金属在各种环境中的腐蚀.ppt
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1、第四章 金属在各种环境中的腐蚀,材料科学与工程学院金属材料系,4.1、金属在大气中的腐蚀,金属在大气自然环境条件下发生腐蚀的现象称为大气腐蚀。金属暴露在大气中要比暴露在其他腐蚀介质中的机会多,大气腐蚀是金属腐蚀中最普通的一种。然而,由于决定腐蚀反应动力学因素的复杂性,至今对它的了解还不是十分清楚。大气腐蚀基本上属于电化学腐蚀范畴。它是一种在液膜下的电化学腐蚀,但和浸在电解质溶液中的腐蚀有所不同。,大气的主要成分:大气的次要成分(杂质)。在大气中,普遍存在的腐蚀成分是氧、水蒸气、二氧化碳。氧的含量基本保持不变,而且是大量的,它真正的参与腐蚀反应。水和二氧化碳的含量随气候和地理位置的变化而变化。相
2、对湿度:空气中水蒸气含量与同温度下饱和水蒸气含量的比值的百分数。空气的相对湿度对金属的大气腐蚀有重要的影响。,大气的近似组成(不包括杂质)温度10oC,压力100KN/m2,根据Meetham.转引自 Corrosion 上卷 P2.4,大气杂质的典型浓度,根据Meetham.转引自Shreir ed.,金属表面上的水膜,金属表面上的水膜对大气腐蚀起着关键性作用。当空气湿度达到100%,形成肉眼可见的水膜。当空气的相对湿度低于100%,金属表面也可能形成水膜,其原因有三:毛细凝聚 化学凝聚 吸附凝聚 金属表面上形成的水膜并不是纯净的水。因此,大气腐蚀属于电化学腐蚀范畴。,大气腐蚀的特点,大气腐
3、蚀速度与金属表面水膜厚度的关系,I区为金属表面上有几个分子层厚的吸附水膜,没有形成连续的电解液,相当于“干氧化”状态,发生纯化学腐蚀。II区对应于“潮大气腐蚀”状态,出于电解液膜的存在,开始了电化学腐蚀过程腐蚀速度急剧增加。III区为可见的液膜层,III区相当于“湿大气腐蚀”。随着液膜厚度进一步增加,氧的扩散变得困难,因而腐蚀速度也相应降低。液膜更厚就进入IV区,这与浸泡在液体中的腐蚀相同。一般环境的大气腐蚀大多是在II、III区进行的,随着气候条件和相应的金属表面状态的变化,各种腐蚀形式可以互相转换。,大气腐蚀的三种类型,(1)干的大气腐蚀 当空气十分干燥,金属表面上不存在水膜金属的腐蚀属于
4、常温氧化。(2)潮的大气腐蚀 当Rh100%,在金属表面上存在肉眼不可见的薄液膜,随水膜厚度增加,V-迅速增大。(3)湿的大气腐蚀 当Rh100%,金属表面上形成肉眼可见的水膜,随水膜厚度增加,V-逐渐减小。,大气腐蚀的特点,氧分子还原反应速度较大,成为主要的阴极过程。即使液膜呈酸性,氧分子还原反应仍占阴极过程的主要地位。在薄的液膜下氧容易到达金属表面,有利于金属钝化;潮的大气腐蚀受阳极极化控制,湿的大气腐蚀受阴极极化控制由于水膜薄,腐蚀过程的产物仍留在水膜中,因此腐蚀产物的性质对大气腐蚀过程有重要影响。,302010,50 100 150 200,1.21.00.80.60.40.2 0,0
5、 200 400 600,析出H2或吸收O2的体种,(cm3/dm2),镁在全浸,蒸镏水薄膜和洁净大气条件下腐蚀时的氢去极化及氧去极化 全浸 薄水膜 大气腐蚀 氧去极化 氢去极化(根据ToMawoB),150150120906030,氧扩散层厚度(),氧还原反应速度(mA/cm2),水膜厚度(),铜表面上水膜厚度(0.1NNacl)与氧还原反应速度及氧扩散层厚度的关系 氧还原反应速度 氧扩散层厚度(根据 Po3eHeb4),1,2,1,大气腐蚀的影响因素,(1)气候条件:湿度;降水量;温度;日照量(2)大气污染物质 SO2:能强烈促进钢铁的大气腐蚀 盐粒:溶解于金属表面水膜,增加吸湿性和导电性
6、,氯离子还具有强腐蚀性。烟尘:烟尘落在金属表面,能吸附腐蚀性物质(如炭粒),或者在金属表面上形成缝隙,增加水汽凝聚(如硅质颗粒)。,大气腐蚀,120100806040200,20 40 60 80 10,暴露55天,腐蚀增量,相对湿度(%),铁的大气腐蚀速度与相对湿度的关系,(大气中含0.01%so2)暴露55天的结果,30 50 60 80 90 99,相对湿度逐渐增大(到99%)空气中杂技对抛光钢试样大气腐蚀速度的影响,1208040,E烟尘颗粒+0.01%SO2,D硫铵颗粒+0.01%SO2,C含0.01%SO2 无颗粒,B含硫铵颗盐粒 无SO2,A纯净空气,(1)各种金属耐大气腐蚀性能
7、 普通碳钢在潮湿和污染大气中很容易生锈,须使用油漆涂料之类的覆盖层进行保护。含铜、磷、铬、镍的低合金钢有良好的耐大气腐蚀性能。当大气污染严重时,不含钼的奥氏体不锈钢也会产生锈点。有色金属铝、铜、铅、锌有良好耐大气腐蚀性能,但当存在污染物质时,腐蚀速度增大。,防锈,涂料和金属镀层,对于机器设备和管道的外表面,构件和建筑物,最常用的防锈方法是油漆涂料覆盖层。化工大气防腐蚀涂料包括各色环氧树脂漆,各种过氯乙烯漆,各色乙烯漆,有机硅耐热漆,铝粉漆,各色聚氨酯漆等。金属镀层用得较多的是钢管和部件镀锌、镀镉和镀铬。,金属制品在加工,贮存和运输中的防锈,1、降低空气湿度 2、暂时性防锈层“暂时”并不是指时间
8、短,而是指金属制品在连续加工或使用时可以顺利地将防锈材料除去。防锈水 防锈切削液 防锈油和防锈脂 防锈塑料 气相缓蚀剂(简记为VPI或VCI),4.3、海水腐蚀与海洋设施防护,海水的组成和性质 海水近似看做3%或3.5%的氯化钠溶液。几乎含有地壳中所有的自然状态的元素。海水的pH值在7.2 8.6,呈微碱性。海水的温度在 2 35C之间。海水导电性强 海水中含氧量大,表层海水可以认为被氧饱和。随温度变化,氧的含量在5 10mg/L范围。,距试样上端距离(米),美国耐海水钢Mariner与碳钢的试验结果(九年暴露),6 5 4 3 2,海泥区,Mainer钢碳钢,全浸区,飞溅区,潮汐区,0.61
9、.21.82.43.13.74.34.95.56.1,海水腐蚀的特点,由于海水导电性好,腐蚀电池中的欧姆电阻很小,因此异金属接触能造成阳极性金属发生显著的电偶腐蚀破坏。海水中含有大量氯离子,容易造成金属钝态局部破坏。碳钢在海水中发生吸氧腐蚀,凡是使氧极限扩散电流密度增大的因素,如充气良好,流速增大,都会使碳钢腐蚀速度增大。海洋环境的腐蚀分为几个区域。,船舶和海洋设施的保护,(1)材料 低合金海水用钢与碳钢的比较,环 境,(2)设计和施工 在选材、设计和施工中要避免造成电偶腐蚀和缝隙腐蚀。与高流速海水接触的设备(泵、推进器、海水冷却器等)要避免湍流腐蚀和空泡腐蚀(3)涂料保护(4)阴极保护 阴极
10、保护与涂料联合应用是最有效的防护方法。现在海洋船舶、军舶普遍采用这种防护方法。,4.3、土壤腐蚀与地下金属管道保护,土壤的腐蚀性(1)土壤是土粒、水和空气的混合物。由于水中溶有各种盐类,故土壤是一种腐蚀性电解质,金属在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀。(2)土壤中含有多种无机物质和有机物质,这些物质的种类和含量既影响土壤的酸碱性,又影响土壤的导电性。土壤是不均匀的,因此长距离的地下管道和大尺寸的地下设施,其各个部位接触的土壤的结构和性质可能有较大的变化。土壤中还有大量微生物,对金属腐蚀能起加速作用。,I:土壤孔隙中氧的对流迁移区;II:土壤孔隙中氧的扩散迁移区;III:液膜或腐蚀产物中氧的扩散迁移区
11、;,氧在土壤中向被腐蚀金属表面的输送过程 根据ToMamoB 引自 P369,土壤,O 大气,金属,影响土壤腐蚀性的因素,主要因素有:含水量、含盐量、pH值、电阻率。土壤含水量既影响土壤导电性又影响含氧量。氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响。土壤愈干燥,含盐量愈少,土壤电阻率愈大;土壤愈潮湿,含盐量愈多,土壤电阻率就愈小,随电阻率减小,土壤腐蚀性增强。pH值愈低,土壤腐蚀性愈强。,土壤腐蚀的特点,(1)、阴极过程 主要是氧分子还原反应。土壤的结构和湿度(透气性)决定了氧的输送速度,从而决定了阴极反应速度。(2)、阳极过程 在中性和碱性土壤中,腐蚀产物与土壤粘结在一起,形成一种紧密层,使阳极过程
12、受到阻碍,对金属起到保护作用。,(3)、控制特征,对微电池腐蚀,在干燥疏松土壤中,氧容易透过,阴极反应容易进行;而铁可以转变为钝态,阳极反应阻力大,故腐蚀属于阳极极化控制。在大多数土壤中,氧的输送都比较困难,阴极反应阻力大,腐蚀属阴极极化控制。大电池腐蚀情况,如果阴极区与阳极区距离较远,欧姆电阻有重要作用,腐蚀过程属于阴极极化和欧姆电阻混合控制。,土壤腐蚀的几种常见形式,(1)全面腐蚀 对于小的金属制品,全面腐蚀是主要的腐蚀形态。对于大型设备,长距离管道,以大电池造成的局部腐蚀为主。(2)氧浓差电池腐蚀 富氧区和贫氧区接触的金属部分组成氧浓差电池,富氧区接触的金属表面为阴极;贫氧区接触的金属表
13、面为阳极。,钢铁发生氧浓差电池腐蚀的极化图,富氧区阳极极化曲线较陡,Pa较大,因而贫氧区腐蚀电流较大。,(3)杂散电流腐蚀,杂散电流是指直流电源设备漏电进入土壤产生的电流,对地下管道、贮罐、电缆等金属设施,造成严重的腐蚀破坏。杂散电流流出的部位成为腐蚀电池的阳极区,金属发生氧化反应转变为离子进入土壤。腐蚀掉的金属量和流过的杂散电流的电量成正比,可以按法拉弟电解定律进行估算。,从电车轨道漏出的杂散电流对土壤中钢铁管道的腐蚀作用图解根据 Akumob引自金属腐蚀理论及其研究方法P133,电车,电流流出,轨道,阳极区域(严重腐蚀),阴极区域,架空线,(4)、细菌腐蚀或微生物腐蚀(MIC),细菌在腐蚀
14、过程中的作用包括:有的细菌的生命活动的代谢产物具有很强的腐蚀性。有的细菌的生命活动能促进金属腐蚀的阴极反应,影响电极反应动力学过程。有的细菌活动改变了金属周围的环境条件,如氧浓度,盐浓度,pH值,增加土壤的不均匀性。有的细菌活动能破坏金属表面保护性覆盖层的稳定性,或使缓蚀剂分解失效。,土壤腐蚀中常见的细菌,硫氧化菌 与腐蚀有关的硫氧化菌主要是硫杆菌属的细菌,包括氧化硫杆菌,排硫杆菌和水泥崩解硫杆菌。它们属于喜氧性细菌,在有氧的条件下才能生存。硫酸盐还原菌(SRB)SRB属厌氧性细菌,在缺氧条件下才能生存。在缺氧的中性土壤中,腐蚀过程是很难进行的。,总反应:4Fe+SO+4HO FeS+3Fe(
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