表面技術概論 表面基礎理論-腐蝕磨損課件

2.4金屬腐蝕原理與防護技術腐蝕就是材料與環(huán)境介質作用而引起的惡化變質或破壞。腐蝕對材料表面的損害不僅導致資源與能源的浪費，帶來巨大的經(jīng)濟損失，而且容易造成污染與事故，嚴重影響人民生活，甚至危及生命安全。所有的腐蝕破壞都是從損壞材料的表面開始的。要提高材料表面的耐腐蝕能力，必須先對金屬腐蝕原理與主要防護方式有一個基本了解。一、化學腐蝕與電化學腐蝕原理

1．腐蝕的基本概念腐蝕的分類方法很多。按照材料腐蝕原理的不同，可分為化學腐蝕和電化學腐蝕?；瘜W腐蝕是金屬在干燥的氣體介質中或不導電的液體介質中(如酒精、石油等)發(fā)生的腐蝕，腐蝕過程中無電流產(chǎn)生。按環(huán)境不同，可將腐蝕分成三類：濕蝕:(包括水溶液腐蝕、大氣腐蝕、土壤腐蝕和化學藥品腐蝕)干蝕:(包括高溫氧化、硫腐蝕、氫腐蝕、液態(tài)金屬腐蝕、熔鹽腐蝕、羧基腐蝕等)微生物腐蝕:(包括細菌腐蝕、真菌腐蝕、流化菌腐蝕、藻類腐蝕)等。按腐蝕形態(tài)不同，可分為全面腐蝕和局部腐蝕兩大類。全面腐蝕：腐蝕分布在整個金屬表面上(包括較均勻的和不均勻的)；

局部腐蝕：腐蝕局限在金屬的某一部位。在全面腐蝕過程中，進行金屬溶解反應和物質還原反應的區(qū)域都非常小，甚至是超顯微的，陰、陽極區(qū)域的位置在腐蝕過程中隨機變化，使腐蝕分布相對均勻，危害也相對小些。而在局部腐蝕過程中，腐蝕集中在局部位置上，而金屬的其余部分幾乎沒有發(fā)生腐蝕。2．金屬化學腐蝕的基本原理

當裸金屬表面與干燥的空氣或氧氣接觸時，首先將在表面形成氧分子的物理吸附層，并迅速轉化為一層較為穩(wěn)定的化學吸附膜。隨著氧化過程的繼續(xù)進行，反應物質必須先通過膜層然后再與基體起反應，氧化速度往往由傳質過程所控。提高材料抗氧化能力的重要途徑就是改變材料的表面成分，使其氧化動力學曲線呈對數(shù)變化。3．金屬電化學腐蝕原理

金屬材料與電解質接觸，將發(fā)生電化學反應，在界面處形成雙電層并建立相應的電位。這種金屬電極與溶液界面之間存在的電位差就叫做金屬的電極電位。然而，通常所說的電極電位是指以該電極為陽極，以標準氫電極為負極構成原電池，所測得原電池的電動勢(即原電池開路時兩個電極之間的電位差)，因此又稱為標準電極電位。

材料的種類、組織結構、表面狀態(tài)，介質的成分、濃度、溫度的差別，都會對材料在溶液中的電極電位產(chǎn)生影響，導致不同的電位值。將各種金屬的標準電極電位按其代數(shù)值增大順序排列起來，稱為標準電位序。

由于金屬的標準電位序隨外部條件的變化而變化，常用腐蝕電位序(即各種金屬在某種介質中的穩(wěn)定電位值按其代數(shù)值大小排列的順序)來判斷金屬腐蝕的熱力學可能性。腐蝕電位值越負的金屬越容易腐蝕。金屬在25℃時的標準電極電位（V）Al:－1.67，F(xiàn)e：－0.44，Zn：－0.762，Cu：+0.345，4．腐蝕原電池與腐蝕微電池

如果把兩種電極電位不同的金屬同時放在同一種電解液中，并把它們用導線通過電流表連接起來，就組成了一個原電池。Cu—Zn腐蝕原電池

此外，由于材料成分和介質或兩者同時存在著不均勻性，使金屬表面的不同區(qū)域電位值存在差別。

Fe-Fe3C微腐蝕電池示意圖電位較負的區(qū)域將離子化為陽極，電位較正的區(qū)域為陰極。而金屬作為良導體，溶液為離子導電體，在陽、陰極之間電位差的驅動下，形成閉路的腐蝕原電池，因其區(qū)域較小，又稱為腐蝕微電池。

二、極化作用與腐蝕速度金屬表面的鈍化與活化1.極化作用：2.鈍化----金屬表面的現(xiàn)象從熱力學上講，絕大多數(shù)金屬在一般環(huán)境下都會自發(fā)地發(fā)生腐蝕，可是在某些介質環(huán)境下金屬表面會發(fā)生一種陽極反應受阻的現(xiàn)象。這種由于金屬表面狀態(tài)的改變引起金屬表面活性的突然變化，使表面反應(如金屬在酸中的溶解或在空氣中的腐蝕)速度急劇降低的現(xiàn)象，就稱為鈍化。鈍化大大降低了金屬的腐蝕速度，增加了金屬的耐蝕性。金屬鈍化后所處的狀態(tài)叫鈍態(tài)，鈍態(tài)金屬所具有的性質稱為鈍性。

例如，被過分拋光的金屬表面可產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象。被拋光的金屬表面有較好的抗蝕性能。如將鋼鐵零件拋光，滲氮就會變得困難，使?jié)B氮層變薄或完全沒有滲氮層。

金屬表面的鈍化雖然可以減緩材料表面的氧化或腐蝕過程，但鈍化膜的存在卻是實施許多表面工程技術的障礙，使得表面涂層、鍍層與金屬基體的結合力大幅度降低。為此，大部分表面工程技術實施之前都要進行適當?shù)谋砻骖A處理，使基體表面處于活化狀態(tài)，即獲得清潔表面。3.金屬表面活化過程是鈍化的相反過程。(1)金屬表面凈化

(2)增加金屬表面的化學活性區(qū)三、腐蝕的主要形式

各種材料或構件都是在特定的環(huán)境條件下使用的環(huán)境條件不同，材料的耐蝕性差別很大。金屬腐蝕的主要形式有三種：即局部腐蝕、全面腐蝕和在機械力作用下的腐蝕。四、金屬材料腐蝕控制及防護方法

1．產(chǎn)品合理設計與正確選材

任何一種材料或制品，經(jīng)長期使用或貯存后完全不發(fā)生腐蝕是不可能的。但是，多年的實踐表明，材料及其制品發(fā)生腐蝕的原因，許多是由于人們對腐蝕理論不夠了解，對長年積累起來的防腐蝕經(jīng)驗和技術不夠重視所造成的。

腐蝕及其控制是一個貫穿產(chǎn)品設計、試制、生產(chǎn)、使用和維護等各個環(huán)節(jié)的重要問題。

產(chǎn)品設計時不僅要考慮材料的機械性能，而且必須了解產(chǎn)品的使用和工作環(huán)境。對一些產(chǎn)品，如許多板件、管件、鑄件、鍛件和化工用的槽池等，壁厚設計時除了要考慮必要的機械強度保障以外，還必須預留一些腐蝕余量；產(chǎn)品結構設計時，要注意設計合理的表面形狀，連接工藝中注意少留死角，以避免水分或其它腐蝕介質的存留，造成縫隙腐蝕；產(chǎn)品設計中，不可避免地要使用各種不同材料，因此選材時必須考慮不同材料相互接觸時可能產(chǎn)生的電偶腐蝕問題；

對于受力構件，應力分布的不均勻性可能引起應力腐蝕斷裂和腐蝕疲勞，尤其要注意殘余應力對腐蝕過程的影響。此外，在金屬材料的冷、熱加工及裝配過程中，也要注意防止腐蝕的發(fā)生。陽極保護法則是使腐蝕件的電位正移，使表面形成穩(wěn)定的鈍態(tài)而受到保護。實現(xiàn)陽極保護的方法一種是施加外電流，被保護工件為陽極；另一種是在被保護的工件或合金中加入可鈍化的元素，使表面形成穩(wěn)定的鈍化膜。當介質中含有濃度較高的活性陰離子時，不能采用陽極保護法3．表面覆層及表面處理

(1)陽極性金屬覆層這種覆層除了自身有一定耐蝕性外，還可以作為陽極對基體金屬起保護作用。即使基材受到難以避免的裸露(如擦傷時)，仍可作為陰極而受到涂層保護。如鋼鐵表面的鋅、鋁、鎘覆層和高含量的鋅、鋁粉調制的有機涂層等。在大氣介質中，鋅為陽極，優(yōu)先腐蝕，鐵得到保護，而受腐蝕的鋅表面上形成一層致密的氧化膜又阻止了鋅的繼續(xù)氧化。(2)陰極性金屬及非金屬涂層Questionsfordiscussion:腐蝕及其危害、化學腐蝕及其基本原理、電化學腐蝕及其基本原理、產(chǎn)生金屬腐蝕的驅動力、腐蝕分類方法、金屬氧化的動力學過程三種模式、金屬的電極電位、標準電極電位、腐蝕原電池與腐蝕微電池、金屬表面的鈍化與活化、金屬腐蝕的主要形式、金屬材料腐蝕控制及防護方法、電化學保護方法：陰極保護與陽極保護方法磨損是材料三大主要失效形式之一，它造成的經(jīng)濟損失是十分巨大的。耐磨性不像力學性能和物理性能那樣屬于材料的固有特性，而受到摩擦學系統(tǒng)中接觸條件、工況、環(huán)境、介質等多方面因素的影響，是一個系統(tǒng)性質。

材料的磨損始于表面，表面性能是決定材料耐磨性的關鍵。而磨損失效過程和方式的不同，對材料表面所要求的性能相差很大。一、固體材料的摩擦與磨損

1．摩擦系數(shù)相互接觸的物體相對運動時產(chǎn)生的阻力，稱為摩擦。摩擦存在于固體、氣體和液體之間。材料的磨損則指相對運動的物質摩擦過程中不斷產(chǎn)生損失或殘余變形的現(xiàn)象。顯然，材料的摩擦與磨損是因果關系。

摩擦力

F=μN

式中，F(xiàn)為摩擦力(切向力)；N為法向力(載荷)；μ為摩擦系數(shù)。材料或體系的耐磨性高低一般用摩擦系數(shù)來表征。摩擦系數(shù)μ屬于材料常數(shù)之一。但近年來研究發(fā)現(xiàn)當潤滑條件、固體材料、環(huán)境介質、工作參數(shù)等參數(shù)發(fā)生變化時，摩擦系數(shù)也發(fā)生很大的變化。

2．摩擦與磨損的分類按照實際工作條件的差別，將摩擦分為四類：即干摩擦、邊界潤滑摩擦、流體潤滑摩擦和滾動摩擦。

按照磨損機理的不同，可以將磨損分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動磨損、沖蝕(包括氣蝕)磨損和高溫磨損七大類。實際上，一種摩擦方式常常包含幾種磨損機理。上述磨損機理中，最基本的是粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。各種復雜的磨損現(xiàn)象不外乎是這些基本機理單獨或綜合的表現(xiàn)。例如，滑動干摩擦過程依據(jù)相對運動的材料不同，可能發(fā)生粘著磨損、磨粒磨損，或兩者兼而有之。

磨料磨損機理是屬于磨料的機械作用，這種機械作用在很大程度上與磨料的性質、形狀及尺寸大小，固定的程度以及載荷作用下磨料與被磨材料表面的機械性能有關。油環(huán)因為磨料磨損而損壞較為嚴重2.粘著磨損粘著磨損(adhesivewear)，又稱咬合磨損，它是指兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(固相粘著)，使材料從一個表面轉移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個表面之間。4.沖蝕磨損沖蝕磨損是由于含固態(tài)粒子的流體(常為液體)沖刷造成表面材料損失的磨損。二、提高零件耐磨性的途徑

機械零件磨損失效過程復雜，受材料成分和性能、環(huán)境溫度和介質、結構設計、制造過程和工藝、設備安裝與使用等多種因素的影響。

迄今為止，尚無一個較為簡單和通用的方法來預測零件的磨損壽命，也無合適的公式、手冊來準確推算和記錄各種性能。然而，設計或改善機械零部件的耐磨壽命，是工程技術中必須解決的關鍵技術問題。為此，應該從以下幾個方面入手：

1．工程結構的合理設計：

工程結構的合理設計是提高零件耐磨性的基礎。它包括兩方面的含義：一方面，產(chǎn)品內部結構設計必須合理。

在滿足工作條件的前提下，盡量降低對磨材料的交互作用力，否則，再優(yōu)良的耐磨材料也無法有效提高其磨損壽命，當工程中發(fā)現(xiàn)某種零件的耐磨性很差時，首先要考慮的就是能否從設計原理上加以改進降低摩擦力或減小摩擦系數(shù)。另一方面，設計時應對零件的重要性、維修難易程度、產(chǎn)品成本、使用特點、環(huán)境特點等預先進行綜合分析。2．零件磨損機理預測、分析和耐磨材料的選擇

由于材料的耐磨性是系統(tǒng)性質，影響因素眾多。不同的磨損失效方式，影響耐磨性的因素相差很大，對材料力學性能的要求也不相同。增加材料硬度可以提高耐磨損能力，但