第三章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
图3-2 是均匀腐蚀的圆杆形貌。 钢材在大气中的腐蚀、高压蒸汽管的高温氧化、 锌在稀硫酸的溶解等，均属于均匀腐蚀类型。
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 的设计及选择合适的材料，加以防止。
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
2. 电偶腐蚀 (galvanic corrosion) 电偶腐蚀，也称接触腐蚀或异金属间腐蚀。 在电解质溶液中两种金属接触时，电极电位较负的 贱金属成为阳极, 电极电位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。其腐蚀机理和反应式与均匀腐蚀是类同的。
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
3.2.1 全面腐蚀和局部腐蚀 1. 均匀腐蚀 均匀腐蚀是最常见的腐蚀形式。它是腐蚀介质能够 均匀地抵达金属的各个表面上发生电化学反应。宏观上 表现为厚度均匀减薄，是典型的小阴极、大阳极的腐蚀 破坏机制。 ● 电极反应 阳极: Fe Fe n+＋ne ( 溶解） 阴极: H2O＋0.5O2＋2e 2OH－ Fe 2+ +2OH－ Fe(OH)2 3Fe2＋＋4H2O →Fe3O4＋8 H+＋2e Fe3＋＋3H2O →Fe(OH)3＋3H+ H+ + H+ → H2 ↑ 图3-1 电化学腐蚀反应
因此，腐蚀问题一直是世界各国政府及其相关部 门和科研人员高度关注的难题。
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
● 世界腐蚀损失量巨大
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秒钟的时间来读这块牌时，将近一吨铁已 变为废物。 世界每年因腐蚀造成的金属损失至少一亿吨以上， 占世界总产量的20%左右，约占各国GDP的2-4%。 ● 我国腐蚀损失量惊人 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，我国每年仅腐蚀 损失至少有 5000亿元，这不包括发生的间接损失费。
钛材
纯钛
－1.63V
碳钢
－0.46V
阳极
阴极
非标准非平衡态海水 (Vs.SCE） T＝300C －0.0V －0.65V
阴极
阳极
碳钢
wenku.baidu.com
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）
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
● 析氢反应
2H+＋2e → 2H
不同金属的组合在工程中常常不可避免，发生电 偶腐蚀比较普遍。例如，钢制泵轴、阀杆与石墨垫料 接触处，钢受到电偶腐蚀；换热器管子与铸铁、钢制 管板的接触处，管板被加速腐蚀。 不同金属在海水中的电极电位排序如图3-3所示。 利用金属间的电极电位差及其电偶腐蚀原理，可 以通过对贱金属与有用金属部件进行配对，以牺牲贱 金属阳极来达到保护阴极材料。例如，表面喷铝、镀 锌的金属部件就是成功应用的实例。
全面腐蚀和局部腐蚀 应力作用下的腐蚀
3.5
苛性腐蚀（碱脆）
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
3.1 腐蚀的危害性
● 腐蚀基本状况 所有材料都会与周围的环境发生相互作用，故腐 蚀问题遍及各行各业，从日常生活、工业生产、国防 工业，比比皆是。 凡是有金属使用的地方，就有各种类型的腐蚀问 题。尤其在工业生产中，腐蚀将变得更为严重。腐蚀 使得完好的金属构件失效，从而导致设备报废，甚至 造成重大的伤亡事故，危害极大。
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
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 2012.9
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
3.1 腐蚀的危害性
3.2
3.3 3.4
腐蚀机理和形式
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
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，一般容易预防。
● 局部腐蚀（local corrosion） 腐蚀发生于微区，隐蔽性大，腐蚀速度极快，危 害性大，通常难以防范。 按破坏形式分，局部腐蚀主要有：电偶腐蚀、点 腐蚀、隙缝腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀 开裂、腐蚀疲劳、氢脆等。
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
(2 ) 电化学腐蚀 (electrochemical corrosion) 材料表面与环境介质发生电化学作用所引起的 破坏。其特点是在腐蚀过程中有电流的产生，一个反 应前后包含了电子转移，原子价数发生增减，这就是 电化学反应。例如，金属锌溶解于盐酸中： Zn + 2HCl → ZnCl2+ H2↓ 该反应可进一步写成： Zn + 2H+ + 2Cl- → Zn2+ Cl2- + H2↓ 此反应中，Cl-未参与反应，真正的反应是： Zn + 2H+ → Zn2+ + H2 ↑ 这种电化学腐蚀最为普遍，常见的大气腐蚀、海 水腐蚀、土壤腐蚀、电解质溶液腐蚀等均属此类。
例如，碳钢管板与钛管之间就构成了电偶腐蚀电池(图3-3)： ● 阳极： Fe → Fe2＋ ＋2e
阴极： 1/2 O2 ＋H2O＋2e → 2OH－
● 进一步反应 3Fe2＋＋4H2O → Fe3O4＋8H+＋2e Fe2＋ → Fe3＋＋e Fe3＋＋3H2O → Fe(OH)3＋3H+
、
标准氢电极 （Vs.SHE） T＝250C
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
3.2 腐蚀机理和形式 1. 腐蚀机理 （corrosion mechanism） 腐蚀是指材料与其环境产生化学反应或电化学反 应所造成的破坏（DIN 50900）。 按腐蚀反应机理，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
(1) 化学腐蚀 （chemical corrosion） 化学反应是指一个反应前后无电子转移，原子价 数不发生增减，即反应过程中没有电流的产生, 例如，硝酸银和氯化钠的反应： AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3 Ag+ + NO3- + Na+ + Cl- → Ag+Cl- ↓ + Na+ + NO3上述反应中，真正参与反应的是Ag+、Cl-，但原子价 没有变化：无氧化反应或还原反应，因而是化学反应。