金屬腐蝕 金屬結(jié)構(gòu)材料的耐蝕性

1、金屬腐蝕 金屬結(jié)構(gòu)材料的耐蝕性第1頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三金屬耐蝕合金化原理常用結(jié)構(gòu)材料的耐蝕性結(jié)構(gòu)材料選擇原則內(nèi)容：第2頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三一、金屬耐蝕合金化原理1. 純金屬的耐蝕特性工況：工業(yè)上廣泛應(yīng)用的金屬結(jié)構(gòu)材料多是合金，需要提高耐蝕性提高方法？耐蝕能力的宏觀表現(xiàn)？第3頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三I. 金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性由標(biāo)準(zhǔn)電位值判斷P18,表1-7 耐蝕能力的宏觀表現(xiàn)三性熱力學(xué)穩(wěn)定性E = 0 V正負(fù)高低溶劑pH 7的中性溶液 0的酸性溶液 氫電極平衡電位 E (V)-0.4140

2、.000氧電極平衡電位 E (V)0.8151.229AK第4頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三 1.229第5頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三E/ V第6頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三II 金屬的鈍性在適當(dāng)條件下由于發(fā)生鈍化而獲得耐蝕性的熱力學(xué)不穩(wěn)定金屬（可鈍化金屬）：Fe, Al, Zr, Ti, Ta, Nb, Cr, Be, Mo, Mg, Ni, Co特征：多數(shù)在氧化性介質(zhì)中易鈍化，而在Cl-, Br-, F-等離子作用下，鈍態(tài)易受到破壞應(yīng)用：多作為合金元素加入鋼中，使合金鈍化而提高耐蝕性第7頁(yè)，共54頁(yè)，

3、2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三III 腐蝕產(chǎn)物的保護(hù)性提高熱力學(xué)不穩(wěn)定金屬的耐蝕性鈍化在腐蝕過(guò)程初期或一定階段生成致密的保護(hù)性能良好的腐蝕產(chǎn)物膜，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜機(jī)械鈍態(tài)膜主要工業(yè)用耐蝕金屬材料：Cu, Ni, Al, Mg, Ti, Zr, 等應(yīng)用比較廣泛的合金：鐵合金、銅合金、鎳合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金等第8頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三2. 金屬耐蝕合金化的途徑腐蝕電流大小表征腐蝕速度腐蝕反應(yīng)的推動(dòng)力系統(tǒng)的熱力學(xué)穩(wěn)定性腐蝕過(guò)程的阻力提高耐蝕性降低腐蝕速度降低腐蝕電流增大系統(tǒng)阻力減小系統(tǒng)推動(dòng)力第9頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星

4、期三I. 減小系統(tǒng)推動(dòng)力提高金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性原理：將熱力學(xué)穩(wěn)定性高的合金元素加入到原來(lái)耐蝕性不好的純金屬或合金中形成特殊合金，利用合金元素固有的高熱力學(xué)穩(wěn)定性提高合金的電極電位，進(jìn)而提高合金整體的耐蝕性實(shí)例：銅中加金，鎳中加銅，鉻鋼中加鎳局限性：往往需添加大量的貴金屬才有效，成本較高，應(yīng)用受限 第10頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三II. 增大系統(tǒng)阻力陰極、陽(yáng)極、電阻2. 減弱合金的陰極活性適用于陰極控制的腐蝕過(guò)程措施：1）減少金屬或合金中的活性陰極相原理：金屬或合金在酸溶液中腐蝕時(shí)，陰極析氫反應(yīng)優(yōu)先在析氫超電壓低的陰極性合金組成物或夾雜物上進(jìn)行，減少合金中的陰極相

5、，就減少了活性陰極數(shù)目或面積，增大陰極極化電流密度，增強(qiáng)陰極極化程度，提高合金的耐蝕性；采用熱處理方法：固溶處理等，消除作為活性陰極的第二相第11頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三2）加入析氫超電壓高的合金元素原理：加入析氫超電壓高的合金元素 合金陰極析氫反應(yīng)的阻力增大 極大降低合金在酸中的腐蝕速度局限性：只適用于基體金屬不會(huì)鈍化、由析氫超電壓控制的析氫腐蝕 實(shí)例：碳鋼或鑄鐵中加入析氫超電壓高的砷、銻、鉍、錫P83, 圖4-2第12頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三3. 減弱合金的陽(yáng)極活性適用范圍最廣、最有效的提高金屬耐蝕合金化途徑原理：減弱合金

6、的陽(yáng)極活性，阻滯陽(yáng)極過(guò)程的進(jìn)行，提高合金的耐蝕性措施：1）減小陽(yáng)極相的面積使用條件：腐蝕過(guò)程中，合金基體為K，而第二相（如強(qiáng)化相）或合金中其它微小區(qū)域（如晶界）為A，減小陽(yáng)極面積，增大陽(yáng)極極化電流密度，增加陽(yáng)極極化程度，降低腐蝕速度實(shí)例：Al-Mg合金中強(qiáng)化相Al2Mg3對(duì)基體是陽(yáng)極局限性：實(shí)際合金中第二相是陽(yáng)極的情況很少，絕大多數(shù)合金中的第二相都是陰極相，起陰極作用第13頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三2）加入易鈍化的合金元素應(yīng)用最廣泛的一種耐蝕合金化途徑原理：在鈍化能力不強(qiáng)的基體金屬中加入更容易鈍化的合金元素，提高合金的整體鈍性，顯著提高耐蝕性實(shí)例：鐵中加入Cr制

7、備或耐酸鋼等工業(yè)上大量使用的可鈍化基體元素：Fe, Al, Mg, Ni等第14頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三3）加入陰極合金元素促進(jìn)陽(yáng)極鈍化很有發(fā)展前途的一種耐蝕合金化措施原理：有可能鈍化的腐蝕體系（合金與腐蝕環(huán)境），往金屬或合金中加入強(qiáng)陰極性元素，會(huì)加劇電化學(xué)腐蝕的陰極過(guò)程，增加陰、陽(yáng)極電流，當(dāng)腐蝕電流密度超過(guò)鈍化電流密度時(shí)，陽(yáng)極出現(xiàn)鈍態(tài)，腐蝕電流急劇下降第15頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三III. 使合金表面生成電阻大的腐蝕產(chǎn)物膜原理：加入某些元素促使合金表面生成致密腐蝕產(chǎn)物膜，增大體系電阻，有效阻滯腐蝕過(guò)程進(jìn)行實(shí)例：耐大氣腐蝕鋼的

8、耐蝕銹層結(jié)構(gòu)中多含致密結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)羥基氧化鐵，鋼中加入Cu, P或P, Cr能促進(jìn)該保護(hù)膜的生成第16頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三實(shí)際耐蝕合金通盤考慮，相互配合各類合金元素的效果，提高綜合性能P109 表4-2第17頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三3. 單相合金的 n/8定律穩(wěn)定性階升定律合金含量耐蝕性1/82/83/8當(dāng)耐蝕組元的含量相當(dāng)于n/8 (n=1,2,7) 時(shí)，合金的耐蝕性出現(xiàn)突然的階梯式升高，合金的電位相應(yīng)隨之升高n穩(wěn)定性臺(tái)階或穩(wěn)定性邊界適用領(lǐng)域：適用于二元及其以上多元系統(tǒng)的固溶體合金第18頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20

9、日，22點(diǎn)27分，星期三注意：1） n/8定律適用于二元及其以上多元系統(tǒng)的固溶體合金； 2）并非任何固溶體合金在各種介質(zhì)中對(duì)應(yīng)n=1,2,7 時(shí)均會(huì)出現(xiàn)耐蝕穩(wěn)定性的依次突升；3）同一合金在不同介質(zhì)中的穩(wěn)定性臺(tái)階值不同；3）n/8定律是經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，確切原因需要你們將來(lái)完成；實(shí)例：第19頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三4. 主要合金元素對(duì)耐蝕性的影響元素特點(diǎn)與作用應(yīng)用Cr熱力學(xué)不穩(wěn)定，在不含鹵素離子的氧化性介質(zhì)中易鈍化，由其組成的Fe, Ni, Ti合金也易鈍化，有過(guò)鈍化傾向，在具備鈍化條件下（適當(dāng)氧化性），耐蝕性隨Cr含量的升高而增大，但是在不能實(shí)現(xiàn)鈍化條件（還原性或氧化

10、性不足或過(guò)高）下，耐蝕性隨Cr含量的升高而變差，適用于氧化性適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)P85圖4-5Ni熱力學(xué)不夠穩(wěn)定，但比Cr, Fe穩(wěn)定，能鈍化，鈍化傾向：Fe Ni Cr。隨Ni含量增大，在H2SO4, HCl, HNO3中的Fe-Ni合金（實(shí)際少用）的耐蝕性增強(qiáng)，熱力學(xué)穩(wěn)定性提高，不是鈍化作用提高耐蝕性，適用于氧化性和還原性介質(zhì)；實(shí)際上，Ni常與Cr配合使用，將鉻的優(yōu)良鈍化性與鎳對(duì)還原性介質(zhì)的一定耐蝕性耦合，提高不銹鋼的耐蝕性；Ni使不銹鋼形成奧氏體組織，進(jìn)而具有優(yōu)良的熱加工性、冷變形能力、可焊性和良好的低溫韌性；但是， Ni不全有利，在其它條件相同條件下，奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向隨鋼中Ni含量的增

11、加而增大；P85圖4-6，P86圖4-7第20頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三元素特點(diǎn)與作用應(yīng)用Mo依靠鈍化，Mo使合金耐還原性介質(zhì)的腐蝕和抗Cl- 等引起的孔蝕，是鉻、鉻鎳、鈦、鎳等不銹鋼合金中重要的耐蝕元素，促使合金的鈍化，適量的Mo含量有助于提高鋼的耐應(yīng)力腐蝕破裂性能；圖4-8Mo的反應(yīng)產(chǎn)物隨溶液pH值而定， pH值 3.5, MoO42- or HMoO42-, 控制適當(dāng)?shù)臈l件可以提高耐蝕性隨鋼中Mo含量的增加，鈍化膜厚度增加，延長(zhǎng)蝕孔形成的孕育期，提高耐蝕性P86,圖4-8Si和Mo一樣耐Cl-腐蝕，應(yīng)用在不銹鋼、低合金鋼、鑄鐵、鎳基合金中，具有耐氯化物腐蝕

12、破裂、孔蝕、濃熱硝酸、氧化、海水腐蝕等作用，性能穩(wěn)定，不耐含F(xiàn)物質(zhì)的腐蝕；隨著含量增加， Si通過(guò)加硅形成的富硅保護(hù)層改善不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕破裂性能；圖4-9Si通過(guò)提高鋼的鈍態(tài)穩(wěn)定性來(lái)改善不銹鋼耐孔蝕性能；含硅不銹鋼在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中的高耐蝕性是由于形成富集Si, Cr, O的表面膜，提高低合金鋼中的Si含量至0.7-2%有利于提高耐海水腐蝕性能， Si與Cr, Mo, Cu等相配合可以得到各種耐海水鋼P(yáng)86,圖4-9第21頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三元素特點(diǎn)與作用應(yīng)用Cu在低合金鋼大氣腐蝕過(guò)程中起活性陰極的作用，一定條件下可促使陽(yáng)極鈍化，提高耐蝕性；熱力學(xué)穩(wěn)定性高

13、，耐大氣腐蝕，是低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、鑄鐵中常用的一種耐蝕性金屬；適量的Cu能有效降低腐蝕速度，過(guò)多時(shí)效果不明顯；圖410Cu形成的鈍化膜易被活性Cl-破壞，只能在較純凈的空氣中有較好的耐蝕性；Cu能提高鋼對(duì)H2SO4的耐蝕性，與Mo配合可以提高鋼對(duì)中等濃度熱H2SO4的耐蝕性；Cu加入鋼中能阻滯陽(yáng)極過(guò)程，減小鈍化臨界電流密度iCP，能不同程度減弱鋼在海水中的縫隙腐蝕，P87圖410第22頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三第二節(jié)、常用結(jié)構(gòu)材料的耐蝕性3種情況依靠鈍化而耐蝕表面生成了不溶性的腐蝕產(chǎn)物膜而耐蝕材料本身的熱力學(xué)穩(wěn)定性而耐蝕第23頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，

14、5月20日，22點(diǎn)27分，星期三1. 依靠鈍化而耐蝕的金屬材料范圍：不銹鋼、鋁及鋁合金、鈦及鐵合金、硅鑄鐵等特點(diǎn)：耐蝕性是鈍化后的特性，在能夠鈍化的環(huán)境中耐蝕，而在不具備鈍化條件或會(huì)引起鈍化膜破壞的環(huán)境中不穩(wěn)定，不耐蝕實(shí)例：18-8不銹鋼、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金、高硅鑄鐵第24頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三定義：含Cr18%, Ni89%的一系列奧氏體不銹鋼（包含大氣中耐蝕的不銹鋼和在各種化學(xué)試劑與強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中耐蝕的不銹耐酸鋼）含Cr和Ni的不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性和良好的熱塑性、冷變形能力和可焊性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣，約占不銹鋼總產(chǎn)量的70%常見腐蝕破壞形態(tài)：晶間腐蝕

15、、孔蝕、SCC等常用的18-8不銹鋼的牌號(hào)，P88，表4-3I. 18-8不銹鋼第25頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三 18-8不銹鋼特點(diǎn)： Cr使合金獲得鈍性的主要鈍化元素， Ni是可鈍化元素，二者總量相當(dāng)于n/8定律中n2的值；耐蝕特點(diǎn)主要體現(xiàn)在氧化性介質(zhì)中，在空氣、水、中性溶液、各種氧化性介質(zhì)中穩(wěn)定；對(duì)熔融堿外的堿性溶液有很好的耐蝕性實(shí)際中常見晶間腐蝕、孔蝕和應(yīng)力腐蝕破裂等局部腐蝕形態(tài)第26頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三在酸性溶液中的耐蝕性視酸的氧化性、非氧化性及氧化性強(qiáng)弱而異：在室溫下各種濃度的硝酸或濃硫酸中都耐蝕，但是，沸騰的濃硝

16、酸（65%）會(huì)引起過(guò)鈍化而劇烈腐蝕，中等濃度以下的硫酸在溫度較高時(shí)腐蝕嚴(yán)重；在室溫下、 78）或Nb可以提高耐硫化物溶液中的SCC 能力；加入Ti、Nb、V等合金化元素的奧氏體不銹鋼有良好的耐高溫水腐蝕破裂能力，如0Cr18Ni11Nb、 0Cr18Ni10Ti、 0Cr22Ni13Mn5Mo2NbVN等；提高Ni含量可以減小脆性破裂敏感性，如Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr21Ni33AlTi等；提高不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕破裂能力的措施合金化，所加元素種類及含量隨介質(zhì)環(huán)境而異第30頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三合金鋼表示方法 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼： 表示方法：“

17、兩位數(shù)字元素?cái)?shù)字” 鋼號(hào)的前兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬(wàn)分之幾，沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼以及專門用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)在鋼號(hào)后特別標(biāo)出。合金元素以化學(xué)元素符號(hào)表示，合金元素后面的數(shù)字則表示該元素的含量，一般以百分之幾表示。凡合金元素的平均含量小于1.5%時(shí)，鋼號(hào)中一般只標(biāo)明元素符號(hào)而不標(biāo)明其含量。如果平均含量1.5%、2.5%、3.5%、時(shí),則相應(yīng)地在元素符號(hào)后面標(biāo)以2、3、4。如為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在其鋼號(hào)后加“高”或“A”。鋼中的V、Ti、Al、B、RE等合金元素，雖然它們的含量很低，但在鋼中能起相當(dāng)重要的作用，故仍應(yīng)在鋼號(hào)中標(biāo)出。如：45鋼表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；20CrMnTi

18、表示平均含碳量為0.20%，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量Ti的合金結(jié)構(gòu)鋼；60Si2Mn表示平均含碳量為0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量為1.52.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼。第31頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三 合金工具鋼與特殊性能鋼表示方法：“一位數(shù)字（或沒(méi)有數(shù)字）元素?cái)?shù)字”鋼號(hào)的前一位數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾，合金元素以化學(xué)元素符號(hào)表示，合金元素后面的數(shù)字則表示該元素的含量，一般以百分之幾表示。其編號(hào)方法與合金結(jié)構(gòu)鋼大體相同，區(qū)別在于含碳量的表示方法，當(dāng)碳含量1.0%時(shí)，則不予標(biāo)出。如平均含碳量90%的硝酸中）；在pH9

19、.5、濃度不超過(guò)30%的堿溶液中由于生成溶解度小、能緊密覆蓋于鋼鐵表面的腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2和Fe(OH)3而耐蝕，但是，當(dāng)堿濃度更高時(shí)，會(huì)由于腐蝕產(chǎn)物的溶解而引起強(qiáng)烈腐蝕；在水中的二次腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2和Fe(OH)3由于疏松覆蓋而導(dǎo)致保護(hù)性極弱，在溶氧的水中腐蝕加劇；在非氧化性介質(zhì)中耐蝕性很差，也不耐大氣、土壤、海水等的腐蝕；第44頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三鉛與鉛合金電位（-0.13V）低于氫，在酸中會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，在某些酸中能生成穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物，不具備鈍化能力，耐蝕性主要體現(xiàn)在它的腐蝕產(chǎn)物在相應(yīng)介質(zhì)中的溶解度；由于腐蝕產(chǎn)物PbSO4溶解度極小而耐硫酸

20、腐蝕，特別耐稀硫酸腐蝕，但是當(dāng)溫度和濃度過(guò)高會(huì)生成可溶性的Pb(HSO4)2而不耐蝕， 在40%鉻酸、90%磷酸、碳酸、不充氣50%氫氟酸、中性溶液、水、大氣、土壤等介質(zhì)中耐蝕在堿、硝酸、醋酸及其他一些有機(jī)酸中不耐蝕多用作設(shè)備襯里，有毒，不用于食品及醫(yī)藥生產(chǎn)第45頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)27分，星期三3. 依靠自身熱力學(xué)穩(wěn)定而耐蝕的金屬貴金屬Au、Pt、Ag等電位很正，熱力學(xué)穩(wěn)定性高，價(jià)高少用銅及銅合金半貴金屬Cu電位（+0.35V）比氫高，一般條件下不會(huì)鈍化，主要依靠自身的熱力學(xué)穩(wěn)定性耐蝕，銅及其合金在不充氣的非氧化性酸中耐蝕；在大氣 （除含S大氣）、水、海水或中性鹽溶液中由于表面生成溶解度極小的腐蝕產(chǎn)物而耐蝕，但是若水中含氧化性鹽類（如Fe3+、鉻酸鹽）會(huì)加速腐蝕；一般情況下很難鈍化，氧和氧化劑對(duì)銅只起陰極去極化作用，在氧化性介質(zhì)中會(huì)發(fā)生耗氧腐蝕；在氨