材料腐蚀与防护-第八章-金属在各种环境中的腐蚀

铁、铅的腐蚀速度与硫酸浓度的关系分别如图所示：
*金属在盐酸中的腐蚀： • 盐酸是强酸之一。除银、钛等少数金属外，大多数金属或合金在盐酸中都不 能生成难溶的金属盐膜。盐酸中的氯离子具有极强的活性，除钛等少数钝性 优异的金属外，金属表面的钝化膜在盐酸中都因受到氯离子的破坏而发生点 蚀。
*金属在硝酸中的腐蚀：
*镍及其合金在碱液中的腐蚀 镍及其合金对于高温高浓度的碱耐蚀性很好，所以广泛用于制碱业。镍实际上 适合各种浓度和温度的碱液，其耐蚀性一般与合金含镍量成正比。 *两性金属在碱液中的腐蚀 铝、锌、锡等两性金属在碱溶液中不耐蚀。钛、钽、铌等在碱溶液中耐蚀性也 不好。在热碱中，钽的耐蚀性更差。
4.3 金属在盐类水溶液中的腐蚀
第二节 金属在海水中的腐蚀
2.1 海水腐蚀特点 • 1. 盐类及导电率 • 2. 溶解氧 • 3.海水的电化学特点
2.2影响海水腐蚀的因素 • • • • • 盐类 海水中溶解氧 海洋生物和腐烂的有机物 海水的温度、流速 PH值
2.3海水中常用金属材料的耐蚀性
• • 金属材料在海水中的耐蚀性差别很大，其中耐蚀性最好的是钛合金和Cr-Ni合金，而铸铁 和碳钢耐蚀性较差。不锈钢的均匀腐蚀速度虽然很小，但在海水中易产生点蚀。 常用金属材料耐海水腐蚀性能见表：
5.2 人体环境中可能发生的腐蚀形式
人体植入材料可能发生的腐蚀形态大约有八种。 均匀腐蚀 • 点腐蚀 • 电偶腐蚀 • 缝隙腐蚀 • 磨损腐蚀 • 晶间腐蚀 • 腐蚀疲劳 5.3 常用金属植入材料 *对人体植入材料的要求： 主要有三个方面：材料与人体的生物相容性、植入材料在人体环 境中的耐腐蚀性能以及植入材料的力学性能。 *常用的金属植入材料：医用不锈钢、钴铬钼合金及钛合金，及超高分子聚乙 烯；
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第三节 金属在土壤中的腐蚀
3.1土壤腐蚀的特点
• 1） 土壤的特性 *土壤多相性。 土壤是由土粒、水、空气，有机物等多种组分构 成的复杂的多相体系。 *土壤导电性。 由于在土壤中的水分能以各种形式存在，土壤中 总是或多或少地存在一定的水分，因此土壤有导电性。土壤也是一种电解质。 *土壤的不均匀性。 土壤中的氧气，有的溶解在水中，有的存在 于土壤的缝隙中。土壤中氧浓度与土壤的湿度和结构都有密切关系，氧含量 在干燥砂土中最高，在潮湿的砂土中次之，而在潮湿密实的粘土中最少。这 种充气不均匀性正是造成氧浓差电池腐蚀的原因。 *土壤的酸碱性。 2）土壤腐蚀的电化学过程 大多数金属在土壤中的腐蚀都属于氧去极化腐蚀。金属在土壤中 的腐蚀与在电解液中的腐蚀本质是一样的。
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在薄的液膜条件下，大气腐蚀的阳极过程受到较大阻滞，因为氧更容易到达 金属表面，生成氧化膜或氧的吸附膜，使阳极处于钝态。阳极钝化及金属离 子化过程困难是造成阳极极化的主要原因。 当液膜增厚，相当于湿的大气腐蚀时，氧到达金属表面有一个扩散过程，因 此腐蚀过程受氧扩散过程控制。
可见：潮的大气腐蚀主要受阳极过程控制，而湿大气腐蚀主要受阴极过程控制。
2.4 防止海水腐蚀的措施
• 1）研制和应用耐海水腐蚀的材料。 如：铁、镍、铜及其合金，耐海水钢。 2）阴极保护。 腐蚀最严重处采用护屏保护较合理，亦可采用简易可行的牺牲阳极法。 3）涂层。 除应用防锈油漆外，还可采用防止生物玷污的双防油漆，对于潮汐区和飞 溅区的某些固定的钢结构可以使用蒙乃尔合金包覆。
第五章 金属在各种环境中的腐蚀
第一节 金属在大气中的腐蚀
金属材料或构筑物在大气条件下发生化学或电化学反应引起材料的 破损称为大气腐蚀。
1.1 大气腐蚀的分类
主要参与大气腐蚀过程的是氧和水汽，其次是二氧化碳。 根据金属表面的潮湿程度的不同，把大气腐蚀分为三类： 1）干大气腐蚀 特点：在金属表面不存在液膜层；在金属表面形成不可见的保 护性 氧化膜（1-10nm）和某些金属失泽现象。 2）潮大气腐蚀 特点：金属在相对湿度小于100%的大气中，表面存在肉眼看不见的薄 的液膜层（10nm-1um）。 3）湿大气腐蚀 特点：金属在相对湿度大于100%，如水分以雨、雾、水等形式直接溅 落在金属表面于上，表面存在肉眼可见的水膜（1um-1mm）。
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防止大气腐蚀的方法： *提高金属材料的耐蚀性，在碳钢中加入Cu、Cr、Ni及稀土元素可提高其耐 大气腐蚀。 *采用有机和无机涂层及金属镀层。 *采用气相缓蚀剂。 *降低大气湿度。（主要用于仓储金属制品的保护） *另外，合理设计构件，防止缝隙中存水，去除金属表面上的灰尘等都有利 于防蚀。尤其要开展环境保护，减少大气污染，这不仅有利于人民健康， 而且对延长金属材料在大气中的使用寿命也是相当重要的。
水溶液中的盐类对金属腐蚀过程的影响有以下四点： 1）使水溶液PH值发生变化； 2）使水溶液呈氧化或还原性； 3）使溶液导电率增加； 4）某些盐类的阴、阳离子对腐蚀过程起特殊作用。 在实际中，多数盐类水溶液的影响都不是单一的，往往是几种因素的综合作 用。
第五节 人体环境中金属植入材料的腐蚀
• 植入材料是指用于制造人体内部的人工器官、小型监测仪器和治疗装置等植 入器件，整形外科中用于修复人体所使用的材料。植入材料也称生物医学材 料。 人体内是一个具有高度腐蚀性的环境。
硝酸是一种氧化性的强酸。Ag、Ni、Pb、Cu一般不耐硝酸腐蚀。 碳钢、不锈钢、高硅铸铁的腐蚀分别如下图：
2）金属在有机酸溶液中的腐蚀 • 有机酸，如甲酸、乙酸、乳酸、柠檬酸等。有机酸对金属的腐蚀比无机酸弱， 因为前者电离度很小。
4.2 金属在碱溶液中的腐蚀
• 碱溶液一般比酸对金属的腐蚀性小，因为在碱液中金属表面生成难溶的氢氧 化物或氧化物而起保护作用；在碱液中的电极电位比酸溶液中的电极电位负， 与金属间的电位差小，腐蚀动力小。
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5.1人体环境特点 1）人体环境的构成：人体环境是由体液构成。 体液（生理液）是质量分数约1%的NaCl、少量其他盐类及有机化合物的 充气溶液。有人说，人体环境与温暖的海水相似。 2）人体环境的特点: 人体环境复杂，人体又是活体;人体环境的电化学 特点. 3） 人体体液也是一种典型的电解质溶液。因此电化学腐蚀的基本 规律对人体环境中植入材料的腐蚀完全适用。
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3.2土壤腐蚀的几种形式
• （1）充气不均匀引起的腐蚀. 氧的浓度差别引起的宏观电池腐蚀。
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（2）杂散电流引起的腐蚀. 由于绝缘不好产生的杂散电流引起宏观电池的腐蚀。
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（3）微生物引起的腐蚀。
3.3防止土壤腐蚀的措施
• • • 1）采用涂料或包覆玻璃布防水。 2）采用电化学保护，多采用牺牲阳极法，阴极保护与涂料联合使用效果更好。 3）采用金属涂层或包覆金液中，受拉应力的碳钢会发生应力腐蚀断裂，即所谓的 “碱脆”。碱脆与温度、浓度有关。 碳钢和低合金钢在氢氧化钠水溶液中产生的应力腐蚀破裂一般是晶 间断裂型。 产生碱脆的条件：最易发生碱脆的温度是在溶液沸点附近；且易发生 在活化和钝化的过渡区。
*铸铁在碱液中的腐蚀 铸铁耐苛性碱腐蚀。铸铁中仅含质量分数为2%的Ni，就可提高耐碱蚀性能， 其寿命一般有几年。
2.锈蚀机理
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一般认为，锈层对于锈层下基体铁的离子化将起到强氧化剂的作用。
在锈层内阳极反应发生在金属/Fe2O3界面上：
可见：锈层处在潮湿条件下,锈层参与了阴极过程。
1.3 工业大气中金属腐蚀特点
• 工业大气中的SO2、NO2 、H2S、NH3等都增加大气的腐蚀作用，加快金属的腐蚀 速度。 • 多数研究认为，SO2的腐蚀作用机制是硫酸盐自催化过程。
大气腐蚀速度与金属表面水膜厚度的关系，如图所示。腐蚀速度与 水膜厚度的规律大致可划分四个区域：
通常所说的大气腐蚀是指在常温下潮湿空气中的腐蚀。 大气腐蚀的特点：（1）主要参与是氧和水汽，其次是二氧化碳及污染气体。 （2）是发生化学和电化学反应共同作用。
1.2 大气腐蚀机理
• 腐蚀规律符合电化学腐蚀的一般规律。 1.大气腐蚀的电化学过程 当金属表面形成连续的电解液薄层时，大气腐蚀的阴极过程主要是氧去极化。 阴极过程： 阳极过程：
第四节 金属在工业环境中的腐蚀
4.1 金属在酸溶液中的腐蚀
• 氧化性酸与非氧化性酸对金属的腐蚀情况大不相同。 非氧化性酸的特点：腐蚀的阴极过程基本上是氢去极化过程，增加溶液酸度 相应地会增加阴极反应，并使金属腐蚀速度增加。
氧化性酸的特点：阴极过程主要是氧化剂的还原过程引起金属腐蚀（如硝酸 根还原成亚硝酸根）。但是当氧化性酸浓度超过某一临界值时，促使钝化 型金属进入钝态，而抑制了腐蚀。因此酸溶液的腐蚀性一方面与酸的强弱， 即氢离子的浓度有关，同时也与酸的阴离子的氧化能力有关。 1）金属在无机酸溶液中的腐蚀 *金属在硫酸中的腐蚀： 高浓度H2SO4是一种强氧化剂，它能使具有钝化能力的金属进入钝态， 低浓度的H2SO4的则没有氧化能力，其腐蚀性很强。硫酸的腐蚀性最主要取 决于温度和浓度，氧化剂、流速等也能影响硫酸对各种材料的腐蚀性。
陶瓷材料（即生物陶瓷材料），目前尚不成熟。
第八章思考题 • 1．解释下列名词： • 大气腐蚀、潮大气腐蚀、湿大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、杂散 电流腐蚀 • 2．按水膜厚度大气腐蚀可分几类腐蚀，井说明各类腐蚀的特点。 • 3．简述大气腐蚀的过程。 • 4．钢铁在含SO2的工业大气中腐蚀比在洁净的大气中腐蚀严重，解 释其原因。 • 5．埋于土壤中的钢管经过砂土和粘土两个区域，钢管腐蚀将发生在 哪个部位，原因是什么？ • 6．在大气、海洋和土壤环境中发生氧去极化腐蚀时，氧的传递方式 有什么区别？ • 7．哪些合金几素可提高钢耐大气腐蚀性，作用机理是什么？ • 8.影响海水腐蚀有哪些因素．如何防止海水腐蚀。 • 9．什么叫金属植人材料”对其合哪些要求。 • 10．简述人体环境中金属植人材料可能发生哪些腐蚀．其特点及危害 如何。
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在污染的大气中，在低于临界湿度时，金属表面没有水膜，金属受到的是由于 化学作用引起的腐蚀，腐蚀速度很小。当高于临界湿度时，由于水膜的形成， 发生了电化学腐蚀，腐蚀速度急剧增加。