金属腐蚀的定义及分类

1、2020/7/12,金属腐蚀与防护Metal Corrosion and Protection,主讲：李又绿 （）,2020/7/12,2.金属腐蚀的定义及分类,2.1 金属腐蚀的定义 2.2 金属发生腐蚀的特点 2.3 金属腐蚀的分类 2.4 金属腐蚀速度的表示方法,2020/7/12,狭义：腐蚀是材料受环境介质的化学作用而破坏现象。 广义： 任何材料(金属或非金属材料)受到周围环境因素(如湿气、水、化工大气、电解液、有机溶剂、酸、碱等)的作用引起破坏或变质的现象，统称为“腐蚀”。,腐蚀的定义,2.1 金属腐蚀的定义,2020/7/12,金属腐蚀 是指金属与周围环境（介质）发生化学反应、电化

2、学反应或物理溶解作用而导致金属损坏。 这个定义明确指出了金属腐蚀是包括金属材料和环境介质两者在内的一个具有反应作用的体系。,2.1 金属腐蚀的定义,2020/7/12,金属及其合金的腐蚀主要是化学和电化学作用引起的破坏，有时伴随有机械、物理或生物作用。单纯的物理作用的破坏，如合金在液态金属中的物理溶解（存放熔融锌的钢容器，Fe在高温下被液态锌溶解，使容器壁变薄），这种情况比较少。 不包含化学变化的纯机械破坏不属于腐蚀范畴，例如钢索断裂、机器轴的损坏等 ，这是材料本身性能的失效。,2.1 金属腐蚀的定义,2020/7/12,WHY？ 从热力学的观点看，是因为金属处于不稳定状态，它有与周围介质发生

3、作用转变成金属离子的倾向。,金属为什么很容易受腐蚀？,2020/7/12,2 金属腐蚀的定义及分类,2.1 金属腐蚀的定义 2.2 金属发生腐蚀的特点 2.3 金属腐蚀的分类 2.4 金属腐蚀速度的表示方法,2020/7/12,2.2 金属发生腐蚀的特点,1）破坏总是从金属表面逐渐向内部深入。 因金属腐蚀的过程发生在金属与介质面上的多相反应。 2）金属在发生腐蚀过程时，一般也同时发生外貌变化。 如溃疡斑，小孔，表面有腐蚀产物，金属材料变薄等。 3）金属的机械性能，组织结构发生变化。 如金属变脆，强度降低，金属组织结构发生相变等。 4）金属还没有腐蚀到严重的程度，已足以造成设备事故或损坏,202

4、0/7/12,2 金属腐蚀基本原理,2.1 金属腐蚀的定义 2.2 金属发生腐蚀的特点 2.3 金属腐蚀的分类 2.4 金属腐蚀速度的表示方法,2020/7/12,2.3 金属腐蚀的分类,2.3.1 按腐蚀形态分类 2.3.2 按腐蚀环境分类 2.3.3 按腐蚀机理分类 2.3.4 其他（材料、部位、应用场合、防护方法）,2020/7/12,2.3.1 按腐蚀形态分类,点蚀 pitting,电偶腐蚀 galvanic corrosion,氢腐蚀 hydrogen corossion,应力腐蚀开裂 stress corrosion cracking,晶间腐蚀 intergranular corr

5、osion,选择性腐蚀 selective leaching,局部腐蚀 （ localized corrosion ）,全面腐蚀 （general corrosion）,2020/7/12,全面腐蚀（general corrosion）,全面腐蚀是指腐蚀发生在整个金属表面，但各点的腐蚀速率不一定相同。如果各处的腐蚀速率相同，则为均匀腐蚀，否则就为不均匀腐蚀。碳钢在强酸、强碱中发生的腐蚀属于全面腐蚀。,2020/7/12,全面腐蚀（general corrosion）,均匀腐蚀的程度可以用腐蚀率来表示。 常用两种单位：一是单位时间内、单位表面积上损失的质量，以/(2)计； 另一是单位时间内腐蚀的

6、平均厚度，以/计。 由厚度腐蚀率可以估算设备的预期寿命，应用得更为广泛。,若知道了腐蚀的速度，即可推知材料的使用寿命，并在设计时将此因素考虑进去。,2020/7/12,局部腐蚀（localized corrosion）,腐蚀主要集中在金属表面某一区域，而表面的其他部分几乎未被破坏。,(1) 点蚀 (2) 电偶腐蚀 (3) 脱层腐蚀 (4) 晶间腐蚀 (5) 选择性腐蚀,(6) 磨损腐蚀 (7) 应力腐蚀开裂 (8) 腐蚀疲劳 (9) 氢腐蚀 (10) 缝隙腐蚀,2020/7/12,（1） 点蚀,腐蚀集中于金属表面的很小范围内，并深入到金属内部的孔状腐蚀形态。 一种高度局部的腐蚀形态。（也叫孔蚀

7、） 通常其腐蚀深度大于其孔径，严重时可使金属穿孔。 如：不锈钢在含有氯离子的溶液中常呈现这种破坏形式。,2020/7/12,铝的点蚀坑成长的电化学机构示意图,（1）点蚀,点蚀系数：蚀孔最大深度/平均腐蚀深度,易于生成炖化膜的金属材料表面容易发生深的点蚀（如不锈钢、铝） 点腐蚀发生于有特殊离子的介质中。 点腐蚀发生在某一临界电位以上,特 征,2020/7/12,两种或两种以上不同电极电位的金属处于腐蚀介质内相互接触而引起的电化学腐蚀 又称接触腐蚀或双金属腐蚀。,（2）电偶腐蚀 galvanic corrosion,2020/7/12,发生电偶腐蚀时,电极电位较负的金属通常会加速腐蚀,而电极电位较

8、正的金属的腐蚀则会减慢。 如不锈钢和碳钢的连接处，碳钢在介质中做为阳极而被腐蚀。,（2）电偶腐蚀 galvanic corrosion,2020/7/12,（3） 脱层腐蚀,在金属层状结构层与层之间产生腐蚀，先垂直向内发展，然后改变方向，有选择地腐蚀与表面平行的物质。（剥蚀） 腐蚀产物的膨胀力使未腐蚀的表层成层状脱离。,铝的脱层腐蚀,2020/7/12,（4）晶间腐蚀,晶间腐蚀是发生在金属或合金晶间处的一种选择性腐蚀。腐蚀沿晶粒边界向内发展，外表没有腐蚀迹象，但晶界沉积有腐蚀产物 由金相显微镜可看到晶界呈现网状腐蚀。,2020/7/12,（4） 晶间腐蚀,晶间腐蚀是晶界在一定条件下产生化学和组

9、织的变化导致耐蚀性降低而引起的。（温度、成分、腐蚀溶液等） 奥氏体不锈钢的晶间贫铬引起的晶间腐蚀在工业中较为常见。,2020/7/12,工业合金有不同成分和杂质,具有不同的结构,耐蚀性也有差别。在一定溶液中,有些活性组分溶出,剩下疏松的不活泼组分,强度和延性完全丧失。 黄铜脱锌：锌溶人溶液，黄铜表面覆盖一层疏松的红色薄膜。实际上铜也溶解，但其后又沉积在合金表面上。除均匀的层状脱锌外，还有局部的塞状脱锌。,（5） 选择性腐蚀,2020/7/12,灰铸铁的石墨化： 铁腐蚀浸出，剩下石墨网状体，严重失去强度。 球墨或延展性铸铁因为不存在残余物联系在一起的网状结构，所以不产主石墨化。,（5） 选择性腐

10、蚀,2020/7/12,（6）磨损腐蚀,冲击腐蚀 空泡腐蚀 摩振腐蚀,2020/7/12,（6）磨损腐蚀,冲击腐蚀 冲击腐蚀是磨损腐蚀的主要形态。简称冲蚀。,磨损腐蚀,2020/7/12,（6） 磨损腐蚀,冲击腐蚀 冲击腐蚀多发生在流体改变方向的部位，如弯头、三通、旋风分离器、容器内以及入口管相对的部位。 防止冲击腐蚀可以选用耐磨损较好的材料, 也可改进设计、改变环境、或用涂层和阴极保护等。,发生冲蚀的弯头图,未发生冲蚀的弯头,2020/7/12,（6 ） 磨损腐蚀,空泡腐蚀 空泡腐蚀简称空蚀或气蚀,是磨损腐蚀的一种特殊形态。 泵叶轮和水力透平机等常产生空蚀。,2020/7/12,（6） 磨损

11、腐蚀,空泡腐蚀,空泡腐蚀各步骤示意图,防止空蚀可改进设计，以减少流程中流体动压差，也可选用较耐空蚀的材料或精磨表面。用弹性保护层(塑料或橡胶)或阴极保护也有效。,2020/7/12,（6） 磨损腐蚀, 摩振腐蚀 是指承受载荷、互相接触的两表面由于振动和滑动(反复的相对运动)引起的破坏,也称微动腐蚀。,2020/7/12,（6） 磨损腐蚀, 摩振腐蚀 最常见的例子是滚珠轴承与轴之间,也发生在引擎、机车部件、螺栓连接的部件等处。 防护方法可在接触表面涂润滑油脂,如果表面同时磷化更有效。还可选用硬质合金,如冷加工以提高表面硬度等。,2020/7/12,（7） 应力腐蚀开裂,合金在腐蚀和一定方向的拉应

12、力同时作用下产生破裂,称为SCC 裂缝形态有两种:沿晶界发展,称晶间开裂；缝穿过晶粒,称穿晶开裂,也有混合型。 是最危险的腐蚀形态之一,可引起突发性事故。,2020/7/12,（7） 应力腐蚀开裂,输气,2020/7/12,（7） 应力腐蚀开裂,防止应力腐蚀的方法: 进行热处理以消除部件的应力; 改进设计结构,避免应力集中于局部 设计中选用的载荷应低于产生应力腐蚀的临界值; 表面用喷丸处理产生压应力; 采用电化学保护、涂料、或缓蚀剂,2020/7/12,（8） 腐蚀疲劳,腐蚀和交变应力共同作用引起的疲劳破裂。,埋地管道,2020/7/12,（8） 腐蚀疲劳,防止方法: (1) 改进设计或进行热

13、处理以消除和减小拉应； (2) 表面喷丸处理产生压应力； (3) 电镀锌、铬、镍等(但电镀时注意镀层中不可产生拉应力,也不可有氢渗入) ； (4) 也可用缓蚀剂和阴极保护。,2020/7/12,（9）氢腐蚀,(1) 氢鼓泡 (2) 氢脆,2020/7/12,（9） 氢腐蚀,(1) 氢鼓泡 对低强度钢，特别是含大量非金属夹杂时溶液中产生的氢原子很容易扩散到金属内部。 当环境中含有硫化物、氰化物、含磷离子等阻止放氢反应的毒素时，进入钢内结合成分子，使钢表面产生鼓泡。,2020/7/12,（9） 氢腐蚀,氢鼓泡防止方法 除去毒素（硫化物、氰化物、磷离子等）最有效 可选用无空穴的镇静钢代替沸腾钢 采用

14、氢不易渗透的奥氏体不锈钢或镍的衬里(或橡胶、塑料、瓷砖村里),2020/7/12,（9） 氢腐蚀,(2) 氢脆 金属由于吸收了原子氢而使其性质变脆的现象叫氢脆。 如钢中的BiPbSAs都能促进氢脆. 在高强钢中晶格高度变形，当进入后,晶格应变更大，使韧性及延展性降低，导致脆化，在外力下可引起破裂。 一般钢强度越高，氢脆破裂的敏感性越大。（机理还不十分清楚，有各种理论。）,2020/7/12,（9） 氢腐蚀,氢脆防止方法： 在未破裂前氢脆是可逆的，如进行适当的热 处理，使氢逸出,金属可恢复原性能。 在容易发生氢脆的环境中,避免使用高强钢，可用、合金钢； 焊接时采用低氢焊条，保持环境干燥(水是氢的

15、主要来源)； 电镀液要选择,控制电流； 酸洗液中加入缓蚀剂。 氢已进入金属后，可进行低温烘烤驱氢，如钢一般在90150脱氢。,2020/7/12,（10） 缝隙腐蚀,缝隙腐蚀是孔蚀的一种特殊形态 发生在缝隙内(如焊、铆缝、垫片或沉积物下面的缝隙) 破坏形态为沟缝状,严重的可穿透。,2020/7/12,初期阶段,（10） 缝隙腐蚀,缝隙腐蚀常有一段较长的孕育期。当缝内p值下降到临界值后，与孔蚀相似，产生加速腐蚀。,一般在含Cl-溶液中最易发生 有效的防止方法是消除缝隙,2020/7/12,思考： 应力腐蚀开裂、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、氢脆及种腐蚀的异与同？,？,2020/7/12,2.3 金属腐蚀的

16、分类,2.3.1 按腐蚀形态分类 2.3.2 按腐蚀环境分类 2.3.3 按腐蚀机理分类 2.3.4 其他（材料、部位、应用场合、防护方法）,2020/7/12,2.3.2 按腐蚀环境分类,金属在露点以上的常温干燥气体中的腐蚀； 生成很薄的表面产物，使金属失去光泽； 属于化学腐蚀范畴,金属在高温气体中腐蚀； 在金属表面有时生成一层很薄的氧化皮； 氧化皮在热应力和机械应力的作用下可能剥落，属于高温腐蚀。,如Al在CCl4和CHCl3中的腐蚀。,如Al在乙醇中，Mg在Ti在甲醇中的腐蚀。,2020/7/12,2.3 金属腐蚀的分类,2.3.1 按腐蚀形态分类 2.3.2 按腐蚀环境分类 2.3.3

17、 按腐蚀机理分类 2.3.4 其他（材料、部位、应用场合、防护方法）,2020/7/12,2.3.3 按腐蚀机理分类,(1) 化学腐蚀 (2) 电化学腐蚀 (3) 物理腐蚀,2020/7/12,(1) 化学腐蚀,金属的化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。 化学腐蚀是在一定的条件下，非电解质中的氧化剂直接与金属表面的原子相互作用，即氧化还原反应是在反应粒子相互作用的瞬间于碰撞的那一个反应点上完成的。 在化学腐蚀过程中，电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。,2020/7/12,纯化学腐蚀的情况不多，主要为金属在无水的有机液体和气体中腐蚀以及在干燥气

18、体中的腐蚀（无电解液）。 化学腐蚀可分为两种： 气体腐蚀：一般指金属在干燥气体中发生的腐蚀。例如，用氧气切割和焊接管道时在金属表面上产生的氧化皮。 在非电解质溶液中的腐蚀：例如金属在某些有机液体（如苯、汽油）中的腐蚀。,(1) 化学腐蚀,2020/7/12,过去，普遍的观点认为，金属的高温氧化属典型的化学腐蚀。但在1952年，瓦格纳（C.Wangner）根据氧化膜的近代观点提出，不再将高温氧化视为单纯的化学腐蚀。 在高温气体中金属的氧化最初虽然是通过化学反应，但后来，膜的成长过程则属于电化学机理。（有了离子的迁移）,(1) 化学腐蚀,2020/7/12,(2) 电化学腐蚀,电化学腐蚀是指金属与

19、电解质发生电化学反应而产生的破坏。 在腐蚀过程中有电流产生。电化学腐蚀的过程至少包括有一个阳极反应和一个阴极反应，并与流过金属内部的电子流和介质中定向迁移的离子联系在一起。 阳极反应是金属原子从金属转移到介质中并放出电子的过程，即氧化过程。 阴极反应是介质中的氧化剂夺取电子发生还原反应的还原过程。,2020/7/12,例如，碳钢在酸中腐蚀时，在阳极区Fe被氧化成Fe2+，所放出的电子自阳极（Fe）流至钢表面的阴极区（如Fe3C）上，与H+作用而还原成氢气，即,阳极反应：FeFe2+2e 阴极反应：2H+2e H2 总反应：Fe+2H+ Fe2+H2 ,（2） 电化学腐蚀,2020/7/12,电

20、化学腐蚀的特点,介质为离子导电的电解质。 金属/电解质界面反应过程是因电荷转移而引起的电化学过程，必须包括电子和离子在界面上的转移。 界面上的电化学过程可以分为两个相互独立的氧化和还原过程，金属/电解质界面上伴随电荷转移发生的化学反应称为电极反应。 电化学腐蚀过程伴随电子的流动，即电流的产生。,2020/7/12,综上所述，电化学腐蚀实际上是一个短路的原电池反应的结果，这种原电池又称为腐蚀原电池。油气管道和储罐在潮湿的大气中、海水中、土壤中以及油气田的污水、注水系统等环境中的腐蚀均属此类。 腐蚀原电池与一般原电池的差别仅在于原电池是把化学能转变为电能，作有用功，而腐蚀原电池则只能导致材料的破坏

21、，不对外界作有用功。,（2）电化学腐蚀,2020/7/12,当管、罐金属表面受到外界的交、直流杂散电流的干扰，产生电解电池的作用时，腐蚀金属电极的阳极溶解，即发生所谓的杂散电流腐蚀。电解池的正极进行阳极反应，负极进行阴极反应，其电极的正、负极性与腐蚀原电池相反。 故电化学反应是借助于原电池和电解池进行的。电化学腐蚀较普遍和常见，是油气田设备及管道腐蚀的主要类型。,（2）电化学腐蚀,2020/7/12,条件 现象 本质 联系,化学腐蚀与电化学腐蚀的区别,电化学腐蚀,化学腐蚀,两种腐蚀往往同时发生，只是电化学腐蚀比化学腐蚀要普遍得多,2020/7/12,（3）物理腐蚀,物理腐蚀是指金属由于单纯的物

22、理溶解作用而引起的破坏。熔融金属中的腐蚀就是固态金属与熔融金属（如铅、锌、钠、汞等）相接触引起的金属溶解或开裂。 这种腐蚀不是由于化学反应，而是由于物理溶解作用，形成合金，或液态金属渗入晶间造成的。 热浸锌用的铁锅，由于液态锌的溶解作用，可使铁锅腐蚀。,2020/7/12,2.3 金属腐蚀的分类,2.3.1 按腐蚀形态分类 2.3.2 按腐蚀环境分类 2.3.3 按腐蚀机理分类 2.3.4 其他分类（材料、部位、应用场合、防护方法） （课后了解部分）,2020/7/12,2 金属腐蚀的定义及分类,2.1 金属腐蚀的定义 2.2 金属发生腐蚀的特点 2.3 金属腐蚀的分类 2.4 金属腐蚀速度的

23、表示方法,2020/7/12,2.4 金属腐蚀速度的表示方法,2.4.1 均匀腐蚀腐蚀速度的腐蚀速度 2.4.2 局部腐蚀的腐蚀速度 2.4.3 腐蚀评价标准,2020/7/12,2.4.1 均匀腐蚀的腐蚀速度,金属遭受腐蚀后，其质量、厚度、机械性能、组织结构、电极过程都会变化，这些物理性能和力学性能的变化率可用来表示金属腐蚀的程度。 在均匀腐蚀的情况下通常采用质量指标、深度指标和电流指标来表示。,2020/7/12,1) 质量指标,单位时间内金属单位表面积损耗金属的质量。 失重表示法 损耗的质量是指腐蚀前的质量与消除了腐蚀产物后的质量之间的差值。,2020/7/12,增重表示法 损耗的质量指

24、腐蚀后带有腐蚀产物时的质量与腐蚀前的质量之差。,1） 质量指标,2020/7/12,方法选用： 可根据腐蚀产物容易去除或完全牢固地附着在试件表面的情况来选取失重或增重表示法 一般均用失重表示腐蚀速度 但如腐蚀产物不易消除或牢固附着在金属的表面，亦有用增重表示的。,1）质量指标,2020/7/12,根据我国选定的非国际单位制的时间单位除了上面所用的小时（h）外，还有天，符号为 d（day）；年，符号为 a（annual）。 因此，以质量变化表示的腐蚀速度的单位还有 kgm2a，g/dm2d，gcm2h和mg/ dm2d。有些文献上用英文缩写mdd代表mg/ dm2d，用gmd代表g/m2d。,1

25、）质量指标,2020/7/12,如果确切地知道腐蚀产物的组成和分子式，即可对对v失、v增进行换算。 例如：已知Zn在空气中加热氧化后的腐蚀产物是ZnO时 Zn+1/2O2=ZnO Zn的腐蚀质量指标，分别为v失、v增。显然，在v增中的质量增加部分是氧的质量，在v失中的质量减小部分是锌的质量。 以AO、AZn分别表示氧和锌的相对原子质量，以no、nZn分别表示氧和锌的物质的量（mol）。那么根据腐蚀产物ZnO的分子式，其nonZn =11。,1）质量指标,2020/7/12,因此可得出下列比例式：,将上式除以下式，即得：,带有腐蚀产物的质量,1） 质量指标,2020/7/12,当金属的腐蚀产物是MxOy时，其关系式为：,1） 质量指标,2020/7/12,2) 深度指标,衡量不同密度的金属腐蚀程度时，腐蚀深度比质量更适用,结合质量指标的含义，则单位时间内单位面积耗损金属的厚度v1 为：,h为深度,已知：,(mm/a),2020/7/12,常用腐蚀率单位的换算因子,2）深度指标,2020/7/12,3) 电流指标,腐蚀的标志是阳极的溶解。即腐蚀速度与腐蚀电流密度成正比。因此可用腐蚀电流密度表示金属的电化学腐蚀速度。 可通过法拉第定律把电流指标和质量指标联系起来。,法