金属材料的耐蚀合金化
合金化原理
合金化原理合金化是指将两种或两种以上的金属或非金属熔炼在一起，形成新的金属材料。
合金化的原理是通过改变金属的晶体结构，使其性能得到改善。
合金化可以提高金属的硬度、强度、耐热性、耐腐蚀性等性能，从而扩大金属的应用范围。
下面将从合金化的原理、方法和应用三个方面来详细介绍合金化的相关知识。
合金化的原理。
合金化的原理主要包括固溶强化、析出强化和相变强化三种方式。
固溶强化是指将一种金属溶解在另一种金属的晶格中，形成固溶体，从而提高金属的硬度和强度。
析出强化是指在合金中形成一种或多种溶解度有限的化合物，这些化合物的形成可以提高合金的硬度和强度。
相变强化是指在材料中发生相变时，晶粒的形态和尺寸发生变化，从而提高材料的性能。
合金化的方法。
合金化的方法主要包括熔炼法、粉末冶金法和表面合金化法。
熔炼法是将两种或两种以上的金属熔炼在一起，然后冷却凝固成合金。
粉末冶金法是将金属粉末混合后通过压制、烧结等工艺形成合金。
表面合金化法是将一种金属的表面覆盖上另一种金属，以改善金属的表面性能。
合金化的应用。
合金化广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
在航空航天领域，合金化可以提高材料的耐高温、耐腐蚀性能，从而保证飞机在极端环境下的安全飞行。
在汽车制造领域，合金化可以提高汽车零部件的强度和硬度，延长零部件的使用寿命。
在电子设备领域，合金化可以提高电子元器件的导电性能和耐磨性能，从而提高设备的性能和可靠性。
总结。
合金化是一种重要的金属材料改性方法，通过改变金属的组织结构和成分，可以显著提高金属材料的性能。
合金化的原理主要包括固溶强化、析出强化和相变强化三种方式，合金化的方法主要包括熔炼法、粉末冶金法和表面合金化法。
合金化广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域，为各行业的发展提供了重要的支撑。
通过对合金化的原理、方法和应用的介绍，相信读者对合金化有了更深入的了解，也希望本文能够对相关领域的科研工作者和工程技术人员有所帮助。
合金化提升不锈钢耐腐蚀的途径
合金化提升不锈钢耐腐蚀的途径引言不锈钢是一种具有优异耐腐蚀性能的金属材料，广泛应用于各个领域。
然而，由于特定工作环境的要求，传统的不锈钢在某些情况下可能无法满足耐腐蚀的需求。
为了进一步提升不锈钢的耐腐蚀性能，合金化成为一种常见的途径。
本文将详细介绍几种合金化方法，以提升不锈钢的耐腐蚀性能。
1. 添加铬元素铬是不锈钢中最主要的合金元素之一，其添加可以显著提高不锈钢的耐腐蚀性能。
铬与氧气反应生成致密、均匀分布的氧化铬层，形成了一种被称为”钝化层”的保护层。
该保护层可以阻止进一步氧化和金属离子迁移，从而有效地抵御了大多数酸、碱和盐类溶液对不锈钢的侵蚀。
2. 添加镍元素镍是另一个常用的合金元素，其添加可以显著提高不锈钢的耐腐蚀性能。
镍能够增加不锈钢的晶格稳定性和强度，从而使其更具抗腐蚀性。
此外，镍还能够提高不锈钢的耐酸性和耐碱性，使其在酸碱环境中表现出较好的稳定性。
3. 添加钼元素钼是一种重要的合金元素，对不锈钢的耐腐蚀性能有着显著影响。
添加适量的钼可以提高不锈钢在强酸、强碱和氯离子环境下的抗腐蚀能力。
此外，钼还能够改善不锈钢的焊接性能和机械性能，使其更适用于各种工程应用。
4. 添加其他合金元素除了上述提到的铬、镍和钼之外，还可以添加其他合金元素来进一步提升不锈钢的耐腐蚀性能。
例如，添加小量的铜、铝、硒等元素可以改善不锈钢在某些特殊环境下的耐腐蚀性能。
此外，添加稀土元素、钛和锆等也可以提高不锈钢的抗腐蚀性能。
5. 控制合金元素含量除了选择合适的合金元素之外，控制合金元素的含量也是提升不锈钢耐腐蚀性能的关键。
过高或过低的合金元素含量都可能导致不锈钢的耐腐蚀性能下降。
因此，在生产过程中需要精确控制各种合金元素的含量，并根据具体应用需求进行调整。
6. 精细调控热处理工艺热处理是不锈钢制造中重要的一步，可以显著影响其耐腐蚀性能。
通过精细调控热处理工艺，可以改变不锈钢晶体结构和相变行为，优化其耐腐蚀性能。
例如，通过固溶处理、时效处理等方法，可以有效提高不锈钢在高温、强酸等恶劣环境下的抗氧化和抗腐蚀能力。
过程装备腐蚀与防护课件-第四章
镍在铁的基体中的耐蚀性不是钝化作用，而是使合金的热力学稳定性提高 在氧化性介质和还原性介质中均有效 优势：
与铬配合加入铁中获得不锈钢；
综合了铬镍的优势，耐氧化性介质腐蚀也耐还原性介质腐蚀； 形成奥氏体，具有良好的热加工性、冷变形能力、可焊性、良好的低温韧
性。
不利之处：增加不锈钢的晶间腐蚀倾向
加入Cu, Mg,Mn等使铝强化，提高纯铝的强度
耐蚀铝合金主要有Al-Mn, Al-Mn-Mg, Al-Mg-Si, Al-Mg
4. 2
常用结构材料的耐蚀性能
3、钛及钛合金
氧化性介质；沸水和过热蒸汽；沸腾铬酸、浓硝酸、浓硝酸的 混酸、高温高浓度的硝酸 在中性和弱酸性氯化物溶液中有良好的耐蚀性 在含有少量氧化剂或添加高价重金属离子，或与铂、钯等相接 触，抑制钛的腐蚀（可以促使阳极钝化） 在稀碱溶液中耐蚀 在一定条件下，发生激烈的发火反应； 主要品种有：Ti-Pd, Ti-Ni, Ti-Mo, Ti-Ni-Mo合金 容易发生氢脆情况 应力腐蚀破裂
4. 2
常用结构材料的耐蚀性能
1、依靠钝化获得耐蚀能力的金属
主要有不锈钢、铝及铝合金、钛及钛合金、硅铸铁等
（1）18-8不锈钢（Cr18%, Ni8%-9% ;n=2)
在空气、水、中性溶液和各种氧化性介质中十分稳定
在酸性介质中（氧化性酸或非氧化性酸，以及氧化性
的强弱有关）
不锈钢设备的腐蚀多是局部腐蚀破坏：
（2）铅与铅合金
常用来制作输送硫酸的泵、管和阀等 *不用用于食品和医药中（千万分之一）
4. 2
常用结构材料的耐蚀性能
3、依靠自身热力学稳定而耐蚀的金属：
初三化学金属的抗腐蚀性解释
初三化学金属的抗腐蚀性解释金属是一类具有良好导电性和导热性的物质，在我们的日常生活中广泛应用。
然而，金属材料常常遭受腐蚀的侵害，导致金属的性能和寿命下降。
因此，科学家们一直在致力于寻找提高金属抗腐蚀性的方法。
在化学中，金属的抗腐蚀性是与金属的自身特性和环境因素密切相关的。
本文将介绍金属抗腐蚀性的相关知识，并且解释金属抗腐蚀性的原因。
一、金属腐蚀的定义与原因金属腐蚀是指金属材料在与外界环境接触的过程中，由于化学反应导致金属表面受到破坏以及金属性能下降的过程。
金属的腐蚀现象主要是由于金属与周围介质之间的电化学反应引起的。
当金属暴露在含氧、含湿度较高的环境中，金属表面上的氧气和水蒸气会和金属发生反应，生成金属氧化物。
这种金属氧化物一般为金属腐蚀的产物。
二、金属抗腐蚀性的影响因素金属抗腐蚀性不仅与金属自身的物理化学性质有关，还与外界环境因素有关。
下面将分别从金属自身以及外界环境两个方面来介绍金属抗腐蚀性的影响因素。
1. 金属自身的因素金属的晶体结构、纯度，以及金属表面的光洁度都会影响金属的抗腐蚀性。
一般而言，晶体结构较致密、纯度较高、表面光洁度较好的金属材料抗腐蚀性较强。
2. 外界环境的因素外界环境因素主要包括温度、湿度、氧气浓度、酸碱度、金属材料与介质的接触面积等。
高温、高湿度、氧气浓度较大、酸碱度较高以及金属材料与介质接触面积较大的环境会加速金属的腐蚀。
三、金属抗腐蚀性的提高方法为了提高金属的抗腐蚀性，科学家们采取了许多措施。
下面将介绍几种常见的金属抗腐蚀性提高方法。
1. 表面处理表面处理是一种常见的提高金属抗腐蚀性的方法。
通过电镀、热浸镀、喷涂等表面处理工艺，可以在金属表面形成一层抗腐蚀的保护层，从而减缓金属的腐蚀速度。
2. 合金化通过合金化的方式，可以将一种或多种金属元素与基础金属进行混合，从而改善金属的抗腐蚀性能。
常见的合金化方法包括不锈钢制备、铝合金等。
3. 表面涂层表面涂层是一种通过在金属表面形成一层涂层来提高金属抗腐蚀性的方法。
金属耐腐蚀合金化原理
第五章耐腐蚀金属材料§5-1金属耐腐蚀合金化原理工业上所用的金属材料中，纯金属并不多，应用较多的因此是铁、铜、镍、钛、铝、镁等各种金属的合金。
本节讨论如何通过合金化和热处理等途径，从成分和组织上使合金具有高的耐蚀性，并表明其作用原理。
一、提高金属的热力学稳定性以热力学稳定性高的元素进行合金化，向不耐蚀的合金中进进热力学稳定性高的合金元素进行合金化，可在合金表层形成由贵金属组元组成的连续保卫层，提高其耐蚀性。
例如，铜中加金，镍中加铜，铬中加镍等。
然而其应用是有限的。
因为，一方面要虚耗大量的贵金属，经济上珍贵；另一方面，由于合金组元在固态中的溶解度是有限的，许多合金要获得具有多组元的单一固溶体是对照困难的。
二、落低阴极活性在阴极操纵的金属腐蚀中，可用进一步加强阴极极化的方式来落低腐蚀速度。
如金属在酸中的活性溶解就能够用落低阴极活性的方法减少腐蚀。
具体方法是：1．减小金属或合金中的活性阴极面积金属或合金在酸中腐蚀时，阴极析氢过程优先在氢超电压低的阴极相或夹杂物上进行。
假如减少合金中的阴极相或夹杂物，减小了活性阴极面积，增加了阴极极化电流密度，增加阴极极化程度，阻碍阴极过程的进行，提高耐蚀性。
例如，当铝中铁含量减少时，其在盐酸中的耐蚀性提高，如P128图1。
这是由于铁能形成阴极相。
关于阴极操纵的腐蚀过程，采纳固溶处理获得单相固溶体组织，可提高耐蚀性。
反之，退火或时效处理落低其耐蚀性。
2．进进氢超电压高的元素进进氢超电压高的元素，可提高阴极析氢超电压，显著落低合金在酸中的腐蚀速度。
但它只适用于不产生钝化的析氢腐蚀。
如金属在非氧化性或氧化性低的酸中的活性溶解过程。
例如，在锌中含有铁、铜等电位较高的金属杂质时，进进氢超电压高的镉、汞，可使锌在酸中腐蚀速度显著落低。
又如，在含有较多杂质铁的工业纯镁中，添加0.5-1%锰可大大落低其在氯化物水溶液中的腐蚀速度，这是由于锰比铁高得多的析氢超电压之故。
三、落低合金的阳极活性用合金化的方法落低合金的阳极活性，尤其是用提高合金钝性的方法阻碍阳极过程的进行，可提高合金的耐蚀性，它是一种最有效、应用最广泛的措施。
改善金属材料性能的主要方法
改善金属材料性能的主要方法改善金属材料性能的主要方法包括合金化、热处理、塑性变形、表面处理和纳米材料应用等。
下面详细介绍这些方法及其作用。
首先是合金化。
合金化是通过向金属中添加其他元素，以改善金属的性能。
常见的合金元素有碳、硅、磷、锰、铬、镍、钼等。
合金化可以改变金属的晶体结构和相变温度，提高材料的强度、硬度、耐腐蚀性和热稳定性等性能。
例如，将钢中的碳含量控制在一定范围内，可以得到高强度、高韧性的淬火态钢；将铝中加入适量的铜、锰、镁等元素，可以获得高强度、耐蚀性好的铝合金。
其次是热处理。
热处理是指将金属材料加热至一定温度，然后冷却至室温的工艺。
热处理可以使金属材料的晶粒尺寸、晶界结构以及组织性能发生变化，从而改变材料的力学性能。
常见的热处理方法有退火、固溶处理、时效处理等。
退火可以消除材料内部应力，降低硬度，提高塑性和延展性，改善加工性能。
固溶处理是将合金加热至固溶温度，使合金元素溶解到金属基体中，然后通过快速冷却固化，使合金元素均匀分布在基体中，从而提高强度和硬度。
时效处理是将固溶处理后的合金在一定温度下保持一段时间，使固溶体析出出現析出相的長英，进一步提高强度和硬度。
第三是塑性变形。
塑性变形是通过机械力的作用，使金属材料发生塑性变形并改变组织结构和性能的方法。
常见的塑性变形方法有拉伸、压缩、挤压、弯曲等。
塑性变形可以改善材料的力学性能，提高韧性和塑性，并消除材料内部的缺陷和应力集中。
例如，将金属材料进行冷变形可以细化晶粒尺寸，提高硬度和强度，同时提高材料的延展性。
第四是表面处理。
表面处理是指通过对金属材料表面进行一系列化学或物理处理，改善材料的表面性能。
常见的表面处理方法有电镀、阳极氧化、喷涂、化学处理等。
表面处理可以提高金属材料的耐腐蚀性、耐磨性、耐疲劳性和耐热性等表面性能。
例如，通过电镀镀上一层防腐性能好的金属如镀锌，可以提高金属材料的抗腐蚀能力；通过阳极氧化对铝材进行表面氧化处理，可以得到一层耐磨、耐腐蚀的氧化层。
金属冶炼中的合金化技术
扩大应用领域
合金化技术使金属材料能够适应更广泛的应用场景 ，如航空航天、汽车、能源等领域，提高了金属材 料的应用价值。
促进技术创新
合金化技术的发展推动了相关领域的技术进 步和创新，如冶金、铸造、加工等，为工业 生产带来了更多的可能性。
要点一
高温合金
用于制造燃气轮机叶片、核反应堆结构件等关键部件，具 有优异的高温强度和抗疲劳性能。
要点二
不锈钢的合金化
通过添加合金元素，提高不锈钢的耐腐蚀性和强度，用于 制造电力设备的结构件和管道。
CHAPTER 05
合金化技术的发展趋势和挑战
高性能合金的研发
01
02
03
高强度、高韧性
通过合金化技术，研发出 具有高强度、高韧性的合 金材料，以满足各种工程 应用的需求。
浇注
将熔炼好的合金液体浇注入模具中，冷却凝固后形成合金铸件。
热处理和加工
热处理
通过加热、保温和冷却等工艺条件，调整合 金的组织结构，提高其力学性能和耐腐蚀性 能。
加工
对铸件进行机械加工，如切削、钻孔、铣削 等，以满足不同零件的形状和尺寸要求。
CHAPTER 04
合金化技术的应用场景
航空航天领域
CHAPTER 03
合金化技术的工艺流程
配料和混合
配料
根据合金的性能要求，选择合适的金属 元素作为原料，并按照一定比例进行配 料。
VS
混合
将配料好的金属元素进行充分混合，确保 各组分在合金中分布均匀，以提高合金的 均匀性和稳定性。
熔炼和浇注
熔炼
将混合好的原料加热至熔化状态，形成均匀的合金液体。
第5章 材料的耐蚀性
二、铸铁的耐蚀性及应用
通常铸铁是不耐腐蚀的，但是铸铁有良好的流动性，能铸成 形状复杂的部件，而且还具有优良的加工性能和力学性能，因 此在工程中获得了极广泛的应用。 为了提高铸铁的耐蚀性，在铸铁中加入各种合金元素如Si, Ni,Cr,Al等。生产出了各类耐蚀合金铸铁。
1、高Si铸铁
在铸铁中加入14％一18％Si便有优良的耐酸性能，它对热硫酸、 室温盐酸、浓硝酸、磷酸、有机酸等都有良好的耐蚀性。这是由
下，由活化态转为钝化态而耐蚀。 其中，最容易钝化
的金属有Zr、Ti、Ta、Nb、A1、Cr、Be、Mo、Mg、 Ni、Co等。
三、生成保护性腐蚀产物膜
在热力学不稳定金属中，除了因钝化而耐蚀外，还有在腐蚀 过程中由于生成较致密的保护性能良好的腐蚀产物膜而耐蚀。 如Pb在H2SO4溶液中，Fe在H3PO4溶液中，Mo在HCl中
些环境中耐蚀，是与其钝化性能有关。
不锈钢钝化膜具有如下特点：
膜很薄，厚度在1-3 nm； 膜中的成分中富含Cr；
膜的结构为尖晶石结构， w(Cr)>12%时，尖晶石结构已不明 显， w(Cr)>19%时，主要为非晶态结构， w(Cr)>28%时，完 全为非晶态组织。
按不锈钢组织结构可分为以下五种：
硝酸腐蚀的能力。但是钢中含硅量不宜过高，
否则会显否降低钢的加工性能。 碳：碳是钢中重要组成元素，是奥氏体形成元素，但在钢中碳 含量增多会形成碳化物，因而提高了钢对晶间腐蚀的敏 感性。 氮: 也是奥氏体形成元素，在钢中加入氮在一定程度上可提高 钢的耐蚀性，但氮在钢中能形成氮化物，易产生点蚀。
Fe-Cr合金腐蚀速度与含Cr量关系
Fe-Cr合金中，只有当Cr的 加入量超过12.5％时，合金
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K = K++e，
φθ (K+/K)= -2.93V ；
Fe = Fe2++2e， φθ(Fe2+/Fe)= -0.440V。
②对于φθ = -0.414～0V之间的金属，在酸性介质中，如果 不含氧，则只发生氢去极化；含氧时则同时发生氧去极化和氢 去极化反应。在中性水介质中，发生氧去极化。如：
φθ(Sn2+/Sn)= -0.ห้องสมุดไป่ตู้36V；φθ(Mo3+/Mo)= -0.20V；φθ(Ni2+/Ni) = -0.250V; φθ(Pb2+/Pb)= -0.126V；φθ(Cd2+/Cd)= -0.402V；φθ(Co2+/Co)= -0.277V。
①φθ < -0.414V 的金属在中性水溶液中，如水中不含氧，则 发生氢去极化腐蚀：2H2O + 2e = H2 + 2OH-。若水中含氧，同 时还发生氧去极化腐蚀：O2 + 2H2O + 4e = 4OH-。
如Al、Mg、Cr、V、Mn、Ti、Zn、Fe、K、Na、Zr…。
Al = Al3++3e， φθ(Al3+/Al)= -1.66V ；
或烧碱溶液中，锌在大气中。
纯金属很少使用（只局限于Cu、Al、Ni、Ti、Zr等）， 而应用较多的还是合金，那么合金元素加入后是怎样提高材 料的耐蚀性能呢？
1.2固溶体型二元合金的电极电位
(1)无序固溶体的电极电位
纯金属的电极电位可作为金属热力学稳定性的标志，因 此，具有金属特性的合金的电极电位也可以作为合金热力学 稳定性的标志。
二元合金的两个组分独立存在时，电化学性能（电极电 位）不可能完全一致，总有一个电极较正，一个电位较负。
因此两个组分固溶成二元合金时，电位较负的组元a成为 腐蚀电池的阳极，发生氧化反应。电位较正的组元c成为阴极 区，发生还原反应。
从理论上看，两二元合金的电极电位应是个纯组分的电 极电位的算术平均值。
φ = --φ-a-F--a-+---φ-c-F--cFa+ Fc
B.阳极性组元在固溶 体表面的脱除：在电解质 中，表面阳极性组元迅速 溶解(氧化)使表面阳极性 组元含量降低，而内部阳 极性组元扩散至表面慢， Fa变小导致φ正移(2)。
-φ (6)
φa (5)* (4)* (3) (1) (2) (4) (5)
Fa
(6)* φc Fc
C.阴极性组元的二次析出：两组元同时溶解进入溶液，但 阴极性组元如果发生回沉积（二次析出），使合金表面上Fc增 大，导致φ正移(3) 。
Chapter 6 金属材料的耐蚀合金化
合理选择(开发)材料：根据不同的介质和使用条件，选 用(开发)合适的金属与非金属材料。
Section 6.1 金属耐蚀合金化原理
1.1 纯金属的耐腐蚀特征 虽然工业上使用的金属材料大多为合金，但合金的性能与
组成有很大关系。因此首先了解纯金属的耐蚀性能。 纯金属的耐蚀原因有三个方面：
(Fa 、Fc为组元体积百分数)
φ＝ φa – (φa – φc)Fc or φ＝φc – (φc – φa)Fa
若阴极组元越多， φ越正；若阳极组元越多， φ越负。
(2)影响二元固溶体电极电位的因素
实际上，固溶体电极电位除了与各组元含量有关外，还受 很多因素影响。主要有以下几点。
A.固溶体形成能：如果形成固溶体时为放热反应，则表明 固溶体阳极性组元原子与阴极性原子之间的结合力很强，比它 单独存在时更稳定，更难离子化，所以这样的固溶体电位比理 论电位正(1)。
Mg = Mg2++2e， φθ(Mg2+/Mg)= -2.37V ;
Cr =Cr3++3e， φθ(Cr3+/Cr) = -0.913V ;
Mn = Mn2++2e， φθ(Mn2+/Mn)= -1.18V ；
Ti = Ti3++3e， φθ(Ti3+/Ti) = -1.21V ;
Na = Na++e， φθ(Na+/Na) = -2.714V ；
D.表面保护膜性质的变化(基体金属可形成保护膜)：合金元素 的加入使基体金属保护膜性能更好，使电位正移(4) ，若使性能 变差，使电位负移 (4)*。
E.组元极化性能的差异：形成固溶体时，原子间的相互作用 会引起原子的变形从而使每一组元的极化性能发生相当程度的 变化，并使两组元的极化程度产生差异。如果是阳极极化占优 势，则电位正移(5) ；反之，负移(5)* 。
(2)由于可以钝化而耐蚀
Al、Ti、Nb、Zr、Cr、Mg等φθ< - 0.414V，是热力学不稳定 金属，但这些金属在中性水等介质中却是耐蚀的，为什么？是 因为它们φθ较负，金属活泼性较大，容易与空气中的氧作用， 表面形成一层致密的氧化膜，对基体起保护作用。
(3)由于能生成保护性能良好的腐蚀产物膜而耐蚀 例如Pb在低于70％的H2SO4，Mo在盐酸中，镁在氢氟酸
nF c4(OH-) (pO2= pθ, c(OH-)=10-7 mol·L-1)
b.氢去极化：2H+ + 2e = H2 ,
其平衡电位：φ = φθ + -R--T----ln----p--H-2---- = -0.414V
nF
c2(H+)
(pH2= pθ, c(H+)=10-7 mol·L-1)
③对于φθ = 0～0.815V之间的金属，只发生氧去极化腐蚀， 介质中不含氧则不会腐蚀，较稳定。如：
φθ(Hg22+/Hg)= 0.789V; φθ(Cu2+/Cu)= 0.327V；φθ(Ag+/Ag)= -0.799V。
④对于φθ > 0.815V的金属，氧去极化腐蚀不发生，稳定。 如：φθ(Pt2+/Pt)= 1.19V；φθ(Au3+/Au)= 1.50V；φθ(Pd2+/Pd)= 0.987V。
(1)由于热力学稳定而耐蚀 金属的标准电极电位φ可以作为其热力学稳定性的主要参数，
虽然它与金属在不同介质中腐蚀电位(稳定电位)不同，但
仍可以根据φ值近似判断金属的耐腐蚀性。 φ较正，热力学比较 稳定，耐蚀性能越强，反之亦然。
金属发生腐蚀时，阴极过程一般为氧去极化或氢去极化。
a.氧去极化：O2 + 2H2O + 4e = 4OH- , 其平衡电位：φ = φθ + --R--T---ln----p--O-2---- = 0.815V