腐蚀科学介绍课件

腐蚀-悄无声息的自然过程张波中国科学院金属研究所2016年11月22日青岛1.腐蚀-悄无声息的自然过程张波1.腐蚀的定义材料与环境发生作用所引起的破坏或变质称为腐蚀。金属材料的腐蚀无机非金属材料的腐蚀有机材料的腐蚀2.腐蚀的定义金属材料的腐蚀2.腐蚀的类型3.腐蚀的类型3.腐蚀的类型4.腐蚀的类型4.腐蚀的类型5.腐蚀的类型5.腐蚀造成的经济损失美国：GDP3%6.腐蚀造成的经济损失美国：GDP3%6.腐蚀危害7.腐蚀危害7.腐蚀危害8.腐蚀危害8.腐蚀危害9.腐蚀危害9.腐蚀危害10.腐蚀危害10.金属发生腐蚀的根本原因本质：电磁力的作用原因：从能量的观点来看，金属比氧化物的能量高Fe-2e=Fe2+FeO2+2H2O+4e=4OH-阳极溶解阴极还原O2+2H2O+2Fe=2Fe(OH)2eFe2+

+2

 H2O⇌Fe(OH)2

+2

H+11.金属发生腐蚀的根本原因本质：电磁力的作用Fe-2e=Fe化学反应：反应粒子吸收能量，活化态电化学反应：反应粒子吸收能量，活化态，电极电势能改变活化能。化学反应与电化学反应的异同能量化学反应电化学反应化学反应：反应粒子吸收能量，活化态化学反应与电化学反应的异同影响阳极反应速率关键因子Fe+H2O⇌Fe(H2O)adFe(H2O)ad⇌Fe(OH-)ad+H+Fe(OH-)ad⇌(FeOH)ad+e(FeOH)ad

→

FeOH++e[速控步骤]FeOH+

+H+

⇌Fe2++H2On电子放电：纯Fe阳极溶解的经典BDD模型13.影响阳极反应速率关键因子Fe+H2O⇌Fe(H2O)腐蚀的金属就是短路原电池电极平衡电位Nernst方程14.腐蚀的金属就是短路原电池电极平衡电位Nernst方程14金属的电偶腐蚀Zn和Cu连接产生电偶腐蚀15.金属的电偶腐蚀Zn和Cu连接产生电偶腐蚀15.极化曲线测量16.极化曲线测量16.腐蚀电极极化曲线H2-2e=2H+Fe

=Fe2++2e-极化曲线2H++2e-=H2Fe-2e-=Fe2+17.腐蚀电极极化曲线H2-2e=2H+Fe=Fe2从热力学角度判断腐蚀程度PourbaixDiagrams18.从热力学角度判断腐蚀程度PourbaixDiagrams1钝化体系的均匀腐蚀Fe，Al，Stainlesssteel钝化体系的均匀腐蚀Fe，Al，Stainlesssteel点蚀机理（缝隙腐蚀）O2+4H2O+4e=4OH-局部酸化理论Al-3e=Al3+Al3++H2O=H++AlOH2+Al(OH)Cl++H2O=Al(OH)2Cl+H+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-H+H+H+H+AlOH2+AlOH2+H+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-H+H+H+H+点蚀机理（缝隙腐蚀）O2+4H2O+4e=4OH合金相诱发点蚀示意图21阳极相阴极相eeOH-OH-ee2H2O+O2+4e=4OH-H+Al2O3Cl-阳极反应阴极反应H+Cl-AlAl微电偶腐蚀合金相诱发点蚀示意图21阳极相阴极相eeOH-OH-ee2H1.材料因素（内因）金属的化学稳定性合金成分晶相组织与热处理金属表面状态变形应力影响金属腐蚀的因素2.环境因素（外因）pH值离子类型及浓度温度溶解氧浓度流速电偶缝隙1.材料因素（内因）影响金属腐蚀的因素2.环境因素（外因）腐蚀控制方法

23.腐蚀控制方法 23.合理的防腐蚀设计结构形式应尽量简单防止残留液腐蚀和沉积物腐蚀合理的防腐蚀设计结构形式应尽量简单

尽可能不采用铆接结构而采用焊接结构尽可能采用对焊、连续焊而不采用搭接焊、间断焊避免电偶和缝隙腐蚀合理的防腐蚀设计尽可能不采用铆接结构而采用焊接结构避免电偶和缝隙腐蚀合理的1000系工业纯铝2000系Al-Cu3000系Al-Mn4000系Al-Si5000系Al-Mg6000系Al-Mg-Si7000系Al-Zn-Mg8000系其他合金9000系备用系别1900年铝合金诞生比强度高易加工易成型导电导热耐蚀性可焊性铝合金的腐蚀1000系2000系3000系4000系5000系6000系27纯Al耐蚀性好，但强度很低；加入合金元素，显著提高强度，但降低耐蚀性点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等纯Al电位-pH图纯Al的热力学性质27纯Al耐蚀性好，但强度很低；纯Al电位-pH图纯Al的合金相的电化学性质化学计量式自腐蚀电位（0.6MNaCl，mV/SCE)Cu-220Si-452Al3Fe

-566Al2Cu-695Al-849Al6Mn-913Zn-1028Al2CuMg-1061MgZn2-1095Al3Mg2-1162Mg2Si-1536Mg-1688阴极相阳极相合金相的电化学性质化学计量式自腐蚀电位（0.6MNaCl合金相诱发点蚀示意图29阳极相阴极相eeOH-OH-ee2H2O+O2+4e=4OH-H+Al2O3Cl-阳极反应阴极反应H+Cl-AlAl合金相诱发点蚀示意图29阳极相阴极相eeOH-OH-ee2H2024铝合金的S相腐蚀Al2CuMg（S相）中Mg、Al原子发生溶解2024铝合金的S相腐蚀Al2CuMg（S相）中Mg、Al原富Fe相富Fe相5xxx铝合金晶间腐蚀325218铝合金，4.5%Mg3.5%NaCl,pH3,72hAl3Mg2ab5xxx铝合金晶间腐蚀325218铝合金，4.5%Mg3.100g/L(NH4)2S2O8

溶液分别刻蚀6h、2.5h、2h、2hAl-Mg合金的晶间腐蚀100g/L(NH4)2S2O8溶液分别刻蚀6h、2.铝合金的应力腐蚀机理晶粒A晶粒B晶内析出相M→Mn++neMn++nH2O→M(OH)n+nH+H++e→HGB氢致开裂阳极溶解Dix阳极溶解理论1940192719351944195319621971发现铝合金SCC1919Gest氢致开裂1974Viswanadham等Mg-H复合19801977

Christodoulou等氢陷阱34.铝合金的应力腐蚀机理晶粒A晶粒B晶内析出相M→Mn++neM铝合金的应力腐蚀敏感性系别合金类型SCC敏感程度1000系Al不敏感2000系Al-Cu-Mg-Si（3~6%Cu)敏感3000系Al-Mn-Mg不敏感5000系Al-Mg（1~2.5%Mg）不明感5000系Al-Mg（3~6%Mg）敏感6000系Al-Mg-Si不敏感7000系Al-Zn-Mg-（Cu）敏感铝合金的应力腐蚀敏感性系别合金类型SCC敏感程度1000系A铝合金的应力腐蚀行为元素ZnMgCuFeSiMnCrZrTiVAlwt%4.151.270.0170.160.130.280.190.110.0260.01Bal峰值过时效过度过时效铝合金的应力腐蚀行为元素ZnMgCuFeSiMnCrZrTi216μm17μm40μm裂纹形貌观察峰值时效过时效过度过时效216μm17μm40μm裂纹形貌观察峰值时效过时效过小结A铝合金中的第二相对点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀有很大影响；B较大点蚀一般与富Fe夹杂有关，是降低腐蚀疲劳寿命的主要原因；晶界析出相则会诱发晶间腐蚀，在受力条件下还会导致应力腐蚀。C峰值时效Al-Zn-Mg合金易发生氢致开裂型的SCC，采用适当时效处理可提高应力腐蚀抗力。小结A铝合金中的第二相对点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀有很大影响应力腐蚀和腐蚀疲劳试验设备39应力腐蚀和腐蚀疲劳试验设备39金属研究所简介40.金属研究所简介40.在岗人员总计1400人，其中专业技术人员800人院士：8人研究员：113人副高级职称：187人具有博士学位人员：180人具有硕士学位人员：80人研究生700人;博士后33人；工程硕士78人离退休人员900人人员状况41.在岗人员总计1400人，其中专业技术人员800人人员状况4金属腐蚀与防护研究主要研究方向自然环境腐蚀高温氧化与腐蚀力学/化学（环境）交互作用金属所荣获国际腐蚀工程师协会2011年度杰出机构奖

防护技术耐腐蚀材料腐蚀防护涂层/镀层材料表面改性阴极保护缓蚀剂腐蚀监检测方法42.金属腐蚀与防护研究主要研究方向金属所荣获国际腐蚀工程师协会2腐蚀-悄无声息的自然过程张波中国科学院金属研究所2016年11月22日青岛43.腐蚀-悄无声息的自然过程张波1.腐蚀的定义材料与环境发生作用所引起的破坏或变质称为腐蚀。金属材料的腐蚀无机非金属材料的腐蚀有机材料的腐蚀44.腐蚀的定义金属材料的腐蚀2.腐蚀的类型45.腐蚀的类型3.腐蚀的类型46.腐蚀的类型4.腐蚀的类型47.腐蚀的类型5.腐蚀造成的经济损失美国：GDP3%48.腐蚀造成的经济损失美国：GDP3%6.腐蚀危害49.腐蚀危害7.腐蚀危害50.腐蚀危害8.腐蚀危害51.腐蚀危害9.腐蚀危害52.腐蚀危害10.金属发生腐蚀的根本原因本质：电磁力的作用原因：从能量的观点来看，金属比氧化物的能量高Fe-2e=Fe2+FeO2+2H2O+4e=4OH-阳极溶解阴极还原O2+2H2O+2Fe=2Fe(OH)2eFe2+

+2

 H2O⇌Fe(OH)2

+2

H+53.金属发生腐蚀的根本原因本质：电磁力的作用Fe-2e=Fe化学反应：反应粒子吸收能量，活化态电化学反应：反应粒子吸收能量，活化态，电极电势能改变活化能。化学反应与电化学反应的异同能量化学反应电化学反应化学反应：反应粒子吸收能量，活化态化学反应与电化学反应的异同影响阳极反应速率关键因子Fe+H2O⇌Fe(H2O)adFe(H2O)ad⇌Fe(OH-)ad+H+Fe(OH-)ad⇌(FeOH)ad+e(FeOH)ad

→

FeOH++e[速控步骤]FeOH+

+H+

⇌Fe2++H2On电子放电：纯Fe阳极溶解的经典BDD模型55.影响阳极反应速率关键因子Fe+H2O⇌Fe(H2O)腐蚀的金属就是短路原电池电极平衡电位Nernst方程56.腐蚀的金属就是短路原电池电极平衡电位Nernst方程14金属的电偶腐蚀Zn和Cu连接产生电偶腐蚀57.金属的电偶腐蚀Zn和Cu连接产生电偶腐蚀15.极化曲线测量58.极化曲线测量16.腐蚀电极极化曲线H2-2e=2H+Fe

=Fe2++2e-极化曲线2H++2e-=H2Fe-2e-=Fe2+59.腐蚀电极极化曲线H2-2e=2H+Fe=Fe2从热力学角度判断腐蚀程度PourbaixDiagrams60.从热力学角度判断腐蚀程度PourbaixDiagrams1钝化体系的均匀腐蚀Fe，Al，Stainlesssteel钝化体系的均匀腐蚀Fe，Al，Stainlesssteel点蚀机理（缝隙腐蚀）O2+4H2O+4e=4OH-局部酸化理论Al-3e=Al3+Al3++H2O=H++AlOH2+Al(OH)Cl++H2O=Al(OH)2Cl+H+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-H+H+H+H+AlOH2+AlOH2+H+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-H+H+H+H+点蚀机理（缝隙腐蚀）O2+4H2O+4e=4OH合金相诱发点蚀示意图63阳极相阴极相eeOH-OH-ee2H2O+O2+4e=4OH-H+Al2O3Cl-阳极反应阴极反应H+Cl-AlAl微电偶腐蚀合金相诱发点蚀示意图21阳极相阴极相eeOH-OH-ee2H1.材料因素（内因）金属的化学稳定性合金成分晶相组织与热处理金属表面状态变形应力影响金属腐蚀的因素2.环境因素（外因）pH值离子类型及浓度温度溶解氧浓度流速电偶缝隙1.材料因素（内因）影响金属腐蚀的因素2.环境因素（外因）腐蚀控制方法

65.腐蚀控制方法 23.合理的防腐蚀设计结构形式应尽量简单防止残留液腐蚀和沉积物腐蚀合理的防腐蚀设计结构形式应尽量简单

尽可能不采用铆接结构而采用焊接结构尽可能采用对焊、连续焊而不采用搭接焊、间断焊避免电偶和缝隙腐蚀合理的防腐蚀设计尽可能不采用铆接结构而采用焊接结构避免电偶和缝隙腐蚀合理的1000系工业纯铝2000系Al-Cu3000系Al-Mn4000系Al-Si5000系Al-Mg6000系Al-Mg-Si7000系Al-Zn-Mg8000系其他合金9000系备用系别1900年铝合金诞生比强度高易加工易成型导电导热耐蚀性可焊性铝合金的腐蚀1000系2000系3000系4000系5000系6000系69纯Al耐蚀性好，但强度很低；加入合金元素，显著提高强度，但降低耐蚀性点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等纯Al电位-pH图纯Al的热力学性质27纯Al耐蚀性好，但强度很低；纯Al电位-pH图纯Al的合金相的电化学性质化学计量式自腐蚀电位（0.6MNaCl，mV/SCE)Cu-220Si-452Al3Fe

-566Al2Cu-695Al-849Al6Mn-913Zn-1028Al2CuMg-1061MgZn2-1095Al3Mg2-1162Mg2Si-1536Mg-1688阴极相阳极相合金相的电化学性质化学计量式自腐蚀电位（0.6MNaCl合金相诱发点蚀示意图71阳极相阴极相eeOH-OH-ee2H2O+O2+4e=4OH-H+Al2O3Cl-阳极反应阴极反应H+Cl-AlAl合金相诱发点蚀示意图29阳极相阴极相eeOH-OH-ee2H2024铝合金的S相腐蚀Al2CuMg（S相）中Mg、Al原子发生溶解2024铝合金的S相腐蚀Al2CuMg（S相）中Mg、Al原富Fe相富Fe相5xxx铝合金晶间腐蚀745218铝合金，4.5%Mg3.5%NaCl,pH3,72hAl3Mg2ab5xxx铝合金晶间腐蚀325218铝合金，4.5%Mg3.100g/L(NH4)2S2O8

溶液分别刻蚀6h、2.5h、2h、2hAl-Mg合金的晶间腐蚀100g/L(NH4)2S2O8溶液分别刻蚀6h、2.铝合金的应力腐蚀机理晶粒A晶粒B晶内析出相M→Mn++neMn++nH2O→M(OH)n+nH+H++e→HGB氢致开裂阳极溶解Dix阳极溶解理论1940192719351944195319621971发现铝合金SCC1919Gest氢致开裂1974Viswanadham等Mg-H复合19801977

Christodoulou等氢陷阱76.铝合金的应力腐蚀机理晶粒A晶粒B晶内析出相M→Mn++neM铝合金的应力腐蚀敏感性系别合金类型SCC敏感程度1000系Al不敏感2000系Al-Cu-Mg-Si（3~6%Cu)敏感3000系Al-Mn-Mg不敏感5000系Al-Mg（1~2.5%Mg）不明感5000系Al-Mg（3~6%Mg）敏感6000系Al-Mg-Si不敏感7000系Al-Z