材料保护学——第1次

1、2022-5-232022-5-23 材料保护学 教师：乔宁 Email：qn_课程设置1-4周周 周二上午周二上午1-4节节 北北3105-7周周 写论文，做写论文，做PPT8-9周周 周二上午周二上午1-4节节 北北310参考书李晓刚李晓刚. 材料腐蚀与防护材料腐蚀与防护M. 长沙：中南大学出版社长沙：中南大学出版社. 2009.林玉珍，杨德钧林玉珍，杨德钧. 腐蚀与腐蚀控制原理腐蚀与腐蚀控制原理M. 北京：中国石化北京：中国石化出版社出版社. 2007.米琪，高谨米琪，高谨. 防腐蚀涂料与涂装防腐蚀涂料与涂装M. 北京：中国石化出版社北京：中国石化出版社. 2007.李金桂，郑家楽李金桂

2、，郑家楽. 表面工程技术和缓蚀剂表面工程技术和缓蚀剂M. 北京：中国石北京：中国石化出版社化出版社. 2007.左禹，熊金平左禹，熊金平. 工程材料及其耐蚀性工程材料及其耐蚀性M. 北京：中国石化出北京：中国石化出版社版社. 2008.吴继勋吴继勋. 金属防腐蚀技术金属防腐蚀技术M. 北京：冶金工业出版社北京：冶金工业出版社. 2002.课程内容第第1 1章章. .概述概述 第第2 2章章. .耐蚀材料耐蚀材料第第3 3章章. .介质处理和缓蚀剂保护介质处理和缓蚀剂保护 第第4 4章章. .表面覆盖层表面覆盖层第第5 5章章. .电化学保护电化学保护 第第1 1章章. .概述1.1 引言 1.

3、1 引言 特特 点点金属材料支撑了地球文明金属材料支撑了地球文明1.1 引言 材料制备材料制备表面改性表面改性机械力学机械力学流体力学流体力学电磁效应电磁效应环境处理环境处理与控制与控制为什么金属会为什么金属会“腐蚀腐蚀”？ 1.1 引言 冶金吸收能量腐蚀释放能量纯金属1.1 引言 金属腐蚀的损失金属腐蚀的损失 腐蚀几乎涉及所有的环境：太空、海洋、土壤、自然环境、工业环境、生物环境等。 美国 占GDP约4% 欧洲 占GDP 2.0%3.5% 日本 占GDP约1.5% 中国 5000亿/年（20032005年全国调查）1.1 引言 材料材料 环境环境 何谓何谓“腐蚀腐蚀”？ 何谓何谓“保护保护”

4、？ 1.1 引言 “材料保护材料保护”的最终极目的的最终极目的 1.1 引言 1.2 腐蚀原理 金属腐蚀本质金属腐蚀本质阴极阳极e还原反应氧化反应1.2 腐蚀原理 1.2 腐蚀原理 IMn+DDnenene1.2 腐蚀原理 1.2 腐蚀原理 1.3 腐蚀类型腐蚀分类（按金属材料破坏的特征）腐蚀分类（按金属材料破坏的特征）从各类腐蚀失效事故统计来看：从各类腐蚀失效事故统计来看：全面腐蚀占全面腐蚀占17.17.8 8，局部腐局部腐蚀占蚀占82.282.2。其中。其中应力腐蚀断裂为应力腐蚀断裂为3838，点蚀为，点蚀为2525，缝隙，缝隙腐蚀为腐蚀为2.22.2，晶间腐蚀为，晶间腐蚀为11.511.

5、5，电偶腐蚀为，电偶腐蚀为2 2，磨蚀等，磨蚀等其他腐蚀形式为其他腐蚀形式为3.13.1。可见局部腐蚀的严重性。可见局部腐蚀的严重性。1.3 腐蚀类型1.3.1 全面腐蚀宏观：整个金属宏观：整个金属/ /电解质界面的电解质界面的电化学性质是均匀的电化学性质是均匀的微观：金属表面各点随时间有能量起伏，能量高时（处）微观：金属表面各点随时间有能量起伏，能量高时（处） 为阳极，能量低时（处）为阴极，腐蚀原电池的阴、为阳极，能量低时（处）为阴极，腐蚀原电池的阴、 阳极面积非常小，且这些微阴极和微阳极的位置变阳极面积非常小，且这些微阴极和微阳极的位置变 换不定，因而整个金属表面都遭到同等的腐蚀。换不定，

6、因而整个金属表面都遭到同等的腐蚀。1.3.2 局部腐蚀孔蚀（点蚀）孔蚀（点蚀）1.3.2 局部腐蚀孔蚀（几何因素）特点孔蚀（几何因素）特点孔蚀机理孔蚀机理 闭塞电池自催化腐蚀过程闭塞电池自催化腐蚀过程 1.3.2 局部腐蚀缝隙腐蚀（表面状态及几何因素）缝隙腐蚀（表面状态及几何因素）特点1.3.2 局部腐蚀缝隙腐蚀机理缝隙腐蚀机理引发发展1.3.2 局部腐蚀1.3.2 局部腐蚀应力腐蚀破裂（力学因素）应力腐蚀破裂（力学因素） 1.3.2 局部腐蚀应力腐蚀破裂特征应力腐蚀破裂特征1.3.2 局部腐蚀应力腐蚀破裂机理应力腐蚀破裂机理1.3.2 局部腐蚀腐蚀疲劳（力学因素）腐蚀疲劳（力学因素）特征机理

7、1.3.2 局部腐蚀磨损腐蚀（力学因素）磨损腐蚀（力学因素）湍流腐蚀1.3.2 局部腐蚀空泡腐蚀（汽蚀）1.3.2 局部腐蚀电偶腐蚀（异种金属组合因素）电偶腐蚀（异种金属组合因素）机理1.3.2 局部腐蚀1.3.2 局部腐蚀具有不同腐蚀电位的材料具有不同腐蚀电位的材料存在导电回路存在导电回路条件电偶序：金属在一定条件下测得的稳定电偶序：金属在一定条件下测得的稳定电位的相对大小，判断相对腐蚀倾向。电位的相对大小，判断相对腐蚀倾向。晶间腐蚀（焊接因素）晶间腐蚀（焊接因素）特征1.3.2 局部腐蚀晶间腐蚀机理晶间腐蚀机理1.3.2 局部腐蚀材料保护方法和技术材料保护途径材料保护途径第2章 耐蚀材料2

8、.1 金属耐蚀原理2.1.1 2.1.1 纯金属的耐腐蚀特性纯金属的耐腐蚀特性 2.1.1 纯金属耐蚀特性 2.1.2 二元合金耐蚀特性 2.1.2 二元合金耐蚀特性2.1.2 二元合金耐蚀特性 2.1.2 二元合金耐蚀特性塔曼定律(Tammann Law)2.1.2 二元合金耐蚀特性2.1.3 组织结构的影响 2.1.3 组织结构的影响 2.2 合理选材2.2 合理选材2.2 合理选材2.2 合理选材2.2.1 金属耐蚀合金化途径acacPPRi腐蚀电池推动力腐蚀电池推动力腐蚀体系电阻腐蚀体系电阻 2.2.1 金属耐蚀合金化途径 2.2.1 金属耐蚀合金化途径 2.2.2 耐蚀合金材料除了在

9、强腐蚀性介质中外，钢铁通常对很宽范围的腐蚀介质具有某种程度的耐蚀能力2.2.2 耐蚀合金材料 C：钢中常以碳化物形式存在，是主要强化元素。 耐蚀性：在非氧化性的酸性介质中，碳含量增大，腐蚀加速； 在氧化性介质中，碳含量可影响到钢的钝化。Mn：钢主要强化元素。可溶入铁素体中，也可细化珠光体组织使 其强化，提高钢的强度。 耐蚀性：Mn降低钢的抗腐蚀能力。在钢铁常规范围内Mn对 钢的性能无显著影响2.2.2 耐蚀合金材料Si：可溶入铁素体中起固溶强化作用 耐蚀性： Si与Al、Cu、Mo等元素配合使用时，提高钢的抗 H2S及弱酸腐蚀能力S：产生热脆 耐蚀性：降低钢的耐蚀性，诱发孔蚀和硫化物应力腐蚀破

10、裂P：强化铁素体，产生冷脆 耐蚀性：含量增加降低普通碳钢的耐蚀性； P是提高钢耐大 气腐蚀最有效的合金元素之一（与Cu联用，含量0.15%）Cr：强化元素。 耐蚀性：提高钢的抗H2S、NH3、CO2、H2O、HNO3、高温 高压H2及抗大气、海水腐蚀的能力；对碱、氯化物 和硝酸盐腐蚀无效2.2.2 耐蚀合金材料Ni：强化铁素体，改善钢的抗低温冲击能力 耐蚀性：提高钢对酸、碱和海水的耐蚀能力，增强钢耐大气腐 蚀及抗腐蚀疲劳的能力；对H2腐蚀无效，易腐蚀破裂Mo：提高钢的强度和高温强度，防止钢的回火脆性 耐蚀性：提高钢抗H2S、NH3、CO、H2O、高温高压H2和弱还 原酸腐蚀的能力Al：用以脱氧

11、和细化晶粒 耐蚀性：提高钢对大气、NH3-CO2-H2O、H2S系统介质的抗腐 蚀能力和抗弱酸腐蚀的能力；可固定氮，防止腐蚀破裂Cu：含量过高会造成热脆 耐蚀性：提高钢的耐大气及海水腐蚀的能力，尤其与P联合使用 时作用更强。可抵消S的有害影响2.2.2 耐蚀合金材料Ti：提高钢抗高温高压H2-N2-NH3腐蚀的能力，与其它元素配合使用 能提高钢抗大气、海水及H2S腐蚀的能力V：提高钢抗高温高压H2-N2-NH3腐蚀、抗NH3-C02-H2O腐蚀及抗弱酸 腐蚀的能力，与其它元素配合使用能提高钢抗H2S腐蚀的能力Nb：与其它元素配合使用，藉以提高钢抗大气、海水、H2S及高温高 压H2-N2-NH3

12、腐蚀的能力W：提高钢抗高温高压H2-N2-NH3腐蚀的能力，与V、Sn等元素配合 使用时提高钢抗NH3-CO2-H2S-H2O系统腐蚀的能力Sn、As、Sb：与其他元素配合使用，如与Cu配合作用可减低钢在稀 硫酸和稀盐酸中的腐蚀速率。Sn与W、V配合使用可 提高钢抗NH3-CO2-H2S-H2O系统腐蚀的能力 2.2.2 耐蚀合金材料不锈钢系不锈耐酸钢的简称在大气、水蒸汽和淡水等弱介质中耐腐蚀或具有不锈性的钢种称为不锈钢；在酸、碱、盐等化学腐蚀介质中耐腐蚀的钢种则称为耐酸钢由于化学成分上的差异而使它们耐蚀性能不同，不锈钢一般不耐酸，而耐酸钢一般则均具有不锈性。2.2.2 耐蚀合金材料2.2.2

13、 耐蚀合金材料 氧化膜对于处于固态和液态的铝均有良好的保护作用。当其受到损坏时，只要有足够的氧存在，氧化膜还可以“自愈”。只有在卤素离子或碱离子的激烈作用下才会受到破坏。铝在淡水、海水、浓硝酸、各种硝酸盐、汽油及许多有机物中都具有足够的耐蚀性。但在还原性环境、强酸、强碱中却不耐蚀铝是活泼金属，其标准电位-1.67V。在空气中极易氧化，生成致密而坚固的氧化膜（Al2O3），厚度约为51010-9m，熔点20502.2.2 耐蚀合金材料 铜及其合金的品种很多：分为四类：紫铜、黄铜、青铜和白铜铜的标准电位0.34V，在空气中较稳定，耐蚀性较好。黄铜：铜-锌合金，可加入少量锡、锰、铝等元素改善性能 锡能显著提高其对海水的耐蚀性，锡黄铜又称为海军黄铜； 加1-2的锰能明显提高黄铜的工艺性能、强度和耐蚀性； 铝能提高黄铜强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低青铜：早期铜-锡合金，除锌、镍以为的其它铜合金 锡青铜只有添加磷、锌、铅、镍和其它元素才有应用意义； 铝青铜耐腐