腐蚀与防护第一章概论ppt课件.ppt

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1、材料腐蚀与防护,Material Corrosion and Protection,通过本课程的学习，要掌握腐蚀的基本原理和基本知识，培养科学的思维方法和分析问题、解决问题的能力，为从事工业设计、生产实践和科学研究打下坚实而宽厚的基础。源头上设计中要考虑腐蚀的问题，谨防出现失败的设计；生产中要及时发现腐蚀的部位、程度以及预防的措施等，谨防造成严重事故；科学研究中重视腐蚀规律的研究与总结，谨防事故的发生。 这门课是初步了解腐蚀的基本概念以及掌握一些防腐手段，以便于大家在以后的学习、工作、生活中对于一些腐蚀现象能给予事先考虑、判断和合理的处置。,教学中各环节互相渗透、互相促进,金属腐蚀理论及腐蚀控

2、制. 龚敏，余祖孝，陈琳. 北京：化学工业出版社, 2009.1材料腐蚀与防护概论. 何业东, 齐慧滨. 北京：机械工业出版社, 2005.2金属腐蚀试验与监测，张远声编著，四川理工学院腐蚀电化学原理第二版. 曹楚南. 北京：化学工业出版社, 2004.4腐蚀破坏事故100例. 张远声. 北京：化学工业出版社, 2000.1,国内主要专业杂志,中国腐蚀与防护学报,腐蚀与防护,腐蚀科学与防护技术,四川化工与腐蚀控制,全面腐蚀控制,表面技术,材料保护, Corrosion, Material Performance National Association of Corrosion Enginee

3、rs NACE（美国腐蚀工程师协会）, Corrosion Science, British Corrosion Journal,国外主要专业杂志,老房木板上的生锈的铁钉、铁护栏的生锈、锡罐头盖的生锈、钢筋的锈蚀、轮船设备的锈蚀、腐蚀的自来水管道流出黄色的水、输油输气管道、开水管道、大雁塔广场上铜雕塑上的铜绿、秦始皇的铜车马、兵马俑、银首饰的变色、塑料的硬脆、橡胶轮胎的老化、古籍纸质的发黄变脆、丝绸的化丝、朽木、涂料的褪色、脱落、牙齿的坏烂、石头的风化等等。,第一章 绪论,在外形、色泽以及机械性能等方面都发生一定的变化,一、 腐蚀的危害,造成巨大的经济损失,造成金属资源和能源的浪费,造成设备的

4、破坏事故,阻碍新技术的发展,返回,经济损失包括直接损失和间接损失, 直接损失：防护技术费用、腐蚀破坏后的 维修、更换费用、劳务费用。, 间接损失：腐蚀破坏造成停工、停产；物料流 失；产品污染，质量下降，设备效 率降低，能耗增加；钢材浪费等。,据统计，全世界现存的钢铁及金属设备大约每年腐蚀率为10%，全世界每年因腐蚀损失约高于7000亿美元。世界各发达国家每年因金属腐蚀而造成的经济损失约占其国民生产总值3.54.0，超过每年各项大灾（火灾、风灾及地震等）损失的总和。有人甚至估计每年全世界腐蚀报废和损耗的金属约为1亿吨！所以研究金属腐蚀和防护具有重要意义.,背景,二、腐蚀,2.1 定义：金属材料和

5、周围环境发生化学或电化学作用而破坏。,三个基本要素,腐蚀的对象,腐蚀的性质,腐蚀的后果,出于物理原因造成的破坏不称为腐蚀，而称为磨损或磨耗等等。但实际情况下腐蚀和物理损伤是伴随发生的，物理损伤更是加速了腐蚀的进度。,耐蚀性 指材料抵抗环境介质腐蚀的能力,腐蚀性 指环境介质腐蚀材料的强弱程度,腐蚀过程的本质 腐蚀 金属 金属化合物 冶炼 G0 自发过程 不可逆过程,严格讲，所有环境都有一定的腐蚀性，所以周围介质就称之为腐蚀环境。腐蚀环境对于腐蚀影响很大，如在无氧的盐酸中，铁会发生腐蚀而铜不发生腐蚀；在含氧的盐酸中，铁和铜都会发生腐蚀，但是铁的腐蚀速度大于铜的腐蚀速度。 苛刻的腐蚀环境：高温、高压

6、、交流电场、低温、粉尘、酸、碱、盐等。,腐蚀程度和速度与腐蚀环境、作用时间、材质、结构、化学组成、形状、表面状况、受力情况等密切相关。,腐蚀现象非常普遍，但却非常复杂。 由此而诞生的腐蚀科学是一门高度交叉性的综合学科，涉及化学、电化学、物理学、材料学、表面科学、工程力学、冶金学、生物学等多个学科，它也将随着这些学科的发展而不断发展前进。近年来，腐蚀科学的基础理论研究和应用研究都取得了长足的发展，创造出了巨大的经济效益和社会效益。,普遍性和广泛性：腐蚀无处不在。天上地下、陆上水下；金属、非金属。航天器的生物腐蚀、大气腐蚀；轮船、航空母舰的海水腐蚀。 持续性：腐蚀无时不在。腐蚀的发生是一个持续、累

7、积过程。有可能在无任何征兆条件下突然发生破坏。不是不爆，时候未到！腐蚀在我们身边每时每刻悄悄地发生着，它吞噬着人们的劳动成果，改变了历史的原貌。悄悄进行的破坏金属腐蚀曹楚南院士的科普著作。 非线性：腐蚀的速度并非总是线性过程，会随外界条件的变化而变化。 自发性：腐蚀的发生完全是一个自发过程，就像水向低处流一样。我们控制腐蚀就像要阻止水向低处流。从化学的角度来说就是从不稳定态向稳定态转化的过程。金属的腐蚀是金属提纯的逆向过程。,危害性和严重性：很大。 危害性：腐蚀会影响设备的使用寿命，严重的会危及设备安全及人身安全，因而不可等闲视之。腐蚀造成的直接损失，如人员的伤亡、设备的破坏、装置的损毁等造成

8、直接的经济损失，大家是有目共睹的。但更为重要的是，腐蚀所造成的相关间接损失也非常惊人。如一个电厂由于腐蚀而导致突然停电，将导致大批的工厂的巨大损失。桥梁、压力容器、锅炉、贮有剧毒、放射性物质的金属容器、贮存核废料的金属容器等。腐蚀停车停产该厂经济损失连锁反应其他相关厂经济损失国内的经济损失国际的经济损失总的经济损失。,儿歌: 锈了一枚铁钉，坏了一只蹄铁；坏了一只蹄铁，折了一匹战马；折了一匹战马，损了一员大将；损了一员大将，输了一场战役；输了一场战役，亡了一个帝国。 铁钉帝国 From bad to worse！,据统计，全世界每年因腐蚀而报废的钢材约占钢材年产量的1/4，每年腐蚀的金属超过1亿

9、吨。在这类损失中，约有15只需应用目前已有的防腐蚀技术就可以避免。,1967年12月，美国俄亥俄大桥由于应力腐蚀和腐蚀疲劳突然掉入河中，致使46人丧生。 1982年9月一架日航DC-8喷气客机在我国上海降落时，由于飞机刹车系统的高压气瓶发生应力腐蚀爆炸，致使刹车失灵，飞机冲出跑道，致使数十人受伤。 1980年3月北海油田的亚历山大基兰德号采油平台发生腐蚀疲劳破坏，致使 123人丧生。2004年8月9号，日本美滨核电站3号反应堆涡轮机房配水管发生腐蚀穿孔，引起高温高压水蒸气泄漏，导致4死7伤的生产事故。,严重性：,智者用经验防止事故愚者用事故总结经验,复杂性：腐蚀过程是一个非常复杂的物理、化学过

10、程，涉及化学、电化学、物理学、材料学、表面科学、工程力学、冶金学、生物学等多个学科。现在尽管取得了长足的进步，但还有相当一部分仍旧不明了，还只能靠经验、事后总结。腐蚀的可利用性：集成电路板工业、玻璃雕刻、干电池放电等。（任何事物都有两面性）,历史：春秋战国时期的剑、戟等武器；秦始皇铜车马、青铜器、出土的箭镞毫无腐蚀，研究发现表面用铬酸盐和重铬酸盐处理过，而基体不含铬的氧化物。没有铁器！学科发展： a) 1840年法拉第发现了电化学腐蚀下来的金属的量与通过的电流之间的定量关系，提出了铁形成钝化膜的历程及金属溶解过程的电化学本质学说。 b) 20世纪初，逐渐形成了独立的金属腐蚀学科。特别是英国的科

11、学家、现代腐蚀科学的奠基人埃文斯及其同事对腐蚀学科创建、发展做出了卓越的贡献。 c) 之后，世界各国的腐蚀科学家都对腐蚀学科的发展、完善做出了卓有成效的贡献。,世界范围的发展趋势 随着科学技术的发展和人们对腐蚀问题的日益重视，腐蚀科学作为一门边缘学科已经逐步建立和发展起来。如已经建立了腐蚀的教学、研究机构、腐蚀专著、刊物、文摘、手册、国际腐蚀与防护交流会议、腐蚀工程师协会，腐蚀的理论研究和应用研究发展迅速，新的耐腐蚀材料（合金、非金属）的研究方面也非常活跃，近代新的技术手段引入到腐蚀科学的研究中来，如放射性示踪原子、俄歇电子能谱AES、X射线-光电子能谱XPS、椭圆偏振光测试技术、低频电化学噪

12、音和振幅频谱等等。 腐蚀科学是一门高度交叉性的综合学科，涉及化学、物理学、材料学、表面科学、工程力学、冶金学、生物学等多个学科，它也将随着这些学科的发展而不断发展前进。腐蚀科学的基础理论研究和应用研究都取得了长足的发展，创造出了巨大的经济效益和社会效益。并形成了许多边缘腐蚀学科的分支，如腐蚀电化学、腐蚀工程力学、腐蚀金属学、腐蚀材料学、生物腐蚀学和防护系统工程等。目前腐蚀与防护学科正向更加广泛的科学技术领域中延伸。,我国腐蚀学科的发展：建国初期，国家科委在机械学科内成立了腐蚀与防护分组，在制定国家科技发展规划时，腐蚀科学也被列入发展规划之中。1960年初，国家科委单独成立了国家腐蚀科学学科组，

13、下设机电、化工、海水、土壤、建筑和综合六个分组，召开了多次全国性的腐蚀与防护学术会议。 1960年5月，专业组举办全国第一次腐蚀与防护研究工作会议，制定了“1960年腐蚀和防护研究工作计划”以及“1960-1962三年规划纲要”。 1979年12月成立了中国腐蚀与防护学会，20世纪80年代后成立了国家腐蚀与防护重点19992002年间，柯伟院士负责的中国工程院咨询项目“中国工业与自然环境腐蚀问题调查与对策”调查研究表明，我国因腐蚀造成的直接损失达2000亿元，包括间接损失，总费用达5000亿元，约占国民经济总产值的5%。我国已经成立了国家材料环境腐蚀试验站专家组，批准建立了28个国家材料环境腐

14、蚀野外台站和一个国家综合研究中心，设立国家层面上的腐蚀领导小组，并已将腐蚀与防护问题列入国家中长期经济、国防和科技发展规划。2005年9月，第16届世界腐蚀大会首次在北京进行，我国在腐蚀与防护技术领域的进步已得到世界同行的普遍认可。,举两个例子：说明了早期学科组在设立腐蚀试验站这件事上的高瞻远瞩。宝山钢铁公司在20世纪80年代初在上海宝山县选址建厂设计方所用的土壤腐蚀数据，就是我们1964年布置的土壤腐蚀试验埋藏点的试样提供的。这些数据为宝钢节约了大量的资金。三峡水利工程建设时，用的是早期在三斗坪埋藏点的试样提供的数据。”,世界著名腐蚀学术与研究机构：世界腐蚀理事会：http:/www.icc

15、-net.org欧洲腐蚀联合会：http:/www.efcweb.org中国腐蚀与防护协会：http:/中国化工防腐蚀协会：http:/中国科学院金属研究所：http:/中国科学院海洋研究所： http:/钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所：http:/中船重工725所（腐蚀与防护国防科技重点实验室） ： http:/,腐蚀与材料密切相关。材料是一切工程技术的物质基础。而材料在使用过程中，将遭受不同形式的直接或间接的损坏。 材料的损坏形式是多种多样的，但最重要、最常见的损坏形式是断裂、磨损和腐蚀。而腐蚀是材料特别是金属材料的一种主要的破坏形式。断裂是由于构件所受应力超过其弹性极限、塑性极限而导致的

16、破坏。例如，轴的断裂、钢丝绳的破断等均属此类。但是，断裂的金属构件可以作为炉料重新进行熔炼，材料可以获得再生。 磨损是构件与其他部件相互作用，由于机械摩擦而引起的损坏。例如，活塞环的磨损、机车的车轮与钢轨间的磨损。在很多情况下，磨损了的零件是可以修复的。例如，采用堆焊和刷镀可以修复己磨损的轴。 材料的腐蚀是一个渐变的损坏过程。例如，钢铁的锈蚀就是最常见的腐蚀现象。腐蚀使金属转变为化合物，是不可恢复，不易再生的。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。,只有在搞清楚材料腐蚀的原因的基础上，才能研制适宜的耐蚀材料、涂层及采取合理的保护措施，以达到防止或控制腐

17、蚀的目的。 材料的特性：机械强度、加工成型性、耐蚀性、可塑性（冷拔钢丝、铜丝、锡箔纸）、导热性、导电性等。 每种材料都有不同的力学、化学和物理性能，都有其各自的优缺点。如果不考虑经济因素和可获取性问题，光考虑腐蚀因素的话，可选用最好的材料如金、铂等；但实际选材时要考虑材料的机械强度、耐蚀性、价格、加工成型性、与其他材料的配合性等。因此，正确的选材只能针对一定的使用目的而言。 严格的来说，任何材料在一定的环境下都会产生腐蚀破坏。也就是说，没有一种材料在任何环境下都是耐蚀的。 材料从大的方面分为金属和非金属。化学和冶金学是研究金属腐蚀的两大基础。 非金属材料，常见的有塑料、陶瓷、橡胶、玻璃、木材等

18、，它们一般具有良好的耐蚀性、电绝缘性、材质较轻、加工成型性好等特点，因而在石油化工防腐蚀领域也有十分广泛的应用。它们也存在腐蚀问题。,化学腐蚀与电化学腐蚀的比较,腐蚀按材料从大的方面分为金属腐蚀和非金属腐蚀。 由于金属材料具有较高的机械强度、可塑性、良好的导热性、导电性以及加工成型性等优点，所以在工程材料中得到广泛应用。本门课程主要讲述金属材料的腐蚀。下面就来看看金属腐蚀的分类：,按机理分 化学腐蚀 特征：发生化学反应，无腐蚀电流。如金属和周围介质如：酸、碱、盐、O2、SO2、CO2、水蒸气等直接接触而引起的腐蚀、金属在高温下形成的氧化皮等。 电化学腐蚀 特征：发生电化学反应，有腐蚀电流。如干

19、电池对外供电。实际腐蚀过程绝大多数为电化学腐蚀。,金属腐蚀的分类：,按破坏形式分： 全面腐蚀（均匀腐蚀）：腐蚀在金属表面全面展开。如纯金属在强电解液里的腐蚀。一般，全面腐蚀，开始时腐蚀速率较大。一般，全面腐蚀的危害性较局部腐蚀小，而且可以事先预测。如卫星接收天线锅、暴露在大气中的金属管线等。 局部腐蚀：腐蚀只集中在金属表面的局部区域，其它部分腐蚀很轻微或几乎没有。局部腐蚀的类型很多，如电偶腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀、磨蚀、晶间腐蚀、氢损伤等。局部腐蚀的危害较大，应引起足够的重视。,按腐蚀环境分：大气腐蚀：金属在大气及任何潮湿性气体中发生的腐蚀。最为普遍。电解质溶液腐蚀：酸、碱、

20、盐。污水处理系统中的腐蚀。海水腐蚀：本质还是电解质溶液腐蚀，但是一大类特定类型。海洋工程、海上石油钻采平台、设备、舰船、潜艇、航空母舰、海水换热器等都会遭到海水腐蚀。非电解质溶液溶液腐蚀：金属在不导电的溶液中的腐蚀，如金属在有机液体如酒精、石油中的腐蚀；铝在CCl4、CHCl3、C2H5OH中的腐蚀；Mg、Ti在CH3OH中的腐蚀。土壤腐蚀：供水、供气、供油、供热管网、设备的地埋部分。生物腐蚀：硫酸盐还原菌SRB、腐生菌等对油气管道的生物腐蚀。其它环境下的腐蚀：如高温（100）、高压、熔融电解质溶液等。高温气体腐蚀、发动机、火箭高温废气腐蚀。,腐蚀过程是一个非常复杂的物理化学过程，很难用一个统

21、一的量化标准来衡量、评定材料的耐腐蚀性能。 但为便于比较，对金属材料常根据其腐蚀破坏的形式即全面腐蚀和局部腐蚀来分别对其耐蚀性进行评定。,1. 全面腐蚀 （均匀腐蚀）,评价依据：腐蚀率。腐蚀率：腐蚀的质量指标：以腐蚀前后金属质量的变化表示的平均腐蚀率；单位：g/(m2h)失质腐蚀率K-：适用于腐蚀产物在金属上的附着力小，易清除的场合。增质腐蚀率K+：适用于腐蚀产物在金属上的附着力大，难清除的场合。 如果确切知道腐蚀产物的组成和分子式，失质腐蚀率K-和增质腐蚀率K+可以进行换算。对均匀腐蚀，失质腐蚀率K-和增质腐蚀率K+均可采用。,均匀腐蚀速度的表示方法,失重腐蚀速度V- 单位：gm2 .h,V

22、-与Vp之间的换算,年腐蚀深度Vp 单位：mm/y,返回,腐蚀的深度指标：以腐蚀深度表示的平均腐蚀率；单位：mm/a 腐蚀深度影响构件的整体或局部的减薄程度，直接影响到构件的机械安全性能、使用寿命。 为便于工程选材，常将金属材料的耐蚀性按腐蚀深度指标划分成若干等级。直到目前为止，各国的标准还不统一。我国将金属材料耐蚀性能分为四级标准、美国为六级标准、日本为三级标准、前苏联为十级标准等。,金属的腐蚀深度随时间变化，腐蚀的速度和程度强烈依赖于特定的腐蚀环境，按实验数据或腐蚀手册查到的数据难以精确反映实际情况。所以，实际选材时，应考虑到实际使用期限及环境因素等。并且，各行业对材料性能的评价也不相同，

23、如机械行业和化工行业。 腐蚀裕量：腐蚀裕量=年腐蚀率设计寿命保险系数，保险系数一般取2。如某高压换热器列管直径25mm，取腐蚀裕量0.2mm。 工程实践结论：对于密度相近的金属常采用腐蚀的质量指标；但对于密度不同的金属常采用腐蚀深度指标来表示腐蚀程度。 从腐蚀工程的应用观点来看，腐蚀深度指标更具实用价值，因为其直接影响金属构件的使用寿命及安全状况。,注意：,腐蚀的电流密度指标：电化学腐蚀过程中，腐蚀的速率与腐蚀电流密度icorr成正比，可以腐蚀电流密度表示瞬时腐蚀率；单位：A 1934年法拉第提出通过电化学体系的电量与参加电化学反应的物质的量之间存在2条定量关系： a) 在电极上析出或溶解的物

24、质的量与通过电化学反应体系的电量成正比； b) 在通过相同电量条件下，在电极上析出或溶解的物质的量与其化学当量成正比。 析出或溶解的物质的量 （M相对原子质量；F法拉第常数；n化合价；I电流强度；t通电时间） 1F=96500C；1mol物质=6.0231023个电子；1个电子=1.60210-19C,腐蚀的力学指标：腐蚀前后试样的抗拉强度的变化率表示腐蚀速率。如晶间腐蚀发生时，其强度变化很大。 电阻指标：腐蚀前后试样电阻的变化率表示腐蚀速率。,2. 局部腐蚀 局部腐蚀的破坏形式很多，它们的特点是金属质量变化不大，但其机械强度、物理性能等变化很大。因而，对于局部腐蚀应区别情况分别对待，如孔蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等。,腐蚀的定义腐蚀环境腐蚀的特性腐蚀与防护的发展概况腐蚀的分类腐蚀程度的表示方法,