风蚀 水泥剥离脱落
泉州老君岩-风化
水流多年腐蚀岩石形成的痕迹-土耳其浴场
广义：材料与环境间发生化学或电化学相互作用而 导致材料功能受到损伤的现象
材料：金属
高分子
非金属
复合材料
泄漏45吨甲基异氰酸酯剧毒物,3500多人丧生,20多万人中
毒 1988年英国阿尔法平台因腐蚀破坏发生爆炸，造成166 人死亡。导致北海油田年减产12%
通过普及腐蚀与防护知识， 推广应用先进的防腐蚀技术， 腐蚀造成的经济损失可减少 30％～40％。
腐蚀损失与防护间关系的示意图
2）腐蚀有利的一面
海洋环境中：海水腐蚀介质、海洋大气腐蚀介质、 海水冲刷、 复杂波动载荷等 船舶腐蚀：船体锈蚀、螺旋桨叶片电偶腐蚀、
水线腐蚀、应力腐蚀等
• 能源电力
水电：水轮机组的腐蚀、叶片空蚀 火电：锅炉和管道的腐蚀
核电站：高温、辐照、液态金属等腐蚀
油气开采和运输：造成设备和管道的腐蚀
• 煤矿：井下潮湿，水质变化大 氧气充分，多含SO2、CO、甲烷… 井下设备磨损严重 煤矿井筒装备：腐蚀速率0.17-0.25mm/y，平均寿命15年
化工设备：管道、锅炉、储存、 阀门、冷凝；
• 民生：自来水管的锈蚀
• 环境污染…
• 安全方面
1990年,美国轻水堆核电站由于腐蚀造成13亿美元经济
损失,导致10000人被辐射 1985年，日本波音747飞机由于腐蚀疲劳坠毁，500多 人死亡 1984年,美国联合碳化物公司在印度博帕尔市的农药厂
否
一般在不同部位
是
四、腐蚀的分类
1、按照腐蚀过程的特点 2、按照腐蚀形式分类 3、按照腐蚀环境分类
按 材 料 腐 蚀 形 态
全面腐蚀 • 均匀腐蚀 • 不均匀腐蚀 局部腐蚀 • 点蚀（孔蚀） • 缝隙腐蚀及丝状腐蚀 • 电偶腐蚀（接触腐蚀） • 晶间腐蚀 • 选择性腐蚀
四、腐蚀的分类
1、按照腐蚀过程的特点 2、按照腐蚀形式分类 3、按照腐蚀环境分类
2）材料强度性能变化明显的腐蚀过程
塑料、橡胶、混凝土
强度损失率
强度保有率
P0 P 100% P0 P 100% P0
强度：抗拉、抗压、抗弯强度
2、非均匀腐蚀（局部腐蚀或腐蚀程度不均匀的
全面腐蚀）
均匀腐蚀指标不足于描述腐蚀过程 增加一个反映不均匀程度的指标
2天
10天
15天
氟橡胶耐H2S腐蚀性试验
130℃， 1MPa
时间/小时
175℃， 3.5MPa
720h
200℃， 9MPa
条件
外观
腐蚀前
130℃， 3.5 MPa
微观 结构
强度 MPa
15.2
12.5
6.3
3.5
0
混凝土
氯离子腐蚀
酸雨腐蚀
酸雨腐蚀
五、腐蚀速度的表示法
1.
均匀腐蚀（材料全部表面发生同样程度的腐 蚀）
电化学作用
按 照 腐 蚀பைடு நூலகம்过 程 的 特 点
电化学腐蚀
电化学+机械作用 • 应力腐蚀开裂 • 腐蚀疲劳 • 磨损腐蚀（冲击、振动） • 氢致腐蚀 • 空泡腐蚀 电化学+生物作用
物理溶解腐蚀 ：Fe在液体钠中的腐蚀
• 电化学腐蚀
电化学腐蚀是腐蚀电池的电极反应的结果
电化学腐蚀的本质是形成了腐蚀电池 电化学腐蚀反应具有一般电化学反应的特征： 1. 金属/电解质之间存在带电的界面层
点蚀
点蚀系数
p d
p—实际测到的最深点深度 d—平均腐蚀深度
• 作业
1.
Mg在海水中的腐蚀速率为1.45gmd，用mm/a单位表 示时为多少？（=1.74g/cm3） 在某工业废水溶液中，某种合金材料的实验室腐 蚀实验结果为：失重40gmd，点蚀因子为1， =2.7g/cm3，计算该材料一年后的最大浸蚀深度 （mm）
• 普遍存在的空气和水是两类主要腐蚀环境（O2、H+）
二、腐蚀现象的特点
1.
自发性
2.
普遍性
隐蔽性
3.
• 隐蔽性
发展速度很慢
不锈钢在海水中点蚀：10年孕育期
表现形式很难被发现
晶间腐蚀：表面光亮如新、内部漫布裂纹
三、研究腐蚀的意义
1）腐蚀的危害
• 材料腐蚀给国民经济带来巨大损失 • 腐蚀事故危及人身安全 • 腐蚀造成资源和能源的浪费 • 腐蚀引起环境污染
与界面层结构有关的因素均影响腐蚀过程
2. 金属失电子与氧化剂得电子一般不在同一地点发生
金属内部与电解质局部有电流通过
3. 反应产物可在近处或远离表面处生成
化学腐蚀与电化学腐蚀 化学腐蚀
被氧化金属 电子交换 被还原物质 氧化过程
电化学腐蚀
直接进行
间接进行
同一过程
两个独立过程
还原过程
是否产生电流
不可分割
1.
自发性
2.
普遍性
隐蔽性
3.
• 自发性
大多数腐蚀自发产生，不需要外力
如钢铁腐蚀：腐蚀产物以水合氧化物为主，与自然 界天然存在的铁矿石在结构上或形态上相似
钢铁 腐蚀过程 外加热、电能量
能 级 增 大
炼铁过程
放出能量
矿石
二、腐蚀现象的特点
1.
自发性
2.
普遍性
隐蔽性
3.
• 普遍性
• 纯金属最低能级状态一般为其化合物（除Au、Pt）
W0：试样的初始重量 (g) W1：清除腐蚀产物后试样的重量 (g) S：试样的表面积 (m2) t：腐蚀时间(h)
• 增重法
W 2 W0 v S t
V+：增重时的腐蚀速度 (g/m2.h)
W0：试样的初始重量 (g) W2：试样腐蚀后的重量 (g) S：试样的表面积 (m2) t：腐蚀时间(h)
• 腐 蚀 特 征
1） 腐蚀指材料发生的现象：材料损伤
2）腐蚀是一种材料和环境间的反应
& & & 电化学反应（大多数） 化学反应：Al在CCl4中的腐蚀 物理反应：金属在高温溶盐中的溶解
3）腐蚀是材料的损伤
&
&
材料质量流失、强度退化
材料相、价态和组织变化
4）腐蚀是逐渐发生的慢性过程
二、腐蚀现象的特点
金属腐蚀速度的程度 法拉第定律
MIt W Fn
I：电流强度，A t：通电时间，s
W：析出或溶解的物质的量，g
M：原子量
F：法拉第常数（1F96500C/mol=26.8A.h）
单位：A/cm2
A/m2
• 电流指标与重量指标换算关系
通电时间以h，电极面积以m2表示
v W St MIt FnSt Mia Mi 3600 ( g / m 2 .h) Fn 26.8n Mia ( gm d) 1.117n
轻烃站冷却器腐蚀
油井管腐蚀
一、腐蚀定义
腐蚀(corrosion)源于拉丁文“corrdere”，意即
“损坏”、“腐烂”
20世纪60年代前，材料腐蚀的定义只局限于金属
生锈：铁及铁基合金生成以水合氧化铁为主的腐蚀
一、腐蚀定义
狭义：金属与环境间的物理—化学相互作用，使
金属性能发生变化，导致金属、环境及其
排水管、离心泵在酸性井下水中的腐蚀
钢轨、金属支柱、支架的磨损和腐蚀…
• 石油天然气开采、集输和输运： 油气田：O2、CO2、H2S、 地层水的腐蚀； 长输管道：内部多相流动腐蚀、 外部土壤、微生物腐蚀
海洋平台、海底管道…
城市天然气管道由于腐蚀 造成的泄漏和爆炸
含硫输气管线沿 着焊缝开裂失效
化工工业（石化、造纸等） 金属腐蚀造成设备的跑、 冒、滴、漏可造成大量有毒的 物质泄漏，污染环境，危害人 民的健康。
材 料 腐 蚀 理论
参考资料
1、魏宝明. 金属腐蚀理论及应用. 化学工业出版社，
2001
2、何业东，材料腐蚀与防护概论，机械工业出版社，
2005
3、翁永基.材料腐蚀通论,石油工业出版社，2004,
4、刘道新.材料的腐蚀与防护,西北工业大学出版
社,2006
第一章 绪论
油泵腐蚀
集输管线穿孔
集输管线埋地弯头腐蚀
• 经济损失
直接经济损失 腐蚀造成的直接经济损失占国民生产总值的1—6%，全球 每年因腐蚀造成的损失约7000亿美元
中国：中国进口的石油管材每年花费约7亿美元，大部分
因腐蚀而报废
行业特点不同，经济损失有所差异。较严重部门：运输、
海洋、建筑和石化
每年仅腐蚀就造成经济损失：
4%GDP
材料服役失效造成 的经济损失
深度指标（VL）
•
定义：将试样的厚度因腐蚀而减小的量用腐蚀深度
表示
•
单位：mm/a ipy 重量指标与深度指标的换算关系
V 24 365 V 8.76 VL 10 m m/ a 1002
•
V-: g/m2.h
电流指标 （ia）
以金属电化学腐蚀过程的阳极电流密度（A/cm2）大小来衡量
2.
按照腐蚀环境分类
1) 2)
干腐蚀
湿腐蚀
大气腐蚀 土壤腐蚀 海水腐蚀 微生物腐蚀 酸、碱、盐介质中的腐蚀
自然环境下的腐蚀
工业水中的腐蚀
工业环境中的腐蚀
各种腐蚀所占比例
氢腐蚀及氢脆 应力腐蚀断裂 1.2% 11% 点蚀
19% 8% 晶间腐蚀 6% 磨蚀 2% 高温腐蚀
腐蚀疲劳
23%
8% 其他 22% 全面腐蚀
非金属材料的腐蚀类型
材料类型 腐蚀类型或表现 高分子材料 化学氧化 水解 应力腐蚀 生物腐蚀 辐照分解 热、光氧化分解 溶胀溶解 玻璃与陶瓷 水解 酸、碱侵蚀 风化 选择性腐蚀 应力腐蚀 混凝土 溶解浸蚀 分解型腐蚀 膨胀型腐蚀
纯环氧树脂涂层/16Mn体系，5%KCl溶液，60℃
• 金属蚀刻装饰板及其制造方法
• 大理石和玻璃上蚀刻字画的工艺 • 玻璃表面蚀刻字、画的方法
腐蚀金属字
腐蚀画
腐蚀铜雕
美国阿波罗登月计划： 6%NO缓蚀剂避免储存N2O4推进剂 高压容器的应力腐蚀破裂
四、腐蚀的分类
1、按照腐蚀过程的特点 2、按照腐蚀形式分类 3、按照腐蚀环境分类
化学腐蚀 ：高温氧化
1)
物质流失明显过程
重量指标 深度指标 电流指标
重量指标
定义：把金属腐蚀后重量变化换算成金属表 面积与单位时间内的重量变化来表示 包括：失重法 增重法
单位：g/(m2.h) g/(m2.d)
(gmd)
• 失重法
W0 W1 v S t V-：失重时的腐蚀速度 (g/m2.h)
2004年我国GDP＝13.7万亿元 4%GDP损失＝5480亿元 可挽回＝1360～2100亿元
• 交通运输 铁轨、机车部件的腐蚀和磨蚀 飞机零部件的高温腐蚀和应力腐蚀 船舶在海洋环境中的腐蚀 钢轨的锈蚀、磨损 机车底架：侧梁铆钉头被局部 腐蚀穿透 机车气缸：气缸套壁空泡腐蚀 甚至穿透 …… 带来极大的事故隐患!
构成的技术体系功能受到损伤（ISO80441999，GB/T10123）
塑料发胀或开裂 木头干裂或腐烂 花岗岩风蚀 水泥剥离脱落
泉州老君岩-风化
水流多年腐蚀岩石形成的痕迹-土耳其浴场
广义：材料与环境间发生化学或电化学相互作用而 导致材料功能受到损伤的现象
材料：金属
高分子
非金属
复合材料
泄漏45吨甲基异氰酸酯剧毒物,3500多人丧生,20多万人中
毒 1988年英国阿尔法平台因腐蚀破坏发生爆炸，造成166 人死亡。导致北海油田年减产12%
通过普及腐蚀与防护知识， 推广应用先进的防腐蚀技术， 腐蚀造成的经济损失可减少 30％～40％。
腐蚀损失与防护间关系的示意图
2）腐蚀有利的一面
海洋环境中：海水腐蚀介质、海洋大气腐蚀介质、 海水冲刷、 复杂波动载荷等 船舶腐蚀：船体锈蚀、螺旋桨叶片电偶腐蚀、
水线腐蚀、应力腐蚀等
• 能源电力
水电：水轮机组的腐蚀、叶片空蚀 火电：锅炉和管道的腐蚀
核电站：高温、辐照、液态金属等腐蚀
油气开采和运输：造成设备和管道的腐蚀
• 煤矿：井下潮湿，水质变化大 氧气充分，多含SO2、CO、甲烷… 井下设备磨损严重 煤矿井筒装备：腐蚀速率0.17-0.25mm/y，平均寿命15年
化工设备：管道、锅炉、储存、 阀门、冷凝；
• 民生：自来水管的锈蚀
• 环境污染…
• 安全方面
1990年,美国轻水堆核电站由于腐蚀造成13亿美元经济
损失,导致10000人被辐射 1985年，日本波音747飞机由于腐蚀疲劳坠毁，500多 人死亡 1984年,美国联合碳化物公司在印度博帕尔市的农药厂
否
一般在不同部位
是
四、腐蚀的分类
1、按照腐蚀过程的特点 2、按照腐蚀形式分类 3、按照腐蚀环境分类
按 材 料 腐 蚀 形 态
全面腐蚀 • 均匀腐蚀 • 不均匀腐蚀 局部腐蚀 • 点蚀（孔蚀） • 缝隙腐蚀及丝状腐蚀 • 电偶腐蚀（接触腐蚀） • 晶间腐蚀 • 选择性腐蚀
四、腐蚀的分类
1、按照腐蚀过程的特点 2、按照腐蚀形式分类 3、按照腐蚀环境分类
2）材料强度性能变化明显的腐蚀过程
塑料、橡胶、混凝土
强度损失率
强度保有率
P0 P 100% P0 P 100% P0
强度：抗拉、抗压、抗弯强度
2、非均匀腐蚀（局部腐蚀或腐蚀程度不均匀的
全面腐蚀）
均匀腐蚀指标不足于描述腐蚀过程 增加一个反映不均匀程度的指标
2天
10天
15天
氟橡胶耐H2S腐蚀性试验
130℃， 1MPa
时间/小时
175℃， 3.5MPa
720h
200℃， 9MPa
条件
外观
腐蚀前
130℃， 3.5 MPa
微观 结构
强度 MPa
15.2
12.5
6.3
3.5
0
混凝土
氯离子腐蚀
酸雨腐蚀
酸雨腐蚀
五、腐蚀速度的表示法
1.
均匀腐蚀（材料全部表面发生同样程度的腐 蚀）
电化学作用
按 照 腐 蚀பைடு நூலகம்过 程 的 特 点
电化学腐蚀
电化学+机械作用 • 应力腐蚀开裂 • 腐蚀疲劳 • 磨损腐蚀（冲击、振动） • 氢致腐蚀 • 空泡腐蚀 电化学+生物作用
物理溶解腐蚀 ：Fe在液体钠中的腐蚀
• 电化学腐蚀
电化学腐蚀是腐蚀电池的电极反应的结果
电化学腐蚀的本质是形成了腐蚀电池 电化学腐蚀反应具有一般电化学反应的特征： 1. 金属/电解质之间存在带电的界面层
点蚀
点蚀系数
p d
p—实际测到的最深点深度 d—平均腐蚀深度
• 作业
1.
Mg在海水中的腐蚀速率为1.45gmd，用mm/a单位表 示时为多少？（=1.74g/cm3） 在某工业废水溶液中，某种合金材料的实验室腐 蚀实验结果为：失重40gmd，点蚀因子为1， =2.7g/cm3，计算该材料一年后的最大浸蚀深度 （mm）
• 普遍存在的空气和水是两类主要腐蚀环境（O2、H+）
二、腐蚀现象的特点
1.
自发性
2.
普遍性
隐蔽性
3.
• 隐蔽性
发展速度很慢
不锈钢在海水中点蚀：10年孕育期
表现形式很难被发现
晶间腐蚀：表面光亮如新、内部漫布裂纹
三、研究腐蚀的意义
1）腐蚀的危害
• 材料腐蚀给国民经济带来巨大损失 • 腐蚀事故危及人身安全 • 腐蚀造成资源和能源的浪费 • 腐蚀引起环境污染
与界面层结构有关的因素均影响腐蚀过程
2. 金属失电子与氧化剂得电子一般不在同一地点发生
金属内部与电解质局部有电流通过
3. 反应产物可在近处或远离表面处生成
化学腐蚀与电化学腐蚀 化学腐蚀
被氧化金属 电子交换 被还原物质 氧化过程
电化学腐蚀
直接进行
间接进行
同一过程
两个独立过程
还原过程
是否产生电流
不可分割
1.
自发性
2.
普遍性
隐蔽性
3.
• 自发性
大多数腐蚀自发产生，不需要外力
如钢铁腐蚀：腐蚀产物以水合氧化物为主，与自然 界天然存在的铁矿石在结构上或形态上相似
钢铁 腐蚀过程 外加热、电能量
能 级 增 大
炼铁过程
放出能量
矿石
二、腐蚀现象的特点
1.
自发性
2.
普遍性
隐蔽性
3.
• 普遍性
• 纯金属最低能级状态一般为其化合物（除Au、Pt）
W0：试样的初始重量 (g) W1：清除腐蚀产物后试样的重量 (g) S：试样的表面积 (m2) t：腐蚀时间(h)
• 增重法
W 2 W0 v S t
V+：增重时的腐蚀速度 (g/m2.h)
W0：试样的初始重量 (g) W2：试样腐蚀后的重量 (g) S：试样的表面积 (m2) t：腐蚀时间(h)
• 腐 蚀 特 征
1） 腐蚀指材料发生的现象：材料损伤
2）腐蚀是一种材料和环境间的反应
& & & 电化学反应（大多数） 化学反应：Al在CCl4中的腐蚀 物理反应：金属在高温溶盐中的溶解
3）腐蚀是材料的损伤
&
&
材料质量流失、强度退化
材料相、价态和组织变化
4）腐蚀是逐渐发生的慢性过程
二、腐蚀现象的特点
金属腐蚀速度的程度 法拉第定律
MIt W Fn
I：电流强度，A t：通电时间，s
W：析出或溶解的物质的量，g
M：原子量
F：法拉第常数（1F96500C/mol=26.8A.h）
单位：A/cm2
A/m2
• 电流指标与重量指标换算关系
通电时间以h，电极面积以m2表示
v W St MIt FnSt Mia Mi 3600 ( g / m 2 .h) Fn 26.8n Mia ( gm d) 1.117n
轻烃站冷却器腐蚀
油井管腐蚀
一、腐蚀定义
腐蚀(corrosion)源于拉丁文“corrdere”，意即
“损坏”、“腐烂”
20世纪60年代前，材料腐蚀的定义只局限于金属
生锈：铁及铁基合金生成以水合氧化铁为主的腐蚀
一、腐蚀定义
狭义：金属与环境间的物理—化学相互作用，使
金属性能发生变化，导致金属、环境及其
排水管、离心泵在酸性井下水中的腐蚀
钢轨、金属支柱、支架的磨损和腐蚀…
• 石油天然气开采、集输和输运： 油气田：O2、CO2、H2S、 地层水的腐蚀； 长输管道：内部多相流动腐蚀、 外部土壤、微生物腐蚀
海洋平台、海底管道…
城市天然气管道由于腐蚀 造成的泄漏和爆炸
含硫输气管线沿 着焊缝开裂失效
化工工业（石化、造纸等） 金属腐蚀造成设备的跑、 冒、滴、漏可造成大量有毒的 物质泄漏，污染环境，危害人 民的健康。
材 料 腐 蚀 理论
参考资料
1、魏宝明. 金属腐蚀理论及应用. 化学工业出版社，
2001
2、何业东，材料腐蚀与防护概论，机械工业出版社，
2005
3、翁永基.材料腐蚀通论,石油工业出版社，2004,
4、刘道新.材料的腐蚀与防护,西北工业大学出版
社,2006
第一章 绪论
油泵腐蚀
集输管线穿孔
集输管线埋地弯头腐蚀
• 经济损失
直接经济损失 腐蚀造成的直接经济损失占国民生产总值的1—6%，全球 每年因腐蚀造成的损失约7000亿美元
中国：中国进口的石油管材每年花费约7亿美元，大部分
因腐蚀而报废
行业特点不同，经济损失有所差异。较严重部门：运输、
海洋、建筑和石化
每年仅腐蚀就造成经济损失：
4%GDP
材料服役失效造成 的经济损失
深度指标（VL）
•
定义：将试样的厚度因腐蚀而减小的量用腐蚀深度
表示
•
单位：mm/a ipy 重量指标与深度指标的换算关系
V 24 365 V 8.76 VL 10 m m/ a 1002
•
V-: g/m2.h
电流指标 （ia）
以金属电化学腐蚀过程的阳极电流密度（A/cm2）大小来衡量
2.
按照腐蚀环境分类
1) 2)
干腐蚀
湿腐蚀
大气腐蚀 土壤腐蚀 海水腐蚀 微生物腐蚀 酸、碱、盐介质中的腐蚀
自然环境下的腐蚀
工业水中的腐蚀
工业环境中的腐蚀
各种腐蚀所占比例
氢腐蚀及氢脆 应力腐蚀断裂 1.2% 11% 点蚀
19% 8% 晶间腐蚀 6% 磨蚀 2% 高温腐蚀
腐蚀疲劳
23%
8% 其他 22% 全面腐蚀
非金属材料的腐蚀类型
材料类型 腐蚀类型或表现 高分子材料 化学氧化 水解 应力腐蚀 生物腐蚀 辐照分解 热、光氧化分解 溶胀溶解 玻璃与陶瓷 水解 酸、碱侵蚀 风化 选择性腐蚀 应力腐蚀 混凝土 溶解浸蚀 分解型腐蚀 膨胀型腐蚀
纯环氧树脂涂层/16Mn体系，5%KCl溶液，60℃
• 金属蚀刻装饰板及其制造方法
• 大理石和玻璃上蚀刻字画的工艺 • 玻璃表面蚀刻字、画的方法
腐蚀金属字
腐蚀画
腐蚀铜雕
美国阿波罗登月计划： 6%NO缓蚀剂避免储存N2O4推进剂 高压容器的应力腐蚀破裂
四、腐蚀的分类
1、按照腐蚀过程的特点 2、按照腐蚀形式分类 3、按照腐蚀环境分类
化学腐蚀 ：高温氧化
1)
物质流失明显过程
重量指标 深度指标 电流指标
重量指标
定义：把金属腐蚀后重量变化换算成金属表 面积与单位时间内的重量变化来表示 包括：失重法 增重法
单位：g/(m2.h) g/(m2.d)
(gmd)
• 失重法
W0 W1 v S t V-：失重时的腐蚀速度 (g/m2.h)