耐蝕性機(jī)理分析

1、1耐蝕性機(jī)理分析主 要 內(nèi) 容p 掌握金屬耐蝕合金化的途徑、單相合金的掌握金屬耐蝕合金化的途徑、單相合金的n/8n/8定律定律 p 掌握一些主要合金元素對耐蝕性的影響掌握一些主要合金元素對耐蝕性的影響p 了解常用結(jié)構(gòu)材料的耐蝕性及選材原則了解常用結(jié)構(gòu)材料的耐蝕性及選材原則2一、純金屬的耐蝕特性一、純金屬的耐蝕特性1.金屬熱力學(xué)穩(wěn)定性 純金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性，可按標(biāo)準(zhǔn)電位值來判斷。純金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性，可按標(biāo)準(zhǔn)電位值來判斷。)7pH(805V. 0E )0pH( 0VE)7pH(V 414. 0EOH/OH/HH/H222標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下第一節(jié)第一節(jié) 金屬耐蝕合金化原理金屬耐蝕合金化原理32.2.金屬的

2、鈍化金屬的鈍化 某些金屬在一定條件下，可發(fā)生鈍化而耐蝕，常某些金屬在一定條件下，可發(fā)生鈍化而耐蝕，常見的有：見的有：Ti、Nb、Al、Cr、Mo、Mg、Ni、Fe等。鈍等。鈍化環(huán)境為：一般為氧化性介質(zhì)，但不含有鹵素離子?；h(huán)境為：一般為氧化性介質(zhì)，但不含有鹵素離子。這些金屬往往是合金添加元素。這些金屬往往是合金添加元素。3.3.腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)性 除鈍化外，有些金屬還會形成腐蝕產(chǎn)物膜這類機(jī)除鈍化外，有些金屬還會形成腐蝕產(chǎn)物膜這類機(jī)械鈍化膜。械鈍化膜。4二、金屬耐蝕合金化的途徑二、金屬耐蝕合金化的途徑 若材料耐腐蝕，則其腐蝕速度應(yīng)降低，從腐蝕電若材料耐腐蝕，則其腐蝕速度應(yīng)降低，

3、從腐蝕電化學(xué)角度講，應(yīng)降低電池的初始電動勢或提高反應(yīng)阻化學(xué)角度講，應(yīng)降低電池的初始電動勢或提高反應(yīng)阻力（力（PK+PA+R）。）。1.1.提高金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性提高金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性 向純金屬中加入熱力學(xué)穩(wěn)定性高的合金元素，提向純金屬中加入熱力學(xué)穩(wěn)定性高的合金元素，提高合金的電極電位，進(jìn)而提高合金整體的耐蝕性。通高合金的電極電位，進(jìn)而提高合金整體的耐蝕性。通常加入的金屬為：常加入的金屬為：Cu、Au、Ni 等貴金屬。等貴金屬。2.2.減弱合金的陰極活性減弱合金的陰極活性 主要用于陰極控制的腐蝕過程。主要用于陰極控制的腐蝕過程。5u 減小陰極面積減小陰極面積減少合金中的陰極相，陰極極化減少合金中

4、的陰極相，陰極極化 加強(qiáng)。加強(qiáng)。 u 加入析氫超電位高的合金元素加入析氫超電位高的合金元素降低合金在酸中降低合金在酸中 的腐蝕程度。的腐蝕程度。 3.3.減弱合金的陽極活性減弱合金的陽極活性 這是耐蝕合金化措施中最有效、應(yīng)用廣泛的方法。這是耐蝕合金化措施中最有效、應(yīng)用廣泛的方法。 減小陽極相的面積減小陽極相的面積 當(dāng)合金基體是陰極，而某些成分是陽極時，采用當(dāng)合金基體是陰極，而某些成分是陽極時，采用這種方法。這樣若能進(jìn)一步減小微陽極的面積，則可這種方法。這樣若能進(jìn)一步減小微陽極的面積，則可加大陽極極化電流密度，增強(qiáng)陽極極化。實際上，這加大陽極極化電流密度，增強(qiáng)陽極極化。實際上，這種合金極少見。種

5、合金極少見。6加入易鈍化的金屬加入易鈍化的金屬 工程上廣泛采用的是碳鋼及鐵基合金，為提高耐工程上廣泛采用的是碳鋼及鐵基合金，為提高耐蝕性，往往向其中加入易鈍化元素，蝕性，往往向其中加入易鈍化元素，Al、Ni、Cr等提等提高合金整體鈍化性能。如，向鐵中加入高合金整體鈍化性能。如，向鐵中加入18%左右的左右的Cr，8%左右的左右的Ni制得不銹鋼。制得不銹鋼。加入陰極合金促進(jìn)陽極鈍化加入陰極合金促進(jìn)陽極鈍化 對于可鈍化材料，加入強(qiáng)陰極性元素，由于陰極對于可鈍化材料，加入強(qiáng)陰極性元素，由于陰極反應(yīng)過程加劇，促使腐蝕電流增大，隨著電流不斷增反應(yīng)過程加劇，促使腐蝕電流增大，隨著電流不斷增大，陽極不斷極化，

6、電位變正進(jìn)入鈍化區(qū)，陽極出現(xiàn)大，陽極不斷極化，電位變正進(jìn)入鈍化區(qū)，陽極出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，其腐蝕電流急劇下降，達(dá)到防腐目的。這鈍化現(xiàn)象，其腐蝕電流急劇下降，達(dá)到防腐目的。這種方法極具前途。種方法極具前途。 74.4.使合金表面生成電阻大的腐蝕產(chǎn)物膜使合金表面生成電阻大的腐蝕產(chǎn)物膜 加一些元素使合金表面生成致密的腐蝕產(chǎn)物膜，加一些元素使合金表面生成致密的腐蝕產(chǎn)物膜，增大電阻，阻礙腐蝕過程的進(jìn)行。如：鋼中加入增大電阻，阻礙腐蝕過程的進(jìn)行。如：鋼中加入Cu、P，促進(jìn)生成非晶態(tài)羥基氧化鐵，促進(jìn)生成非晶態(tài)羥基氧化鐵FeOx(OH)3-2x。三、單項合金的三、單項合金的n/8/8定律定律 此定律是塔曼在研究單項

7、合金的耐蝕性時，發(fā)現(xiàn)其耐蝕能力與固溶體成分之間存在一種特殊關(guān)系：n/8定律。8塔曼塔曼（Gustav Tammann，18611938） 德國化學(xué)家、金屬物理學(xué)家。在無機(jī)化學(xué)、物德國化學(xué)家、金屬物理學(xué)家。在無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和金屬學(xué)等方面都有成就。首先他提出玻璃理化學(xué)和金屬學(xué)等方面都有成就。首先他提出玻璃為過冷液體的原理。對晶核生成和晶體的生成方面為過冷液體的原理。對晶核生成和晶體的生成方面曾發(fā)表過系統(tǒng)的論述，并確定晶核數(shù)目和晶核生長曾發(fā)表過系統(tǒng)的論述，并確定晶核數(shù)目和晶核生長速度以及與過冷度之間的關(guān)系。此外他對合金的相速度以及與過冷度之間的關(guān)系。此外他對合金的相平衡及溶液的蒸氣壓等方面也作了

8、深入的研究。平衡及溶液的蒸氣壓等方面也作了深入的研究。 9 n/ /8定律定律：在給定介質(zhì)中一種耐蝕組元和另一種不在給定介質(zhì)中一種耐蝕組元和另一種不耐蝕組元組成的固溶體合金，其中耐蝕組元的含量等耐蝕組元組成的固溶體合金，其中耐蝕組元的含量等于于12.5%12.5%、25%25%、37.5%37.5%、50% .50% .的原子分?jǐn)?shù)，即的原子分?jǐn)?shù)，即1/81/8、2/82/8、3/83/8n/8/8時，合金的耐蝕性將出現(xiàn)突然時，合金的耐蝕性將出現(xiàn)突然的階梯式升高，合金的電位也隨之升高。其中的階梯式升高，合金的電位也隨之升高。其中n稱為穩(wěn)稱為穩(wěn)定性臺階。定性臺階。典型例子典型例子 Cu-Ni合金在

9、氨溶合金在氨溶 液中的耐蝕性液中的耐蝕性 0 25 50 750.40.30.20.1Ni %腐蝕速度腐蝕速度/（g/m2h）10注意：注意：l n/8定律并非通用定律，不是所有固溶體合定律并非通用定律，不是所有固溶體合 金在任何介質(zhì)中都服從金在任何介質(zhì)中都服從n/8定律。定律。l n/8定律也適用于多元系統(tǒng)的固溶體合金。定律也適用于多元系統(tǒng)的固溶體合金。l 定律是基于大量實驗數(shù)據(jù)提出的，尚無合理定律是基于大量實驗數(shù)據(jù)提出的，尚無合理 的理論解釋。的理論解釋。11四、一些主要合金元素對耐蝕性的影響四、一些主要合金元素對耐蝕性的影響1. Cr 鉻是熱力學(xué)不穩(wěn)定、容易鈍化的金屬。當(dāng)加入鐵基 合金后

10、，會在很大程度上表現(xiàn)出鉻的耐腐蝕性。l當(dāng)介質(zhì)具有一定的氧化能力時，鉻可鈍化，合金的耐蝕性當(dāng)介質(zhì)具有一定的氧化能力時，鉻可鈍化，合金的耐蝕性 隨鉻含量提高而增強(qiáng)。隨鉻含量提高而增強(qiáng)。l在還原性介質(zhì)及氧化能力弱的介質(zhì)中，隨合金中鉻量增高在還原性介質(zhì)及氧化能力弱的介質(zhì)中，隨合金中鉻量增高 腐蝕速度反而加大。腐蝕速度反而加大。 鉻的鈍化環(huán)境是不含鹵素的氧化性介質(zhì)。作為添加 元素，它可將這種性質(zhì)帶入合金。如18-8不銹鋼。122. Ni 鎳也是熱力學(xué)不夠穩(wěn)定金屬，但強(qiáng)于鉻和鐵。其鈍化傾向強(qiáng)于鐵但弱于鉻。 Fe-Ni合金在H2SO4、HCl、HNO3中的腐蝕速率隨含量增加而減小。 顯然，這不是鎳的鈍化作用

11、 ，而是鎳使合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，由于鎳的穩(wěn)定性強(qiáng)于鐵。這樣的耐蝕作用，對氧化性和還原性介質(zhì)都有效。 Ni 實際上常與 Cr 配合使用加入 Fe 中，得到不銹鋼，使不銹鋼綜合了 Cr 的良好鈍化特性和 Ni 的對還原介質(zhì)的耐蝕性。13 加入 Ni 獲得不銹鋼的主要目的是獲得奧氏體組織，保證材料具有良好的熱加工性、冷變形能力、可焊性、低溫韌性等。 Ni 的含量增加，同時也會增大不銹鋼的晶間腐蝕傾向，所以應(yīng)合理控制 Ni 的含量。3. Mou Mo能促進(jìn)Cr不銹鋼、Cr-Ni不銹鋼、Ti基合金、Ni基合金的鈍化。是這些鋼中的重要添加元素。u Mo使合金耐還原性介質(zhì)的腐蝕和抗氯離子引起的孔蝕。

12、 Mo抗孔蝕主要是生成氧化物，它較穩(wěn)定，不易與Cl -作用；或者生成MoO42-離子，它是很有效的孔蝕緩蝕劑。14u Mo對不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕的影響對不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕的影響 4. Sil 硅的作用：耐氯化物腐蝕破裂、耐孔蝕、耐濃熱硝酸、抗氧化、耐海水腐蝕。l 不銹鋼中，Si 含量增加，可改善耐應(yīng)力腐蝕破裂性能。這主要依靠 Si 形成保護(hù)膜。 l 不銹鋼中， Si 能改善耐孔蝕性能，這是由于提高了鋼的鈍態(tài)穩(wěn)定性。如：00Cr17Ni14Mo2Si3l 在Cr-Ni 不銹鋼中 Si 含量高耐熱濃HNO3腐蝕。這是由于可形成含 Si、Cr、O 的表面膜的緣故。l 提高低合金鋼中的 Si 含量對鋼的耐海

13、水腐蝕性能有利。155. Cu 是低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、鑄鐵中常見的耐蝕合金元素之一。p 銅耐純凈大氣腐蝕，銅在低合金鋼大氣腐蝕過程中起著活性陰極的作用，在一定條件下可促使鋼產(chǎn)生陽極極化，從而降低腐蝕速率。p 在碳鋼中只需加入少量 Cu 即可達(dá)到目的：0.1%0.2%p 銅鋼形成的鈍化膜易被活性陰離子Cl -破壞。p 不銹鋼加銅可耐腐蝕，由于 Cu 提高了合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性。還可以減弱不銹鋼在海水中的縫隙腐蝕，這是因為鈍化電流ip減小的緣故。16 獲得耐蝕能力的三條途徑：獲得耐蝕能力的三條途徑： 鈍化而耐蝕鈍化而耐蝕 表面形成不溶性腐蝕產(chǎn)物膜而耐蝕表面形成不溶性腐蝕產(chǎn)物膜而耐蝕 材料本身

14、熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而耐蝕材料本身熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而耐蝕一、依靠鈍化而耐腐蝕一、依靠鈍化而耐腐蝕1. 18-8不銹鋼不銹鋼 18-8鋼主要指含鋼主要指含Cr 18%、Ni 8%9%的一類鋼。的一類鋼。由于具有優(yōu)良的耐蝕性、良好的熱塑性、冷變形能力由于具有優(yōu)良的耐蝕性、良好的熱塑性、冷變形能力和可焊性，因此應(yīng)用非常廣。和可焊性，因此應(yīng)用非常廣。第二節(jié)第二節(jié) 常用結(jié)構(gòu)材料的耐蝕性常用結(jié)構(gòu)材料的耐蝕性17l 18-8不銹鋼中 Cr 是合金獲得鈍性的主要鈍化元素l 18-8鋼在空氣、水、中性溶液和各種氧化性介質(zhì)中 十分穩(wěn)定l 18-8鋼在酸性溶液中的耐蝕性視氧化性及非氧化性 及溫度而異l 18-8鋼對堿具有較

15、好的耐蝕性：Ni 起作用l 18-8鋼在腐蝕性介質(zhì)中，常發(fā)生的腐蝕型式： 在在450850敏化溫度區(qū)，在焊接影響區(qū)易發(fā)生晶間腐蝕。敏化溫度區(qū)，在焊接影響區(qū)易發(fā)生晶間腐蝕。 在含有鹵素離子的鹽液中，尤其是在含有鹵素離子的鹽液中，尤其是Cl - -，最易發(fā)生孔蝕。，最易發(fā)生孔蝕。 應(yīng)力腐蝕的主要環(huán)境是高濃度氯化物、硫化物溶液、濃熱堿液及高應(yīng)力腐蝕的主要環(huán)境是高濃度氯化物、硫化物溶液、濃熱堿液及高 溫高壓水。溫高壓水。18 鋁及鋁合金 鋁屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定金屬。它具有自鈍化性能。鋁屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定金屬。它具有自鈍化性能?？稍诳諝庵?、水中形成致密的氧化膜可在空氣中、水中形成致密的氧化膜Al2O3，使鋁的

16、電，使鋁的電位由位由-1.6V升至升至-0.5V。u 其耐蝕能力主要取決于其保護(hù)膜的穩(wěn)定性。u 鋁在非氧化性酸、堿中易腐蝕。u 敏感于鹵素離子，易發(fā)生小孔腐蝕。u 液流沖擊會破壞鈍化膜，輸送腐蝕介質(zhì)應(yīng) v1.5m/s，輸送清水時，v9.5、30%以下的堿液中耐蝕。金屬表面形成緊密的Fe(OH)2、Fe(OH) 3保護(hù)層。23p 在水及充氣水中，僅能形成疏松腐蝕產(chǎn)物層，連續(xù)腐蝕。p 大氣、土壤、海水及非氧化性介質(zhì)中耐蝕性很差。2.鉛及鉛合金鉛在80%以下的熱硫酸（ 85）和96%以下的冷硫酸及硫酸鹽液中具有較高的耐蝕能力。所產(chǎn)生的產(chǎn)物 PbSO4 溶解度極低，保護(hù)性很好。 鉛在堿以及硝酸、醋酸中

17、不耐蝕。 純鉛一般作為設(shè)備的襯里。鉛銻合金常用來制作輸送硫酸的泵、管及閥等。 鉛是有毒的金屬。24三、依靠自身熱力學(xué)穩(wěn)定耐蝕的金屬三、依靠自身熱力學(xué)穩(wěn)定耐蝕的金屬 這類金屬主要有：這類金屬主要有：Au、Ag、Pt、Cu等。等。 Au、Ag、Pt由于價格昂貴，無法在工程上應(yīng)用。而銅在工業(yè)上有一由于價格昂貴，無法在工程上應(yīng)用。而銅在工業(yè)上有一定的應(yīng)用。定的應(yīng)用。l 由于銅電位較高，在酸中不發(fā)生析氫腐蝕。l 銅耐大氣、水、海水及中性鹽液腐蝕，但在氧化性鹽及 鉻酸鹽中腐蝕很快。l 在含氧堿液中，氨液中腐蝕嚴(yán)重-Cu(NH3)42+l 不耐硫化物腐蝕。l 銅具有良好的低溫強(qiáng)度和塑性，用于深冷設(shè)備。l 黃

18、銅耐空泡腐蝕性能好，常用于海水換熱器。黃銅易發(fā)生選擇性腐蝕。25第三節(jié) 選材原則一、設(shè)備選材應(yīng)滿足工況要求一、設(shè)備選材應(yīng)滿足工況要求1.介質(zhì)特性與溫度、壓力 介質(zhì)特性包括：相態(tài)、組成、濃度、氧化性與還原性、流態(tài)與流速等。應(yīng)特別注意介質(zhì)中Cl -的含量。選材考慮介質(zhì)的特性主要針對腐蝕性。 操作溫度：溫度的變化對材料性能影響很大。隨溫度升高，材料腐蝕速度加快，強(qiáng)度降低，塑性和韌性提高。高溫下，材料必須具有足夠的蠕變極限和抗氧化性能。低溫下，材料應(yīng)具有良好的低溫沖擊韌性，并注意冷脆問題。26操作壓力：常壓、負(fù)壓、中壓、高壓、超高壓。應(yīng)弄清工作中壓力的變化規(guī)律，通常壓力越高，要求材料強(qiáng)度和耐蝕性能也越高。設(shè)備襯里時，應(yīng)考慮載荷是否