腐蝕機(jī)理

腐蝕按材料從大的方面分為金屬腐蝕和非金屬腐蝕。

由于金屬材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、可塑性、良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性以及加工成型性等優(yōu)點(diǎn)，所以在工程材料中得到廣泛應(yīng)用。

按機(jī)理分:① 化學(xué)腐蝕特征：發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，無(wú)腐蝕電流。如金屬和周圍介質(zhì)如：酸、堿、鹽、O2、SO2、CO2、水蒸氣等直接接觸而引起的腐蝕、金屬在高溫下形成的氧化皮等。

② 電化學(xué)腐蝕特征：發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，有腐蝕電流。如干電池對(duì)外供電。實(shí)際腐蝕過(guò)程絕大多數(shù)為電化學(xué)腐蝕。

按破壞形式分：① 全面腐蝕（均勻腐蝕）：腐蝕在金屬表面全面展開(kāi)。如純金屬在強(qiáng)電解液里的腐蝕。一般，全面腐蝕，開(kāi)始時(shí)腐蝕速率較大。一般，全面腐蝕的危害性較局部腐蝕小，而且可以事先預(yù)測(cè)。如衛(wèi)星接收天線鍋、暴露在大氣中的金屬管線等。

② 局部腐蝕：腐蝕只集中在金屬表面的局部區(qū)域，其它部分腐蝕很輕微或幾乎沒(méi)有。局部腐蝕的類型很多，如電偶腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、選擇性腐蝕、應(yīng)力腐蝕、磨蝕、晶間腐蝕、氫損傷等。局部腐蝕的危害較大，應(yīng)引起足夠的重視。

按腐蝕環(huán)境分：①大氣腐蝕：金屬在大氣及任何潮濕性氣體中發(fā)生的腐蝕。最為普遍。

②電解質(zhì)溶液腐蝕：酸、堿、鹽。污水處理系統(tǒng)中的腐蝕。

③海水腐蝕：本質(zhì)還是電解質(zhì)溶液腐蝕，但是一大類特定類型。海洋工程、海上石油鉆采平臺(tái)、設(shè)備、艦船、潛艇、航空母艦、海水換熱器等都會(huì)遭到海水腐蝕。

④非電解質(zhì)溶液溶液腐蝕：金屬在不導(dǎo)電的溶液中的腐蝕，如金屬在有機(jī)液體如酒精、石油中的腐蝕；鋁在CCl4、CHCl3、C2H5OH中的腐蝕；Mg、Ti在CH3OH中的腐蝕。

⑤土壤腐蝕：供水、供氣、供油、供熱管網(wǎng)、設(shè)備的地埋部分。 ⑥生物腐蝕：硫酸鹽還原菌SRB、腐生菌等對(duì)油氣管道的生物腐蝕。

⑦其它環(huán)境下的腐蝕：如高溫（>100℃）、高壓、熔融電解質(zhì)溶液等。高溫氣體腐蝕、發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭高溫廢氣腐蝕。

老房木板上的生銹的鐵釘、鐵護(hù)欄的生銹、錫罐頭蓋的生銹、鋼筋的銹蝕、輪船設(shè)備的銹蝕、腐蝕的自來(lái)水管道流出黃色的水、輸油輸氣管道、開(kāi)水管道、大雁塔廣場(chǎng)上銅雕塑上的銅綠、秦始皇的銅車馬、兵馬俑、銀首飾的變色、塑料的硬脆、橡膠輪胎的老化、古籍紙質(zhì)的發(fā)黃變脆、絲綢的化絲、朽木、涂料的褪色、脫落、牙齒的壞爛、石頭的風(fēng)化等等都是一種腐蝕現(xiàn)象。其中腐蝕包括非金屬腐蝕與金屬腐蝕。

金屬材料的腐蝕，是指金屬材料和周圍介質(zhì)接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的一種破壞現(xiàn)象。對(duì)于金屬而言，在自然界大多是以金屬化合物的形態(tài)存在。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，除了少數(shù)貴金屬(如金、鉑等)外，各種金屬都有轉(zhuǎn)變成離子的趨勢(shì)。因此，金屬元素比它們的化合物具有更高的自由能，必然有自發(fā)地轉(zhuǎn)回到熱力學(xué)上更穩(wěn)定的自然形態(tài)——氧化物的趨勢(shì)，所以說(shuō)金屬腐蝕是自發(fā)的普遍存在的一種現(xiàn)象，是不可避免的。

金屬腐蝕給生產(chǎn)生活帶來(lái)很多不便，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。全世界每年因?yàn)榻饘俑g造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約達(dá)7000億美元，是地震、水災(zāi)、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害造成損失總和的6倍。我國(guó)因金屬腐蝕造成的損失占國(guó)民生產(chǎn)總值(GNP)的4%左右，鋼鐵因腐蝕而報(bào)廢的數(shù)量約占鋼鐵當(dāng)年產(chǎn)量的25%-30%。這些數(shù)據(jù)只是與腐蝕有關(guān)的直接損失數(shù)據(jù)，間接損失數(shù)據(jù)有時(shí)是難以統(tǒng)計(jì)的，甚至是一個(gè)驚人的數(shù)字。

腐蝕問(wèn)題成為阻礙高新技術(shù)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，這樣研究金屬的腐蝕與防護(hù)便顯得非常的重要，本報(bào)告主要綜合講述了金屬的電化學(xué)腐蝕的基本原理和分類，以及討論了有關(guān)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中具體的防護(hù)措施，以更好的指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)實(shí)踐。

①普遍性和廣泛性：腐蝕無(wú)處不在。天上地下、陸上水下；金屬、非金屬。航天器的生物腐蝕、大氣腐蝕；輪船、航空母艦的海水腐蝕。

②持續(xù)性：腐蝕無(wú)時(shí)不在。腐蝕的發(fā)生是一個(gè)持續(xù)、累積過(guò)程。有可能在無(wú)任何征兆條件下突然發(fā)生破壞。不是不爆，時(shí)候未到！腐蝕在我們身邊每時(shí)每刻悄悄地發(fā)生著，它吞噬著人們的勞動(dòng)成果，改變了歷史的原貌?！肚那倪M(jìn)行的破壞——金屬腐蝕》曹楚南院士的科普著作。

③非線性：腐蝕的速度并非總是線性過(guò)程，會(huì)隨外界條件的變化而變化。 ④自發(fā)性：腐蝕的發(fā)生完全是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，就像水向低處流一樣。我們控制腐蝕就像要阻止水向低處流。從化學(xué)的角度來(lái)說(shuō)就是從不穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。金屬的腐蝕是金屬提純的逆向過(guò)程。危害性和嚴(yán)重性：很大。 ⑤危害性：腐蝕會(huì)影響設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重的會(huì)危及設(shè)備安全及人身安全，因而不可等閑視之。腐蝕造成的直接損失，如人員的傷亡、設(shè)備的破壞、裝置的損毀等造成直接的經(jīng)濟(jì)損失，大家是有目共睹的。但更為重要的是，腐蝕所造成的相關(guān)間接損失也非常驚人。如一個(gè)電廠由于腐蝕而導(dǎo)致突然停電，將導(dǎo)致大批的工廠的巨大損失。橋梁、壓力容器、鍋爐、貯有劇毒、放射性物質(zhì)的金屬容器、貯存核廢料的金屬容器等。腐蝕→停車停產(chǎn)→該廠經(jīng)濟(jì)損失→連鎖反應(yīng)→其他相關(guān)廠經(jīng)濟(jì)損失→國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)損失→國(guó)際的經(jīng)濟(jì)損失→總的經(jīng)濟(jì)損失。

⑥復(fù)雜性：腐蝕過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，涉及化學(xué)、電化學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、表面科學(xué)、工程力學(xué)、冶金學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科。盡管取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但還有相當(dāng)一部分仍舊不明了，還只能靠經(jīng)驗(yàn)、事后總結(jié)。

⑦腐蝕的可利用性：集成電路板工業(yè)、玻璃雕刻、干電池放電等。（任何事物都有兩面性）

鋼結(jié)構(gòu)材料存在的另一大問(wèn)題是容易腐蝕。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展以及環(huán)境的污染，鋼材等金屬的腐蝕所造成的浪費(fèi)十分巨大。每年由于腐蝕造成的損失難以估量。據(jù)報(bào)道，英國(guó)每年由于金屬腐蝕造成的損失達(dá)幾億英鎊；美國(guó)每年因金屬腐蝕造成的損失約占國(guó)民生產(chǎn)總值的4.2%；而我國(guó)每年因金屬腐蝕引起的損失約為國(guó)民生產(chǎn)總值的2.3%.

金屬防腐蝕的手段很多，如采用耐腐蝕金屬材料、電化學(xué)保護(hù)法、添加緩蝕劑、涂刷防腐蝕涂料等。其中以采用防腐蝕涂料最為普遍。這主要是由于采用涂料防腐蝕的使用范圍廣、施工方便、成本較低，而效果又較令人們滿意的緣故。防腐蝕涂料作為金屬防腐蝕的主要手段，各國(guó)多年來(lái)投入了大量的人力物力進(jìn)行研究。

英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家仍處于領(lǐng)先地位。防腐蝕涂料的品種很多，主要有：酚醛樹(shù)脂類、環(huán)氧樹(shù)脂類、過(guò)氯乙烯類、聚氨酯類、呋喃樹(shù)脂類、橡膠類等，應(yīng)用于不同的防腐蝕場(chǎng)合。據(jù)報(bào)道，日本每年采用防腐蝕涂料所消耗的費(fèi)用達(dá)2萬(wàn)億日元，占各種防腐蝕措施總費(fèi)用的65%左右，防腐蝕涂料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位可見(jiàn)一斑。我國(guó)通過(guò)幾十年的努力，在防腐蝕涂料領(lǐng)域也已取得了顯著的成果，以環(huán)氧樹(shù)脂、過(guò)氯乙烯、氯磺化聚乙烯、呋喃樹(shù)脂、聚氨酯等一大批樹(shù)脂為原料的防腐蝕涂料已被開(kāi)發(fā)并成功地用于防腐蝕工程中。2100433B

金屬防腐蝕的方法很多，主要有改善金屬的本質(zhì)，把被保護(hù)金屬與腐蝕介質(zhì)隔開(kāi)，或?qū)饘龠M(jìn)行表面處理，改善腐蝕環(huán)境以及電化學(xué)保護(hù)等。

(1)改善金屬的本質(zhì)

根據(jù)不同的用途選擇不同的材料組成耐蝕合金，或在金屬中添加合金元素，提高其耐蝕性，可以防止或減緩金屬的腐蝕。例如，在鋼中加入鎳制成不銹鋼可以增強(qiáng)防腐蝕能力。

(2)形成保護(hù)層

在金屬表面覆蓋各種保護(hù)層，把被保護(hù)金屬與腐蝕性介質(zhì)隔開(kāi)，是防止金屬腐蝕的有效方法。工業(yè)上普遍使用的保護(hù)層有非金屬保護(hù)層和金屬保護(hù)層兩大類。它們是用化學(xué)方法，物理方法和電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的。

材料在和周圍介質(zhì)接觸過(guò)程中，發(fā)生物理、化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)等而使材料遭受破壞或性能惡化的過(guò)程稱作腐蝕。廣義的腐蝕指材料與環(huán)境間發(fā)生的化學(xué)或電化學(xué)相互作用而導(dǎo)致材料功能受到損傷的現(xiàn)象。狹義的腐蝕是指金屬與環(huán)境間的物理-化學(xué)相互作用，使金屬性能發(fā)生變化，導(dǎo)致金屬，環(huán)境及其構(gòu)成系功能受到損傷的現(xiàn)象。

出于物理原因造成的破壞不稱為腐蝕，而稱為磨損或磨耗等等。但實(shí)際情況下腐蝕和物理?yè)p傷是伴隨發(fā)生的，物理?yè)p傷更是加速了腐蝕的進(jìn)度。腐蝕現(xiàn)象非常普遍，但卻非常復(fù)雜。

由此而誕生的腐蝕科學(xué)是一門高度交叉性的綜合學(xué)科，涉及化學(xué)、電化學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、表面科學(xué)、工程力學(xué)、冶金學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科，它也將隨著這些學(xué)科的發(fā)展而不斷發(fā)展前進(jìn)。近年來(lái)，腐蝕科學(xué)的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用研究都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，創(chuàng)造出了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

金屬腐蝕的危害：金屬腐蝕的危害首先在于腐蝕造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這種損失可分為直接損失和間接損失。直接損失包括材料的損耗、設(shè)備的失效、能源的消耗以及為防止腐蝕所采取的涂層保護(hù)、電化學(xué)保護(hù)、選用耐蝕材料等的費(fèi)用。由于腐蝕,使大量有用材料變?yōu)閺U料,估計(jì)全世界每年因腐蝕報(bào)廢的鋼鐵設(shè)備約為其年產(chǎn)量的30% ,造成地球上的有限資源日益枯竭. 全世界每90s就有1t鋼被腐蝕成鐵銹,而煉制1t鋼所需的能源可供一個(gè)家庭使用3個(gè)月,因此,腐蝕造成了對(duì)自然資源的極大浪費(fèi)。因腐蝕而造成的間接損失往往比直接損失更大,甚至難以估計(jì)。這些損失包括因腐蝕引起的停工停產(chǎn),產(chǎn)品質(zhì)量下降,大量有用有毒物質(zhì)的泄漏、爆炸,以及大規(guī)模的環(huán)境污染等。一些腐蝕破壞事故還造成了人員傷亡,直接威脅著人民群眾的生命安全。

應(yīng)力腐蝕機(jī)理就是滑移-溶解理論。它可以簡(jiǎn)單地歸結(jié)為四個(gè)過(guò)程，這就是滑移-膜破-陽(yáng)極溶解-再鈍化。這一機(jī)理所提出的基本概念廣為多數(shù)人接受。但是，滑移-溶解機(jī)理只能很好地解釋沿晶斷裂的應(yīng)力腐蝕，而對(duì)穿晶型斷裂如奧氏體不銹鋼的氯脆，卻遇到了很大困難。因?yàn)榇┚嗔研偷膽?yīng)力腐蝕，其斷裂表面不是在滑移面上，斷裂具有類似解理的特征。

防止應(yīng)力腐蝕的辦法要視具體的材料-介質(zhì)而定。例如低碳鋼容易產(chǎn)生堿脆和硝脆。在鍋爐的鉚接和焊接部位，少量的滲漏使溶融的鹽形成局部高濃度的苛性鈉，易產(chǎn)生堿脆。對(duì)于堿脆就要時(shí)時(shí)注意鍋爐用水處理，減少PH值或加入強(qiáng)氧化劑使鋼表面鈍化，加入一些抑制劑如硝酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽都可減緩應(yīng)力腐蝕，也可用陰極保護(hù)的辦法。而對(duì)于硝脆則正相反，要增加溶液的PH值，或加入苛性鈉等堿性物質(zhì)延緩應(yīng)力腐蝕，當(dāng)然，從電化學(xué)防護(hù)來(lái)說(shuō)也可用陰極保護(hù)。對(duì)奧氏體不銹鋼的氯脆，首先從合金的成分加以改進(jìn)，如從低鎳的18-8型(304、302型)改變成高鎳并加鉬的316型，進(jìn)而采用A F的雙相鋼。對(duì)奧氏體不銹鋼也要特別注意冷變形或者焊接后的去除應(yīng)力處理。2100433B

《地下結(jié)構(gòu)混凝土硫酸鹽腐蝕機(jī)理及性能退化》是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性叢書(shū)之一。