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1、授课教师：王 东 办公室：材料楼434 电话：15942285108，5929535 Email：,腐蚀与防护概论,Introduction to Corrosion and Protection,9.4 金属的电化学腐蚀和防腐,金属腐蚀分两类：,（1）化学腐蚀 金属表面与介质如气体或非电解质液体等因发生化学作用而引起的腐蚀，称为化学腐蚀。化学腐蚀作用进行时无电流产生。,（2）电化学腐蚀 金属表面与介质如潮湿空气或电解质溶液等，因形成微电池，金属作为阳极发生氧化而使金属发生腐蚀。这种由于电化学作用引起的腐蚀称为电化学腐蚀。,时间及地点,上课时间及地点 星期一 15:30-17:20（315周）
2、 星期四 18:00-19:50（56周） 1号楼C304 答疑时间及地点 星期二 15:00-17:00 材料楼434室，电话：5929535,1、勤作笔记，做好笔记; 2、注意了解和掌握腐蚀发生的条件过程和机理 ；采取有效手段和措施来预防和控制材料的腐蚀; 3、认真完成作业； 4、希望大家做好课前预习，积极参与课堂讨论！ 5、课程成绩：20%（平时出勤作业）+ 80（期末成绩）,注意事项,本课程的主要内容,第1章 绪论（2h) 第2章 腐蚀的电化学理论基础(4h) 第3章 高温氧化和热腐蚀(2h) 第4章 金属材料的腐蚀理论(6h) 第5章 无机非金属材料的腐蚀(2h) 第6章 材料在环境
3、中的腐蚀(4h) 第7章 材料的耐蚀性(2h) 第8章 材料的防护概述(2h),学习目标,(1)掌握材料腐蚀的有关理论、讨论金属腐蚀的 现象和规律，特别是关于电化学腐蚀的基础理论， 并且应用这些理 (2)熟悉金属各种腐蚀的机理和特点，进而了解其影响 因素和防护措施。 (3)弄清常用防护方法的种类、特点和使用条件。 (4)掌握常用金属材料的耐蚀性能及热处理对其耐蚀性 能的影响。,教材和参考书,教材,1,2,参考书目,孙秋霞，材料腐蚀与防护，冶金工业出版社，2001,刘道新，材料的腐蚀与防护，西北工业大学出版社，2006,1,2,3,4,5,6,7,8,金属腐蚀学，刘秀晨、安成强，国防工业出版社，
4、2002,悄悄进行的破坏：金属腐蚀，曹楚南，2000,金属的腐蚀与防护，赵麦群、冯拉骏，国防工业出版社，2002,金属腐蚀学，杨德钧、沈卓身，冶金工业出版社，1999,金属腐蚀理论及应用，魏宝明，化学工业出版社，1984,腐蚀与防护手册 第1卷 腐蚀理论、试验及监测 ，化学工业出版社，2009,材料腐蚀与控制，白新德，清华大学出版社，2005,材料腐蚀通论：腐蚀科学与工程基础，翁永基，石油工业出版社，2004,学科特点,交叉性 综合性 复杂性 多学科,材料腐蚀科学/ 防护技术,材料科学,金属学,工程力学,物理化学,电化学,计 算 机,数 理,化 学,生 物,表面科学,固体物理,无机材料,腐蚀科
5、学技术发展简史,U.R.Evans(英)现代腐蚀科学奠基人 A.H.pymkinh (苏) P.B.Akumob (苏) M. Pourbaix (比) 现代腐蚀科学作出卓越贡献 H. Ulihg (美) C.Wagner (德) T.P.Hoar (英),50年代 腐蚀与防护分组，列入国家发展规划 60年代国务院学科组，制定学科发展规划，列入重点学科 70年代中国腐蚀与防护学会 80年代中国科学院腐蚀与防护研究所 现从事材料腐蚀与防护高校，研究所有数十家，学者及工程师达数千人。,世界著名腐蚀学术与研究机构,我国腐蚀学术和研究机构,国际腐蚀期刊,国内相关期刊,中国腐蚀与防护学报 腐浊科学与防护
6、技术 材料保护 腐蚀与防护 表面技术 表面工程 化学清洗 石油化工腐蚀与防护 四川化工与腐蚀控制,化工设备与防腐蚀 全面腐蚀制 装备与环境工程 现代涂料与涂装 中国涂料 涂料工业,腐蚀会议,世界腐性界学术水平最高、范围最广、影响最大的国际性腐蚀科学领域的系列会议，受到各国政府有关部门和学术界的高度重视。 立会宗旨 在世界范围内推广腐蚀科学和防腐蚀工程的研究成果； 促进各国腐蚀科学工作者之间的合作与联系； 为各国腐蚀科学研究人员及工程人员提供一个相互交流经验、讨论科研成果、发布新发现、新技术的场所； 减少由于缺乏认识，不控制腐蚀问题而造成自然资源和材料的浪费，设备不完全性和降低使用寿命。,国际腐
7、独大会,本章知识构架,绪论,腐蚀基本概念,材料腐蚀的分类,腐蚀速率表示方法,腐蚀的控制方法,电流指标,深度指标,质量指标,材料与腐蚀环境隔绝处理,正确选材和防腐蚀设计,电化学保护,改变腐蚀环境,第1章 绪论,本章学习目标与要求,掌握目前普遍接受的腐蚀的定义、材料腐蚀的分类方法及相关内容。 掌握质量法、深度法及电流密度法表示材料腐蚀速率的表达式，会对各种表示法进行相互换算，宏观上理解几类常用的防护控制技术。,铁锈的主要成分： Fe2O3XH2O,铜绿的的主要成分： Cu2(OH)2CO3,1. 铁锈和铜绿,腐蚀与防护实例,腐蚀与防护实例,有金属（材料）存在的地方就会有腐蚀问题悄悄进行的破坏,腐蚀
8、与防护实例,例：油气工业采集和输送过程中使用大量弯头、三通等复杂部件，其多以高温高压流体的冲刷腐蚀失效为主,水下油气田生产设施,油气田中出现的冲刷腐蚀失效,腐蚀与防护实例,该剑1965年冬出土于湖北江陵望山一号楚墓内棺中，位于墓主人的左侧，出土时插在髹漆的木质剑鞘内。越王勾践剑是采用青铜铸造而成. 这已经为现代科学分析所证实。 该墓的墓室曾经长期被地下水浸泡，地下水酸碱性不大，基本上为中性。地下水浸泡后，墓室内空气的含量更少，剑隔绝氧气是其不锈的主要原因。,2. 越王勾践剑为何千年不锈？,越王勾践剑,现藏于湖北省博物馆,腐蚀与防护实例,1.1 腐蚀的基本概念,50年代，腐蚀的定义仅指金属的腐蚀
9、： “金属与周围介质（主要是液体和气体）发生化学反应、电化学反应或物理溶解而产生的破坏。” 50年代后，随着非金属材料的发展，腐蚀定义扩大到所有的材料: “材料与周围环境（介质）之间发生化学或电化学作用而引起的变质和破坏”,非金属材料,塑料发胀或开裂 木头干裂或腐烂 花岗岩风蚀,一、直接经济损失 更换被腐蚀的结构、机械和其他零部件所需费用 材料、构件、设备的直接腐蚀破坏；防止腐蚀或延缓腐蚀的投入（高耐腐蚀材料、表面处理、涂覆、电化学保护、环境介质处理等），可估算。 据国际权威统计 -金属年产量的1/3受腐蚀报废，其中2/3尚可回炉, 即约10金属永久腐蚀损失。 全世界金属产量约为10亿吨，损失
10、1亿吨/年 我国金属年产量达1亿吨，损失0.1亿吨/年 据权威报告 (英国Hoar报告和美国NBS报告)估计： 每年因腐蚀造成的经济损失占国民经济总值2-4%,1.2 研究材料腐蚀的重要性,表1. 工业发达国家1984年腐蚀损失统计,表2. 美国腐蚀损失逐年增加,人均损失：1100美元/人.年 3000亿中2000亿美元可避免,美元（亿）,1995年,1.2 研究材料腐蚀的重要性,国外腐蚀损失调查结果,2004年公布数据,1.2 研究材料腐蚀的重要性,局部地区行业（化工机械）调查 腐蚀损失达4%GNP。 国家科委对化工调查 1980年腐蚀损失为3.9% GNP 专家估计 我国每年腐蚀损失约40
11、00亿元。 应用现有技术可挽回30损失（1200亿元） 沿海或海岛城市的腐蚀比内陆城市的腐蚀严重5-10倍。 材料腐蚀破坏造成的损失所有自然灾害造成的损失。,我国状况,1.2 研究材料腐蚀的重要性,二. 间接经济损失,难以估计,一般包括：停工停产、泄漏导致成品流失、产品质量下降、突发事故、技术故障。 电厂锅炉一根热交换管价值不高，但因为腐蚀引起爆炸可导致停电，使大片工厂停工停产，损失巨大。 金属结构远比金属材料昂贵， 如汽车、船舶、飞机、精密仪器、大规模集成电路等腐蚀破坏造成的损失更为惨重 间接损失难估算，间接损失直接损失。,1.2 研究材料腐蚀的重要性,三、人身伤亡和环境污染,1966年某天
12、然气井的套管发生硫化物应力腐蚀开裂，造成井喷和特大爆炸，人员伤亡，日产百万立方米的高产气井报废。 1970年,日本大阪地下铁路的管道腐蚀折断,造成瓦斯爆炸,乘客当场死亡75人。 1979年,我国某市液化石油气罐由于腐蚀爆炸起火,伤亡几十人。 1985年日本的一架波音747客机，由于应力腐蚀断裂而坠毁，死亡500余人。,1.2 研究材料腐蚀的重要性,1.2 研究材料腐蚀的重要性,腐蚀损失最严重的四个部门是运输、海洋、建筑和石化，分别占整个腐蚀损失的25.64%、20.51%、18.32%和13.19%，合计77.66%。其它部门（包括食品、冶金、加工、动力、供水、政府部门等） 仅占22.34%。
13、 近期美国的统计数据表明，每年因陶瓷材料腐蚀造成的经济损失已达10亿美元。,1.2 研究材料腐蚀的重要性,4.阻碍科技和国防事业发展,由于合成塔的腐蚀问题,合成尿素新工艺的应用被推迟了38年。,1951年法国的拉克气田因设备的应力腐蚀开裂没有得到解决，推迟到1957年才全而开采。,美国的阿波罗登月飞船贮存N2O4的高压容器曾发生应力腐蚀开裂,加入0.6%NO之后才得以解决,否则该计划会推迟若干年。,在航天飞机研制过程中，一个关键问题是如何防止再人大气层时因高速飞行的气动力热引起的机体外表面高温氧化(温度达1900CT仅当采用硅瓦做表面防护层后。此计划方得以实现。,我军某舰载直升机的服役寿命不到
14、陆上的20%:某型飞机不适应我国海南的湿热环境，出勤率低于20%,1.2 研究材料腐蚀的重要性,1.2 研究材料腐蚀的重要性,5.资源和能源的浪费,腐蚀不仅浪费了材料资源，而且也耗费了生产材料时所需要的能源和水源等。例如，把铁矿石冶炼成l、钢铁所耗电能，以英国消费水平推算。足够一般家庭3个月生活的使用。因此，腐蚀造成的能源损失也是巨大的。根据目前这些金属的消耗速度，有人估计一些矿物可供开采的年限如下图所示,腐 蚀,非金属腐蚀,化 学 腐 蚀,电 化 学 腐 蚀,全 面 腐 蚀,局 部 腐 蚀,机 理,破坏 特征,腐蚀 环境,大 气 腐 蚀,土 壤 腐 蚀,电 解 质 溶 液 腐 蚀,熔 融 盐
15、 中 的 腐 蚀,高 温 气 体 腐 蚀,应 力 腐 蚀,疲 劳 腐 蚀,磨 损 腐 蚀,小 孔 腐 蚀,晶 间 腐 蚀,缝 隙 腐 蚀,电 偶 腐 蚀,氢 脆,金属腐蚀,炼铁、炼钢过程,腐蚀过程,钢铁（不稳定）,矿石（稳定）,磁铁矿：Fe3O4,赤铁矿：Fe2O3,（1）自发性,能量差 腐蚀驱动力,1.2 腐蚀的特点,（2）普遍性 纯金属最低能级状态一般为其化合物 （除Au、Pt） 普遍存在的空气和水 是两类主要腐蚀环境（O2、H+）,1.2 腐蚀的特点,（3）隐蔽性 发展速度缓慢 不锈钢在海水中点蚀：10年孕育期 表现形式不易被发觉 生锈：容易观察 应力腐蚀断裂：表面光亮如新内部满布裂纹,
16、1.2 腐蚀的特点,能使金属不腐蚀吗,看到金属腐蚀所造成的损失如此巨大，人们不禁要问：能不能找到一个有效的办法使得所有的金属永不腐蚀呢? 回答是否定的：不可能使所有金属永不腐蚀。 为什么?因为热力学第二定律不允许这样。 腐蚀学的任务就是研究材料腐蚀过程和寻找有效的控制腐蚀的方法。,1.2 研究材料腐蚀的重要性,(1) 按腐蚀机理分类,电化学腐蚀 金属腐蚀的氧化、还原反应存在于两个同时进行却又相对独立的过程。发生氧化反应的过程称为金属的阳极过程，发生还原反应的过程称为阴极过程。,化学腐蚀 氧化剂直接与金属表面的原子接触、化合，形成腐蚀产物，即氧化、还原反应在反应粒子接触的瞬间直接在反应点上完成。
17、这种腐蚀所引起的金属破坏称为化学腐蚀。,物理溶解腐蚀金属因单纯的物理溶解作用引起的损坏。例如用来盛放熔融锌的钢容器，由于铁被液态锌所溶解而损坏。,1.3 腐蚀的分类及腐蚀形式,2. 按腐蚀破坏的形貌特征分类,1) 全面腐蚀 腐蚀分布在整个金属截面，结果使金属结构截面尺寸减少，直至完全破坏。阴、阳极区交替发生，不可区分。碳钢在强酸、强碱溶液中发生的腐蚀，钢材在大气中的锈蚀等均属于全面腐蚀。,2)局部腐蚀 腐蚀作用在金属表面的局部区域，而其它大部分表面几乎不腐蚀或腐蚀很轻微。阴、阳极区明显可分。按腐蚀发生的条件、机理特征，可将其分为： 点腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、 选择性腐蚀、应力腐蚀断
18、裂、腐蚀疲劳及氢脆。,（1）应力腐蚀破裂:内/外应力作用腐蚀开裂，沿晶/穿晶腐蚀开裂; （2）小孔(点腐蚀):腐蚀集中在小点位置，深部发展，可穿孔; （3）晶间腐蚀:腐蚀发生在晶粒边界并沿晶界发展; （4）电偶腐蚀:不同电极电位金属接触，某金属优先快速腐蚀; （5）缝隙腐蚀:腐蚀选择地发生在缝隙内或结构隐蔽位置; （6）选择性腐蚀:合金中某些组分优先溶解，如黄铜脱锌。 （7）氢脆:H原子渗入金属内部，金属变脆，应力下发生脆裂。,1.3 腐蚀的分类及腐蚀形式,1.3 腐蚀的分类及腐蚀形式,金属各种腐蚀所占比例,1.自然环境腐蚀 （1）大气腐蚀 最普通的腐蚀 （2）土壤腐蚀 最复杂的腐蚀 （3）水
19、环境（淡水和海水）腐蚀 最苛刻的腐蚀 （4）微生物腐蚀无处不在 2.工业环境腐蚀 （1）在酸性溶液中的腐蚀； （2）在碱性溶液中的腐蚀； （3）在盐类溶液中的腐蚀； （4）在工业水中的腐蚀； （5）在熔盐中的腐蚀； （6）在液态金属中的腐蚀（物理溶解腐蚀）,3.按照腐蚀 环境划分,1) 干腐蚀 金属在干燥环境中的腐蚀，如金属在干燥气体中的腐蚀(氧化)。 2) 湿腐蚀 金属在湿的环境中发生的腐蚀。湿腐蚀根据环境状态又可分为自然环境介质中的腐蚀、工业环境介质中的腐蚀及生物环境腐蚀等。,1.3 腐蚀的分类及腐蚀形式,腐蚀降解 非金属材料的腐蚀降解是指聚合物的分子链被分裂成小分子的腐蚀过程。 典型类型
20、：热降解、氧化降解、机械降解、化学降解。 老化 聚合物或其制品在使用或储存过程中，由于环境(化学介质、热、光、辐射或强氧化性物质)的作用，其性能(如强度、弹性、硬度等)逐渐劣化的现象。 典型类型：光氧老化、热氧老化。 此外，还有微生物腐蚀、磨损腐蚀、空泡腐蚀、冲蚀腐蚀等,非金属材料的腐蚀分类,1.3 腐蚀的分类及腐蚀形式,材料腐蚀重量、厚度、表面状态、力学性能、组织结构及电极过程等发生变化。可表示平均腐蚀率： 1.质量指标V Vw = = ,Vw 腐蚀速率，g/ (m2h) W =W- W0腐蚀前重量W0和腐蚀后重量W的变化量，g S 样品面积 t 腐蚀时间,WW0,St,W,St,1.4 腐
21、蚀速度的表示法,以单位面积金属在单位时间内因腐蚀而造成的重量损失表示。,2.深度指标Vd Vd= VL= = 8.76 VW / (mm/y ),VW 24365,(100)2,L0Lt,t, 材料密度 (g/cm3 ),10,Vd 深度指标的腐蚀速率，毫米/年，L0 腐蚀前深度, Lt 腐蚀后深度，t 腐蚀时间。,VW与VL互换：,1.4 腐蚀速度的表示法,对于高压和处理剧毒、易燃、易爆物质的设备，对均匀腐蚀的深度要求比普通设备要严格得多，选材时要从严选用。,2.深度指标VL,1.4 腐蚀速度的表示法,3. 电流指标icorr,W一腐蚀溶解的质量，g；I电流强度，A；t一通电时间，s；A相对
22、原子质量；F 法拉第（ 96500库仑）或26.8AH，n参加反应的电子数。,根据法拉第定律，腐蚀电极上溶解的物质量与通过电极的电量和参加反应的电子数有关。即,W = ,AIt,nF,VW = 104 =,Aicorr,nF,Aicorr,n26.8,104,g/ (m2h),故腐蚀的电流指标(icorr)即阳极电流密度,ia = V 26.8104A/cm2,n,m,1.4 腐蚀速度的表示法,例如，腐蚀过程的阳极反应为,3. 电流指标ia,Fe Fe2+ + 2e,已知：mFe=55.84g，n=2，设阳极面积S=10cm2，阳极过程的电流强度la =10-3A，则,ia = = 10-4
23、A/cm2,Ia,S,V =,55.8410-4,226.8,104=1.04,g/(m2h),又知，=7.80g/cm3，可得,VL= =1.17mm/y,1.048.76,7.8,1.4 腐蚀速度的表示法,例如：喷涂漆；表面钝化；电镀(在钢铁表面形成铬等耐腐蚀性较强的金属镀层)等。,1、给金属穿上“保护膜”,1.5 腐蚀防护的基本途径,电镀过的自行车车轮,1.5 腐蚀防护的基本途径,镁铝表面钝化,1.5 腐蚀防护的基本途径,在钢铁中加入一定比例的铬和镍（如14%18%Cr，7%9%Ni），改变钢铁内部的组成和结构，可极大程度地提高钢铁抗腐蚀性能，这就是常见的“不锈钢”(合金)。,2、加入其
24、他金属改变其组成,1.5 腐蚀防护的基本途径,不锈钢钢管 不锈钢厨具,1.5 腐蚀防护的基本途径,牺牲阳极的阴极保护法 此法是将活泼金属（如锌或锌的合金）连接在被保护的金属上，当发生电化腐蚀时，这种活泼金属作为负极发生氧化反应，因而减小或防止被保护金属的腐蚀。,3、电化学防护法,运用：在轮船的外壳水线以下处或在靠近螺旋浆的舵上焊上若干块锌块，来防止船壳等的腐蚀。,1.5 腐蚀防护的基本途径,将被保护的金属和电源的负极连接，另选一块能导电的惰性材料接电源正极。通电后，使金属表面产生负电荷的聚积，因而抑制了金属失电子而达到保护目的。此法主要用于防止在土壤、海水及河水中的金属设备受到腐蚀。 例：输油
25、管道深井阳极 外加电流阴极保护,外加电流的阴极保护法,1.5 腐蚀防护的基本途径,需要指出的是，由于任何事物都是一分为二的，腐蚀既有有害的一面，也有有利的一面。腐蚀的有害表现前面已进行了讨论，而利用腐蚀现象进行电化学抛光加工、制备电子产品的印刷线路、腐蚀出金相试样的微观形貌等，均属于腐蚀对人类有利的一面。因此，从科学上深入理解腐蚀的机理，在技术上提出避免腐蚀的有害效应、利用有利效应的措施，就可以最大限度地获得人类所追求的经济效益。,1.5 腐蚀防护的基本途径,一、填空题 1.通常所说的八大局部腐蚀形态是指_、_、_、_、_、_、_、_。 二、名词解释 金属腐蚀、材料腐蚀 三、下列现象是否属于腐蚀，简述原因 升华、聚合物老化、金属表面生锈、金属因磨损失重。 四、计算题 一块锌板，在10cm2面积上流过的阳极电流为1.5 X 10-3A。求一年后该锌板被腐蚀的深度。(以mm表示，已知锌的原子量为65.4，锌的密度为7.1g/cm3) 。 五、思考题 1.以金属腐蚀为例，说明材料腐蚀的分类方法及内容。 2.化学腐蚀和电化学腐蚀的区别和联系是什么? 表示腐蚀速度的方法有哪？它们之间有什么联系? 3.说明常用的材料腐蚀的控制方法。,综合练习,本章结束！,