金屬材料的腐蝕和防護主講：郝俊文博士7/27/20231金屬材料的腐蝕和防護1、腐蝕的危害性與控制腐蝕的意義2、掌握腐蝕基本知識的必要性3、腐蝕的分類4、防止和減緩腐蝕的方法7/27/202321、腐蝕的危害性與控制腐蝕的意義腐蝕是指金屬材料與它所處環境介質之間發生化學或電化學作用而引起的破壞。1.1腐蝕的定義（corrosion)腐蝕是指材料由于環境介質的作用而引起的破壞或變質7/27/202331.2腐蝕現象機器設備大氣腐蝕而生銹艦船和港口設施受海水和微生物的腐蝕埋地管線因土壤和細菌的腐蝕鋼材在高溫下的氧化人工器官材料在血液、體液中的腐蝕與各種化學介質接觸引起的腐蝕

…………….7/27/20234廣東茂名石化膨脹干燥機17/27/20235廣東茂名石化膨脹干燥機27/27/202361.3腐蝕危害性的表現直接經濟損失：更換設備及構件；間接經濟損失：設備停產、腐蝕泄漏1）巨大的經濟損失腐蝕報廢鋼鐵占鋼產量的30％經濟損失占GDP的1～4％英國1969～1971年的統計，27.3億/每年美國1975年為700億我國化工部統計占3～4％7/27/20237舉例1975年美國芝加哥一個大的煉油廠一根15cm的不銹鋼彎管破裂引起爆炸和火災，停車6周，這次腐蝕事故總維修費50萬美元，停車造成的稅收損失高達500萬美元。美國：1949年55億美元

1960～1969年150～200億美元

1975年700億美元

1982年1269億美元

1995年8000億美元我國GDP：22257(2005);272億(1995)，

英國：1969年13.65億英鎊（27.3億美元）7/27/20238大量優質原料泄露大量的金屬需要回煉2）資源和能源的嚴重浪費3）引發災難事故氯氣泄漏，煤氣泄漏,氨氣4）污染人類生存環境城門失火,殃及池魚7/27/202392、掌握腐蝕基本知識的必要性2.1腐蝕控制通常有兩種措施：補救性措施：腐蝕發生后再消除它預防性控制：先采取防止腐蝕的措施選擇適當的材料合理的結構設計正確制訂制造工藝采用具體的防腐蝕技術7/27/2023102.2設備的要求僅僅考慮結構的功能性，而忽視其它因素，特別是腐蝕問題，那么即使具有最先進功能的機器設備，往往也是不可靠的或者壽命很短。2.3對設計者的要求設備設計者只有在掌握了全面的設計知識，包括腐蝕的基本知識以后，才有可能合理地、經濟地綜合調整自己的功能設計方案。7/27/2023113、腐蝕的分類3.1按腐蝕環境分化學介質腐蝕、大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕雜散電流腐蝕、細菌腐蝕、磨損腐蝕、應力腐蝕接觸腐蝕等等7/27/2023123.2按腐蝕反應機理分化學腐蝕：

金屬與非電解質直接發生化學作用而引起的破壞：如(高溫)氧化和脫碳電化學反應：

金屬與電解質溶液發生電化學作用而引起的破壞。物理腐蝕：

單純物理溶解作用而引起的破壞。7/27/202313化學腐蝕包括：(高溫)氧化、脫碳氫腐蝕、高溫硫化，7/27/202314金屬的氧化氧化發生的條件：PMO=PO2，反應處于平衡狀態PMO>PO2，反應向氧化物分解方向進行PMO<PO2，反應向氧化物生成方向進行7/27/202315FeO2Fe+O2600K,PFeO=5.1×10-43MPa800K,PFeO=9.1×10-31MPa1200K,PFeO=1.6×10-20MPa2000K,PFeO=5.1×10-8MPa空氣中O2的分壓為：PO2=0.022MPa7/27/2023162Cu2O4Cu+O2600K,PCu2O=8.0×10-23MPa800K,PCu2O=3.7×10-15MPa1200K,PCu2O=2.0×10-7MPa1800K,PCu2O=3.8×10-2MPa2000K,PCu2O=4.4MPa空氣中O2的分壓為：PO2=0.022MPa7/27/2023172Ag2O4Ag+O2300K,PAg2O=8.4×10-4MPa400K,PAg2O=6.9MPa500K,PAg2O=249MPa600K,PAg2O=360MPa空氣中O2的分壓為：PO2=0.022MPa7/27/202318氧化過程的兩個步驟1、吸附、化合成膜：2、膜成長7/27/202319M2+與O2-的擴散方式的可能情況：1、M2+單向往外擴散，在MO/O2界面上與O2-進行反應，如Cu的氧化過程。2、O2-單向往內擴散，在M/MO界面上與M2+進行反應，如Ti的氧化過程。3、兩個方向相向擴散，即M2+往外O2-往內擴散，兩者在氧化物內部相遇進行反應，如Co的氧化過程。7/27/202320氧化膜的兩個作用鈍化作用：氧化膜與基體結合牢固，不易揮發和溶解且組織致密，阻礙腐蝕向深層發展，因而起到保護母體的作用；活化作用：氧化膜與基體結合不牢固或組織疏松，或者腐蝕產物易揮發和溶解，使得腐蝕產物脫離基體，腐蝕向深層發展，因而不能起到保護母體的作用；7/27/202321鈍化作用對氧化膜的要求1、膜必需是完整的；2、膜具有足夠的強度和剛度；3、膜內晶格缺陷濃度低；4、氧化物在高溫介質中是穩定的。7/27/202322鋼鐵材料的高溫氧化在常溫下，金屬氧化物只有幾個分子厚(1.5~2.5nm)，對光澤沒有影響。氧化膜的顏色：(黃)，(棕)，(紅)，(紫)，(藍)7/27/202323形成氧化膜的措施--合金化原理減少氧化膜的晶格缺陷濃度依靠選擇氧化生成保護膜生成復合氧化物之類的穩定新相在工業生產中，用合金化提高金屬的抗高溫氧化性時，一般不采用在本質上就耐氧化的貴金屬，而是應用另一類耐氧化金屬，如AI、Cr、Si等作為合金元素。7/27/202324脫碳條件：高于700度危害：1破壞表面膜，降低膜的保護作用2表面硬度下降，降低耐磨性和疲勞強度7/27/202325氫腐蝕2氫腐蝕可分為兩個階段氫脆階段：原子擴散，固溶；強度不變，韌性降低；消氫處理，性能恢復氫腐蝕階段：化學反應，脫碳；產生裂紋和氣泡，并沿晶界擴展；臨界條件。1氫腐蝕條件：高溫高壓含氫7/27/202326防止氫腐蝕采用Nelson曲線。溫度氫分壓6.0Cr0.5Mo3.0Cr0.5Mo2.25Cr1Mo7/27/2023273高溫高壓有利于氫腐蝕的進行高壓高壓提高了氫在鋼中的溶解度，高溫提高了氫的擴散速度，高溫提高了脫碳反應速度。4氫反應發生的條件溫度和壓力5防止氫腐蝕發生的措施降低碳含量加入合金元素7/27/202328高溫硫化金屬與含硫氣體（硫蒸汽，SO2，H2S)接觸生成硫化物。特點與危害性：

膜體積大；

膜中的晶格缺陷濃度高；

膜的熔點低。7/27/202329耐熱結構材料簡介耐熱鋼是指在工作溫度高于450℃時，具有一定強度和抗氧化能力的鋼種，是抗氧化鋼和熱強鋼的總稱。提高鋼的抗氧化性能的合金元素，主要是Cr,Al和Si提高耐熱性的合金元素：Cr、Ti、Mo、V、W、Nb、Ni、N7/27/202330定義：金屬與電解質溶液發生電化學作用而引起的破壞。特點：腐蝕過程中有電流產生。過程：電解質在水溶液中呈離子狀態，表面金屬原子外層電子被溶液中的陽離子吸附，脫離金屬原子，使得金屬原子離子化，當金屬離子與基體的結合力小于金屬離子與水分子的吸附力時，金屬離子就會脫離基體，溶解在水溶液中，形成對金屬的腐蝕。電化學腐蝕7/27/202331電化學腐蝕金屬及其合金與電解質接觸時發生電化學作用而引起的腐蝕。Zn在稀硫酸中溶解示意圖7/27/202332Cu-Zn原電池示意圖陽極陰極Zn=Zn2++2e2H++2e=H2e7/27/202333電化學腐蝕的過程陽極反應過程、電子流動過程和陰極反應過程電化學腐蝕的三個條件同一金屬上有不同電位的部分或

不同金屬之間有電位差陰極與陽極相連接陽極與陰極處于同一電解質或相互連同的電解質溶液中7/27/202334腐蝕原電池的類型宏觀異種金屬接觸形成電偶電池金屬處于不同濃度的介質中形成濃差電池金屬處于溫度不同的介質中形成溫差電池微觀化學性質不均勻微觀組織不均勻物理狀態不均勻表面膜不完整7/27/2023353.3按腐蝕破壞的型式分全面腐蝕：腐蝕分布在整個金屬表面，結果使金屬結構截面尺寸減少，直至完全破壞。局部腐蝕：腐蝕作用在金屬表面的局部區域，而其它大部分表面幾乎不腐蝕或腐蝕很輕微。應力腐蝕：拉應力和腐蝕介質綜合作用的結果，壓應力的存在不僅不會引起SCC，甚至可以使之延緩。7/27/202336金屬全面腐蝕速度的

評價和表示方法一.重量指標以單位面積金屬在單位時間內因腐蝕而造成的重量損失表示。7/27/202337(二)深度指標均勻腐蝕的三級評判標準金屬的厚度因腐蝕而減少的量(mm)。7/27/202338局部腐蝕：腐蝕作用在金屬表面的局部區域，而其它大部分表面幾乎不腐蝕或腐蝕很輕微。

按腐蝕發生的條件、機理特征，可將其分為：電偶腐蝕、縫隙腐蝕、小孔腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、應力腐蝕、磨損腐蝕、氫脆等實例7/27/202339塔設備人孔結構7/27/202340不銹鋼脹管頸部的破裂7/27/202341應力腐蝕發生的條件拉應力和腐蝕介質綜合作用的結果，壓應力的存在不僅不會引起SCC，甚至可以使之延緩。7/27/202342裂紋形態的主要模式7/27/202343螺葉表面裂紋形貌（×50）

（未經腐蝕）7/27/2023447/27/202345應力腐蝕破裂模型7/27/202346應力與裂紋深度的關系瞬時KI與時間的關系7/27/202347疲勞的S－N曲線7/27/202348疲勞斷口特征示意圖7/27/202349脫碳溶液再沸器湍流腐蝕破壞形態示意圖空泡腐蝕歷程7/27/20235018－8鋼在充氣NaCl溶液中孔蝕過程示意圖7/27/202351碳鋼在海水中縫隙腐蝕示意圖7/27/202352異種材料組合結構實例7/27/2023534防止和減緩腐蝕的方法1合理選材：了解腐蝕環境，分析腐蝕原因，根據生產中遇到的介質性質、溫度、壓力及產品質量要求查閱材料手冊，合理選用材料。7/27/2023542)設計合理的結構化工設備在很多情況下與結構有關，不合理的結構往往為腐蝕電池的形成創造良好的條件，或引起應力集中、液體停滯。7/27/202355高溫氣體入口7/27/202356貯槽壁底的聯接7/27/202357角焊縫的結構7/27/202358容器出口管7/27/2023593)合理制訂設備加工工藝4)涂覆保護層5)電化學保護6)添加緩蝕劑7/27/202360參考書金屬腐蝕理論及應用魏寶明主編金屬腐蝕學朱日彰等編寫腐蝕電化學原理曹楚南編著腐蝕工程M.G.方坦納,N.D.格林著