金属腐蚀学教材课件.ppt
金 属 腐 蚀 学,路民旭 张 雷材料学院腐蚀与防护中心,2,目 录,第一部分 金属腐蚀学 绪论 腐蚀电化学理论基础 全面腐蚀和局部腐蚀 应力作用下的腐蚀 自然环境中的腐蚀 金属的高温腐蚀 第二部分 典型环境中的金属腐蚀与防护 石油天然气生产中的腐蚀与控制 宇航条件下的材料失效 核反应堆材料腐蚀,3,第一章 绪 论,引言 材料腐蚀的定义 材料腐蚀与防护研究的意义 材料腐蚀科学的发展 材料腐蚀的分类 材料防护的基本途径 材料腐蚀科学及防护技术的主要内容,4,引 言,5,腐蚀(corrosion)源于拉丁文“corrdere”，意即“损坏”、“腐烂”20世纪60年代前，材料腐蚀的定义只局限于金属生锈：铁及铁基合金生成以水合氧化铁为主的腐蚀腐蚀的概念逐步涉及到整个材料领域塑料发胀或开裂木头干裂或腐烂花岗岩风蚀水泥剥离脱落,引 言,6,断 裂：强度、力学破坏、瞬间破坏,磨 损：表面、力学-摩擦损坏、缓慢,腐 蚀：表面、化学-力学损坏、不可再生,材料损坏的基本形式,腐 蚀 的 定 义,7,广义的腐蚀,材料在服役损坏过程中，腐蚀与磨损、腐蚀与断裂往往协同进行，甚至三种损坏同时发生。广义的腐蚀包括了腐蚀与磨损、断裂等的协同作用，是一个交叉学科的领域。,腐 蚀 的 定 义,8,腐蚀是材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产生的损坏或变质现象。腐蚀包括化学、电化学与机械因素或生物因素的共同作用。,环境介质：材料-环境交互作用表面/界面现象自发现象材料损伤,腐 蚀 的 定 义,9,腐蚀现象的本质,干电池,潮湿大气中腐蚀的钢板,10,（1）自发性,腐 蚀 的 特 点,11,（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+）,腐 蚀 的 特 点,12,（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、内部慢布裂纹,腐 蚀 的 特 点,13,材料腐蚀给国民经济带来巨大损失 腐蚀事故危及人身安全 腐蚀造成资源和能源的浪费 腐蚀引起环境污染,腐蚀的危害,腐 蚀 与 防 护 的 意 义,14,1 钢铁工业腐蚀掉如此多的钢铁,每年腐蚀：大约1020的金属年产量 2003年钢产量 世界：9.625亿吨 中国：2.2亿吨美国：0.914亿吨 世界每年腐蚀掉的钢 美国的钢产量； 中国一年被腐蚀掉的钢 = 一个大型钢铁企业的年产量,腐蚀造成的危害,15,2 交通运输： 铁轨、机车部件的腐蚀和磨蚀； 飞机零部件的高温腐蚀和应力腐蚀； 船舶在海洋环境中的腐蚀；,腐蚀造成的危害,16,海洋环境中：海水腐蚀介质、海洋大气腐蚀介质、海水冲刷、 复杂波动载荷等；船舶腐蚀：船体锈蚀、螺旋桨叶片电偶腐蚀、水线腐蚀、应力腐蚀等。,腐蚀造成的危害,17,3 能源电力：水电有水轮机组的腐蚀、叶片空蚀； 火电有锅炉和管道的腐蚀； 核电站高温、辐照、液态金属等腐蚀； 煤矿安全； 油气开采和运输造成设备和管道的腐蚀。,腐蚀造成的危害,18,电力：高温、高压、高流速、高转速锅炉、汽轮机、凝汽机、发电机、加热器、水泵、管道,100万kw的电站：腐蚀 停运几万美元/天过热器管腐蚀泄漏：蚀坑（针孔10mm）原因：锅炉停用时大气腐蚀造成局部锈点；锅炉运行时锈点处高温腐蚀,腐蚀造成的危害,19,煤矿：井下潮湿，水质变化大氧气充分，多含SO2、CO、甲烷井下设备磨损严重,煤矿井筒装备：腐蚀速率0.17-0.25mm/y，平均寿命15年； 排水管、离心泵在酸性井下水中的腐蚀； 钢轨、金属支柱、支架的磨损和腐蚀,腐蚀造成的危害,20,石油天然气开采、集束和输运： 油气田：O2、CO2、H2S、 地层水的腐蚀； 长输管道：内部多相流动腐蚀、外部土壤、微生物腐蚀 海洋平台、海底管道,腐蚀造成的危害,21,塔里木油田某井油管腐蚀形貌图,腐蚀造成的危害,22,含硫输气管线沿着焊缝开裂失效,城市天然气管道由于腐蚀造成的泄漏和爆炸,腐蚀造成的危害,23,4 化工工业（石化、造纸等） 金属腐蚀造成设备的跑、冒、滴、漏可造成大量有毒的物质泄漏，污染环境，危害人民的健康。 化工设备：管道、锅炉、储存、阀门、冷凝；,腐蚀造成的危害,24,6 机械电子产品；,腐蚀造成的危害,25,7 民生：自来水管的锈蚀；8 环境污染,腐蚀造成的危害,26,国外腐蚀损失调查结果,腐蚀造成的危害,27,材料腐蚀带来的经济损失约占国民生产总值的1.84.2,1975年美国,腐蚀防护的意义,28,通过普及腐蚀与防护知识，推广应用先进的防腐蚀技术，腐蚀造成的经济损失可减少3040。,腐蚀损失与防护间关系的示意图,腐蚀防护的意义,29,腐蚀防护的意义,30,腐蚀防护的意义,不锈钢的发明和应用： - 硝酸和合成氨工业的发展,美国阿波罗登月计划： 6%NO缓蚀剂避免储存N2O4推进剂高压容器的应力腐蚀破裂,美国用30年（1947-1976）时间研究熔盐原子能反应堆，但由于裂变产物对材料的腐蚀难以解决而放弃,31,材料腐蚀科学技术的发展,春秋战国,青铜剑、箭镞 含铬表面涂层 大漆 防腐涂料,32,罗蒙诺索夫金属的氧化（质量不灭定律推翻了“热素”说）1790 凯依尔铁在硝酸中的钝化 德.拉.里夫金属腐蚀微电池1833 法拉第电解定律腐蚀量化计算 热镀锌保护钢板获得专利1881 卡杨捷尔金属在酸中的溶解动力学 镍、铬不锈钢开始获得实际应用,材料腐蚀科学技术的发展,1920- 伊文思腐蚀极化图瓦格纳混合电位理论 布拜电位-pH图 尤里格、方坦纳、阿基莫夫、费鲁姆金,33,材料腐蚀学科的新发展,新机遇：先进的研究手段（HRTEM、AFM、XPS） 新材料和新的制备、加工技术新挑战：服役环境更加苛刻 腐蚀机理的需要深入研究 新材料的腐蚀与防护,材料腐蚀科学技术的发展,34,材料腐蚀学科的地位,发达国家：科研实力强、科研人员多、科研投入大 美国腐蚀工程师协会（NACE）经费投入几十亿美元/年 我 国：研究机构多（各高校、中科院研究所） 石油天然气开发、石油化工、化学工业、 船舶制造、航空航天、核能工业,35,材 料 腐 蚀 的 分 类,工业环境中的腐蚀,自然环境中的腐蚀,生物环境中的腐蚀,大气腐蚀土壤腐蚀淡水和海水腐蚀微生物腐蚀,酸、碱、盐溶液中的腐蚀工业水中的腐蚀熔盐中的腐蚀石油天然气的腐蚀液态金属的腐蚀宇航环境核工业环境,按材料所在环境,36,大气腐蚀,大气腐蚀所造成的金属损失，约占金属总腐蚀量的50以上大气腐蚀是金属表面处于薄层电解液下的腐蚀，腐蚀过程服从电化学腐蚀的一般规律,37,土壤腐蚀,土壤是由土粒、水、空气、有机物等气、液、固多种组分构成的复杂的多相体系大多数金属在土壤中的腐蚀为氧的去极化腐蚀,38,海水腐蚀,海水中含有大量氯离子，它能破坏钝化膜，不锈钢在海水中也要遭到严重的局部腐蚀海水的导电性好，腐蚀过程的电阻滞小，电偶腐蚀的影响范围大如不加防护措施的话，海水中的青铜螺旋桨可引起远达数十米处钢质船壳的腐蚀,39,微生物腐蚀,微生物的新陈代谢会产生酸、硫化物、氢等，能增加环境的腐蚀性可促进腐蚀的电极反应动力学过程改变金属周围氧的浓度，形成了氧浓差等局部腐蚀电池破坏保护性覆盖层或缓蚀剂的稳定性,局部腐蚀,全面腐蚀,均匀腐蚀不均匀腐蚀,按材料腐蚀形态,点蚀（孔蚀）缝隙腐蚀及丝状腐蚀电偶腐蚀（接触腐蚀）晶间腐蚀选择性腐蚀,41,局部腐蚀(点蚀) 均匀腐蚀,全面腐蚀与局部腐蚀,42,点蚀（孔蚀）,主要集中在某些活性点上，不断向金属内部深处发展通常其腐蚀深度大于孔径，严重时可使管道或设备穿孔表面上可观察到许多斑点点蚀还可诱发成其它形式的腐蚀，如应力腐蚀破裂和腐蚀疲劳等,43,晶间（界）腐蚀,腐蚀首先在晶粒边界发生，并沿着晶界向纵深发展由于合金元素在晶粒边界的富集或贫化，或者由于晶粒边界存在杂质所引起有拉应力的情况下，这种腐蚀更加危险高强度合金及不锈钢就容易产生晶界腐蚀,44,选择性腐蚀,合金中的某一组分由于腐蚀，优先地溶解到电解质溶液中去，从而造成另一组元素富集在金属表面上例如，铸铁在介质中，铁素体被溶解，碳化物和石墨在表面积累灰口铸铁在土壤、矿石、盐水等环境中使用时常发生选择性腐蚀,应力腐蚀开裂腐蚀疲劳磨损腐蚀（冲击、振动）氢致腐蚀空泡腐蚀,电化学腐蚀,化学腐蚀,：高温氧化,按腐蚀反应机理,电化学作用,电化学+机械作用,电化学+生物作用,物理溶解腐蚀,：Fe在液体钠中的腐蚀,46,应力腐蚀开裂,在机械应力与腐蚀介质共同作用下，在远低于屈服强度的条件下，发生突然的、没有形变预兆的腐蚀破坏,腐蚀疲劳,当交变应力与腐蚀介质共同作用下，产生的脆性断裂作用金属的疲劳极限大大降低，因而会过早地破裂,电化学+机械作用,47,磨损腐蚀,电化学腐蚀和机械磨损同时存在，两者互相加速造成的破坏比单纯腐蚀或单纯磨损要大得多,氢腐蚀,金属由于不恰当的酸洗、电镀、阴极保护，使表面有氢产生降低了金属原子之间的结合强度，使材料变脆,电化学+机械作用,48,各种腐蚀所占比例,49,提高材料本身的抗蚀性： 材料的热力学稳定性 控制腐蚀动力学改变环境： 介质温度与流速，介质中O2 、 SO2含量，改变溶液pH值，改变应力状态，加入缓蚀剂等电化学保护： 阴极极化降低氧化反应速度 阳极钝化防腐,腐蚀防护的基本途径,50,采用涂镀层和表面改性：化学转化膜、金属涂镀层、非金属涂层、改变材料表面结构将材料与腐蚀介质隔开：采用衬里、防锈油、防锈纸等正确选材与合理设计腐蚀与防护的管理与教育,腐蚀防护的基本途径,51,材料腐蚀与防护的主要内容,腐蚀原理：金属腐蚀电化学理论基础腐蚀分类：全面腐蚀和局部腐蚀应力腐蚀：应力作用下的腐蚀自然腐蚀：在各种自然环境中的腐蚀高温腐蚀: 在高温条件下的腐蚀防护途径：金属材料腐蚀防护的主要方法几种典型环境下的腐蚀介绍,
