金屬在各種環(huán)境中的腐蝕ppt課件

1、第五章 金屬在各種環(huán)境中的腐蝕 5.1 金屬在大氣中的腐蝕 5.2 金屬在海水中的腐蝕 5.3 金屬在土壤中的腐蝕 5.4 金屬在工業(yè)環(huán)境中的腐蝕 5.5 人體環(huán)境中金屬植入材料的腐蝕5.1 金屬在大氣中的腐蝕大氣腐蝕Atmospheric Corrosion） 定義：金屬材料或構(gòu)筑物在大氣條件下發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)引起材料的破損稱為大氣腐蝕。 最常見的大氣腐蝕現(xiàn)象生銹 世界上60%以上的鋼材在大氣環(huán)境中使用 大氣腐蝕損失占總腐蝕損失量50% 對于某些功能材料微電子電路）、文物、裝飾材料等，輕微大氣腐蝕也不允許。5.1 金屬在大氣中的腐蝕大氣環(huán)境不同，腐蝕程度不同 與地域、季節(jié)、時間等條件有關(guān)

2、 地表附近大氣主要成分在全球范圍內(nèi)幾乎不變 大氣中的水蒸氣含量隨地域、季節(jié)和時間有所變化大氣中的水汽是決定大氣腐蝕速度和歷程的主要因素全球大氣污染日趨嚴(yán)重 二氧化硫、硫化氫、氯氣、塵埃等雜質(zhì)加速大氣腐蝕 大氣腐蝕環(huán)境分類 鄉(xiāng)村大氣：清潔 城鎮(zhèn)大氣：污染 工業(yè)大氣：SO2污染 海洋大氣：含氯化物5.1 金屬在大氣中的腐蝕 參與大氣腐蝕過程的主要是 氧參與電化學(xué)過程） 水分水膜是電解液層） 其次是二氧化碳、二氧化硫、鹽等鋼在海岸的腐蝕比在沙漠中大400500倍 含水汽和氯化物大氣工業(yè)區(qū)比沙漠區(qū)大氣腐蝕大50100倍 SO2與水汽共同作用加速腐蝕5.1 金屬在大氣中的腐蝕大氣腐蝕環(huán)境5.1 金屬在大

3、氣中的腐蝕一、大氣腐蝕的分類 干大氣腐蝕 潮大氣腐蝕 濕大氣腐蝕5.1 金屬在大氣中的腐蝕一、大氣腐蝕的分類 干大氣腐蝕 定義：在空氣非常干燥的條件下，金屬表面不存在液膜層的腐蝕 特點： 金屬表面的吸附水膜厚度不超過10nm 沒有形成連續(xù)的電解液膜I區(qū)） 腐蝕速度很低，化學(xué)氧化的作用較大 在金屬表面形成一層保護(hù)性氧化膜 案例： 金屬Cu、Ag等在含有硫化物污染了的空氣中失光澤5.1 金屬在大氣中的腐蝕一、大氣腐蝕的分類 潮大氣腐蝕 定義：大氣中的相對濕度足夠高但低于100%），在金屬表面存在著肉眼看不見的薄液膜時所發(fā)生的腐蝕 特點： 水膜達(dá)幾十到幾百個水分子層厚，約10nm-1m 形成了連續(xù)的

4、電解液薄膜II區(qū)） 膜較薄，氧易于擴(kuò)散進(jìn)入界面 電化學(xué)腐蝕，腐蝕速度急劇增大 案例 鐵在沒有雨雪淋到時的生銹5.1 金屬在大氣中的腐蝕一、大氣腐蝕的分類 濕大氣腐蝕 定義：空氣濕度接近于100，或當(dāng)水以雨、雪、水沫等形式直接落在金屬表面上時，金屬表面便存在著肉眼可見的凝結(jié)水膜時發(fā)生的腐蝕 特點： 水膜較厚，約為1m1mm 隨著水膜加厚，氧擴(kuò)散困難 腐蝕速度下降III區(qū)） 水膜厚1mm，相當(dāng)于金屬全浸于電解質(zhì)溶液，腐蝕速度基本不變IV區(qū)）5.1 金屬在大氣中的腐蝕二、大氣腐蝕機(jī)理1. 大氣腐性的電化學(xué)過程常溫下潮濕空氣中的腐蝕金屬表面處于薄層電解液下的腐蝕過程陰極過程：氧去極化 陽極過程：鈍化、

5、離子水解潮大氣薄膜）：陽極過程控制極化、鈍化）濕大氣厚膜）：陰極過程控制氧去極化）5.1 金屬在大氣中的腐蝕二、大氣腐蝕機(jī)理2. 銹蝕機(jī)理（ 腐蝕產(chǎn)物：影響腐蝕電極過程） Evans模型：銹層強(qiáng)氧化劑，電極反應(yīng)發(fā)生的位置不同 陽極反應(yīng)：金屬Fe3O4界面上 陰極反應(yīng)：Fe3O4FeOOH界面上銹層內(nèi)發(fā)生了Fe3+Fe2+的還原反應(yīng)銹層參與了陰極反應(yīng)過程5.1 金屬在大氣中的腐蝕二、大氣腐蝕機(jī)理2. 銹蝕機(jī)理（ 腐蝕產(chǎn)物：影響腐蝕電極過程） 大氣干濕交替：銹層加速腐蝕 銹層干燥時 銹層和底部基體金屬的局部電池成為開路 在大氣中氧的作用下銹層內(nèi)的Fe2+重新氧化成為Fe3 銹層潮濕時 Evans模

6、型 Fe3還原成Fe2+5.1 金屬在大氣中的腐蝕二、大氣腐蝕機(jī)理2. 銹蝕機(jī)理 銹層的結(jié)構(gòu) 內(nèi)外兩層 外層疏松，容易剝落 內(nèi)層附著性好，結(jié)構(gòu)致密，能起到一定的保護(hù)作用 碳鋼的銹層 FeOOH、FeOOH、Fe3O4 環(huán)境不同：結(jié)晶結(jié)構(gòu)比例不同 FeOOH首先形成轉(zhuǎn)變?yōu)镕eOOH和Fe3O4，轉(zhuǎn)變受大氣濕度、污染的影響5.1 金屬在大氣中的腐蝕三、工業(yè)大氣中腐蝕特點工業(yè)大氣成分 大氣中的污染物: 硫化物SO2、H2S） 氮化物NO、NO2、NH3） 碳化物CO、CO2） 固體污染物(鹽顆粒、沙粒和灰塵等)5.1 金屬在大氣中的腐蝕三、工業(yè)大氣中腐蝕特點 SO2的影響最嚴(yán)重） SO2礦物燃料燃燒

7、產(chǎn)生的 SO2促進(jìn)金屬大氣腐蝕的自催化反應(yīng)機(jī)理 SO2被吸附在金屬表面 形成FeSO4 FeSO4進(jìn)一步氧化強(qiáng)烈水解作用 生成硫酸硫酸Fe作用 FeSO4 自催化5.1 金屬在大氣中的腐蝕三、影響大氣腐蝕的因素及防蝕方法1. 影響因素 濕度 水膜的厚、薄 大氣中的含水量 臨界濕度 腐蝕速度開始急劇增加的濕度 鋼鐵、Cu、Ni、Zn等臨界濕度約為5070%大氣成分 SO2、HCl、H2S、顆粒 氯化物 沿海地區(qū)受海風(fēng)吹起的海水形成的細(xì)霧鹽霧 鹽霧降落在金屬表面，氯離子溶于水，對金屬腐蝕破壞很大 汗液5.1 金屬在大氣中的腐蝕三、影響大氣腐蝕的因素及防蝕方法2. 防護(hù)措施 提高材料的耐蝕性 向碳鋼

8、中加入Cu、P、Cr、Ni、微量Ca和Si表面涂層保護(hù) 油漆、金屬鍍層或暫時性保護(hù)涂層。改變局部大氣環(huán)境 使用氣相緩蝕劑和控制大氣濕度合理設(shè)計和環(huán)境保護(hù) 防止縫隙中存水，避免落灰 加強(qiáng)環(huán)保，減少大氣污染5.2 金屬在海水中的腐蝕海水腐蝕 海洋約占地球表面積的十分之七 海水含有各種鹽分：腐蝕性非常強(qiáng)的天然電解質(zhì) 常用金屬和合金在海水中大多數(shù)會遭受腐蝕 艦船、海上平臺、水下設(shè)備、海岸設(shè)施及使用海水冷卻的設(shè)備5.2 金屬在海水中的腐蝕海水特性 海水中溶解的鹽類：以氯化鈉為主 通常把海水近似地看作3或3.5的NaCl溶液 我國近海鹽度的平均值約為32.1 高電導(dǎo)率：4X10-2Scm-1，河水和雨水

9、溫度： 035 溶氧 在正常情況下，海水表層被空氣飽和 溶氧量隨溫度和鹽度的升高而略有下降 pH 通常為8.18.35.2 金屬在海水中的腐蝕一、海水腐蝕特點1 陰極過程主要是氧去極化：腐蝕控制環(huán)節(jié)氧擴(kuò)散海水pH下，析氫電位-0.48V，氧去極化電位+0.75V氧的還原反應(yīng)在Cu、Ag、Ni上比較容易進(jìn)行，其次是Fe、Cr。2 陽極極化阻滯很小 氯離子阻礙和破壞金屬的鈍化破壞氧化膜；搶先吸附作用；形成電場效應(yīng)；形成絡(luò)合物3 海水電導(dǎo)率高，電阻性阻滯很小 異種金屬的電偶腐蝕； 腐蝕電池作用更強(qiáng)烈、影響范圍更遠(yuǎn)4 易發(fā)生局部腐蝕鈍化膜局部破壞，點蝕和縫隙腐蝕；高流速海水，沖蝕和空蝕5.2 金屬在海

10、水中的腐蝕二、影響海水腐蝕的因素1 鹽度： 溶鹽超過一定值后，氧的溶解度降低，腐蝕速度下降2 pH： 深海pH略有降低，不利于在金屬表面生成保護(hù)性碳酸鹽層3含氧量： 含氧量增加，金屬腐蝕速度增加4 溫度： 提高溫度通常能加速反應(yīng)5 流速：碳鋼的腐蝕隨流速的增加而加速6 海洋生物： 動物、植物及微生物，生物的附著與污損5.2 金屬在海水中的腐蝕三、防止海水腐蝕的措施 合理選用金屬材料：避免電偶腐蝕 耐蝕性鈦合金和鎳鉻鉬合金銅合金不銹鋼鑄鐵和碳鋼 電化學(xué)保護(hù) 外加電流陰極保護(hù)法便于調(diào)節(jié)，而犧牲陽極法則簡便易行。 海水中常用的犧牲陽極有鋅合金、鎂合金和鋁合金，鋁合金犧牲陽極較為經(jīng)濟(jì) 涂鍍層保護(hù)： 熱

11、噴涂鋅、鋁陽極性鍍層及ZnAl合金鍍層，與涂料配套使用。 有機(jī)防蝕涂料中環(huán)氧漆、氯化橡膠漆和乙烯漆的耐海水腐蝕性較好，無機(jī)硅酸鹽富鋅底漆適于作為海洋鋼結(jié)構(gòu)的底漆5.3 金屬在土壤中的腐蝕土壤腐蝕Soil Corrosion） ：埋在土壤中的金屬及其構(gòu)件的腐蝕 地下鋪設(shè)的輸油管、輸水管和煤氣管道，大量電纜、通訊設(shè)施和各種地下建筑物 危害： 埋地管線維修費(fèi)用增加，導(dǎo)致泄漏，引發(fā)火災(zāi)、爆炸和環(huán)境污染 金屬構(gòu)件一般埋在地下1-2m處，不易發(fā)現(xiàn)，維修困難 土壤腐蝕影響因素復(fù)雜，工業(yè)污染及雜散電流參與，有時難以采取有效的防護(hù)措施。5.3 金屬在土壤中的腐蝕一、土壤腐蝕的特點：1. 土壤的特性：一種特殊的電

12、解質(zhì) 多相性 土壤由土粒、水、空氣等固、液、氣三相組成 土粒中包含著多種無機(jī)礦物質(zhì)及有機(jī)物質(zhì) 不同土壤其土粒大小不相同 砂礫土的顆粒為0.072mm 粉砂土的顆粒為0.0050.07mm 粘土的顆粒小于0.005mm 實際土壤是不同土粒按比例混合5.3 金屬在土壤中的腐蝕一、土壤腐蝕的特點：1. 土壤的特性：一種特殊的電解質(zhì) 多孔性和導(dǎo)電性 土壤顆粒間形成大量毛細(xì)管微孔或孔隙 孔隙中充滿了空氣和水 土壤中的水分 直接滲入孔隙或在孔壁上形成水膜 形成水化物或者以膠體狀態(tài)存在 水分土壤成為離子導(dǎo)體 腐蝕性電解質(zhì) 水具有形成膠體的作用 土壤并非孤立顆粒，而是各種有機(jī)物、無機(jī)物的膠凝物質(zhì)顆粒的聚集體

13、土壤孔隙和含水程度 影響土壤透氣性和電導(dǎo)率5.3 金屬在土壤中的腐蝕一、土壤腐蝕的特點：1. 土壤的特性：一種特殊的電解質(zhì) 不均勻性 土粒、氣孔、水分、結(jié)構(gòu)緊密程度 不同性質(zhì)的土壤交替更換 各種物理化學(xué)性質(zhì)，尤其是電化學(xué)性質(zhì)酸堿性：ph值越低，土壤的腐蝕性越大。有的土壤是堿性，如我國西北的鹽堿土大多數(shù)土壤是中性的有些土壤是酸性，如腐殖土和沼澤土5.3 金屬在土壤中的腐蝕一、土壤腐蝕的特點：2. 土壤腐蝕的電化學(xué)過程：大多數(shù)金屬氧去極化腐蝕，與電解液中的腐蝕本質(zhì)相同以Fe 為例，陽極過程：反應(yīng)速度金屬離子化過程的難易程度 pH值低的土壤中，OH-很少。由于不能生成FeOH2使Fe2+離子濃度在陽

14、極區(qū)增大。 在中性和堿性土壤中生成的FeOH3 溶解度很小，沉淀在鋼鐵表面上，對陽極溶解有一定的阻滯作用。 土壤中如含有碳酸鹽，也可能在陽極表面生成不溶性沉積物，起保護(hù)膜的作用。土壤中氯離子和硫酸根離子能與 離子生成可溶性的鹽，因而加速陽極溶解。5.3 金屬在土壤中的腐蝕一、土壤腐蝕的特點：2. 土壤腐蝕的電化學(xué)過程：陰極過程：氧的去極化弱酸性、中性和堿性土壤中，陰極反應(yīng)主要是氧的去極化作用土壤中的水溶解氧是有限的主要是縫隙和毛細(xì)管中的氧土壤中的傳遞過程比較復(fù)雜，進(jìn)行得也比較慢。在潮濕的粘性土壤中，由于滲水能力和透氣性差，氧的傳遞是相當(dāng)困難的，使陰極過程受阻。當(dāng)土壤水分的pH值大于5時，腐蝕產(chǎn)

15、物能形成保護(hù)層，腐蝕受到抑制。5.3 金屬在土壤中的腐蝕二、土壤腐蝕的幾種形式：1.充氣不均勻引起的腐蝕：氧濃差電池這種腐蝕主要指地下管線穿過不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及潮濕程度不同的土壤帶時，由于氧的濃度差別引起的宏觀電池腐蝕5.3 金屬在土壤中的腐蝕二、土壤腐蝕的幾種形式：2. 雜散電流引起的腐蝕：氧濃差電池雜散電流是一種漏電現(xiàn)象。其主要來源是應(yīng)用直流電的大功率電氣裝置，如電氣化鐵路，電解及電鍍、電焊機(jī)等裝置，由于絕緣不好產(chǎn)生的雜散電流引起宏觀電池的腐蝕。在這種情況下，相當(dāng)兩個宏觀電池作用： 鐵軌地面）-陽極，土壤-電解質(zhì)，管道地下）-陰極； 管道地下）-陽極，土壤-電解質(zhì)，鐵軌地面）-陰極。5.3

16、金屬在土壤中的腐蝕二、土壤腐蝕的幾種形式：3. 微生物引起的腐蝕：硫酸桿菌和硫酸鹽還原菌厭氧菌）S2-陰極去極化三、防止土壤腐蝕的措施（1采用涂料或包覆玻璃布防水。（2采用電化學(xué)保護(hù)，多采用犧牲陽極法，陰極保護(hù)與涂料聯(lián)合使用效果更好。（3采用金屬涂層或包覆金屬，鍍鋅層等。5.4 金屬在工業(yè)環(huán)境中的腐蝕一、金屬在酸溶液中的腐蝕：氧化性酸與非氧化性酸非氧化性酸：陰極氫去極化過程 增加溶液酸度增加陰極反應(yīng)增加金屬腐蝕速度氧化性酸：陰極氧化劑的還原過程硝酸根還原成亞硝酸根） 當(dāng)氧化性酸濃度超過某一臨界值時，促使鈍化型金屬進(jìn)入鈍態(tài)，而抑制了腐蝕。酸溶液的腐蝕性一方面與酸的強(qiáng)弱，即氫離子的濃度有關(guān)，同時也

17、與酸的陰離子的氧化能力有關(guān)。5.4 金屬在工業(yè)環(huán)境中的腐蝕一、金屬在酸溶液中的腐蝕： 硫酸 鉛和鉛合金：70%的硫酸 碳鋼：70100的硫酸 FeSO4或PbSO4保護(hù)膜5.4 金屬在工業(yè)環(huán)境中的腐蝕一、金屬在酸溶液中的腐蝕： 鹽酸強(qiáng)腐蝕性 無法生成難溶的金屬鹽表面保護(hù)層 Cl-活性強(qiáng)，破壞金色鈍化膜 硝酸強(qiáng)氧化性 適用于鈍態(tài)金屬，不適于熱力學(xué)穩(wěn)定金屬 不銹鋼，18-85.4 金屬在工業(yè)環(huán)境中的腐蝕二、金屬在堿溶液中的腐蝕：堿溶液一般比酸對金屬的腐蝕性小 堿液中金屬表面生成難溶的氫氧化物或氧化物而起保護(hù)作用； 堿液中的電極電位比酸溶液中的電極電位負(fù)，與金屬間的電位差小，腐蝕動力小。在熱堿液中，

18、受拉應(yīng)力的碳鋼會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，即所謂的“堿脆”。堿脆與溫度、濃度有關(guān)，如鍋爐堿脆。 鍋爐堿脆是由于鍋爐使用經(jīng)軟化處理的水，在運(yùn)行過程中，縫隙內(nèi)濃縮出高濃度堿液所致。5.4 金屬在工業(yè)環(huán)境中的腐蝕二、金屬在堿溶液中的腐蝕：5.4 金屬在工業(yè)環(huán)境中的腐蝕三、金屬在鹽類水溶液中的腐蝕：（1使水溶液pH值發(fā)生變化；（2使水溶液呈氧化或還原性；（3使溶液導(dǎo)電率增加；（4某些鹽類的陰、陽離子對腐蝕過程起特殊作用。5.5人體環(huán)境中金屬植入材料的腐蝕植入材料是指用于制造人體內(nèi)部的人工器官、小型監(jiān)測儀器和治療裝置等植入器件，整形外科中用于修復(fù)人體所使用的材料，以及用于義齒及人工齒根等方面的材料。植入材料也稱生物醫(yī)學(xué)材料。主要是指某些特定的金屬材料、有機(jī)高分子材料和陶瓷材料5.5人體環(huán)境中金屬植入材料的腐蝕一、人體環(huán)境特點1. 人體環(huán)境的構(gòu)成 人體環(huán)境是由體液構(gòu)成。體液生理液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)約 1%的NaCl 、少量其他鹽類及有機(jī)化合物的充氣溶液。有人說，人體環(huán)境與溫暖的海水相似。2. 人體環(huán)境的特點 在人體的不同部位，甚至同一部位，不同時刻，人體組織內(nèi)液體的成分都不一樣。所以在金屬植入材料腐蝕研究中通常采用人體環(huán)境的等效環(huán)境。采用某些生理鹽溶液作為人體體液的等效溶液。5.5人體