1、金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)1第一章第一章 緒論緒論 材料腐蝕與防護基本概念材料腐蝕與防護基本概念 材料腐蝕與防護重要性材料腐蝕與防護重要性 腐蝕速度的表示腐蝕速度的表示 學科的發展慨況學科的發展慨況金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)21.1 腐蝕的基本概念腐蝕的基本概念歷史悠久歷史悠久 古希臘古希臘Herodus和古羅馬和古羅馬Plinins在在2000年前已提出用錫防年前已提出用錫防止鐵生銹；止鐵生銹； 我國商代（我國商代（3000年前）發明錫青銅；出土鐵器可年前）發明錫青銅；出土鐵器可見古人防蝕成就。見古人防蝕成就。18世紀工業發

2、展世紀工業發展 腐蝕與防護學科形成、腐蝕與防護學科形成、發展。發展。 普遍性普遍性 材料腐蝕司空見慣，無所不在，無時不有材料腐蝕司空見慣，無所不在，無時不有, 十分普遍十分普遍. 材料的腐蝕與防護的重要性已成共識。材料的腐蝕與防護的重要性已成共識。必然性必然性 熱力學觀點，一切材料在環境作用下熱力學觀點，一切材料在環境作用下, 將逐漸自發地腐將逐漸自發地腐蝕、變質、退化。蝕、變質、退化。 金屬金屬 由元素狀態轉變成金屬化合物由元素狀態轉變成金屬化合物 (生銹生銹)，有機，有機/無機材料無機材料 化學變化（老化化學變化（老化/風化風化)。金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年

3、)3春秋戰國18世紀19世紀20世紀青銅劍、箭鏃含鉻表面涂層大漆防腐涂料金屬的氧化、溶解、鈍化鐵的鈍化膜形成歷程、金屬溶解的電化學本質、腐蝕微電池特征、金屬在酸中溶解的動力學獨立學科，腐蝕歷程的基本電化學規律，腐蝕科學的基本理論：現代腐蝕科學37腐蝕科學的發展歷史金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)4381748羅蒙諾索夫1790凱依爾1830德.拉.里夫1833法拉第18401881卡楊捷爾1913金屬的氧化（質量不滅定律推翻了“熱素”說）鐵在硝酸中的鈍化金屬腐蝕微電池電解定律腐蝕量化計算熱鍍鋅保護鋼板獲得專利金屬在酸中的溶解動力學鎳、鉻不銹鋼開始獲得實際應用1920

4、-伊文思瓦格納布拜腐蝕極化圖混合電位理論電位-pH圖尤里格、方坦納、阿基莫夫、費魯姆金金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)5越王勾踐寶劍越王勾踐寶劍金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)6曾侯乙編鐘（戰國）曾侯乙編鐘（戰國）金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)7斷斷 裂：強度、力學破壞、瞬間破壞裂：強度、力學破壞、瞬間破壞磨磨 損：表面、力學損：表面、力學- -摩擦損壞、緩慢摩擦損壞、緩慢腐腐 蝕：表面、化學蝕：表面、化學- -力學損壞、不可再生力學損壞、不可再生材料失效的基本形式材料失效的基本形式金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與

5、防護（2011-2012學年學年)8礦石礦石（穩定）（穩定）金屬金屬（不穩定）（不穩定）冶煉冶煉( (能量能量) )腐蝕（能量）腐蝕（能量）自發過程自發過程能量差能量差腐蝕驅動力腐蝕驅動力金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)9塑料發脹或開裂塑料發脹或開裂木頭干裂或腐爛木頭干裂或腐爛花崗巖風蝕花崗巖風蝕水泥剝離脫落水泥剝離脫落材料材料 + 化學化學 + 力學力學腐蝕腐蝕腐蝕的定義腐蝕的定義腐蝕腐蝕(corrosion)(corrosion)源于拉丁文源于拉丁文“corrderecorrdere”，意即，意即“損壞損壞”、“腐爛腐爛”2020世紀世紀6060年代前，材料腐蝕

6、的定義只局限于金屬年代前，材料腐蝕的定義只局限于金屬生銹：鐵及鐵基合金生成以水合氧化鐵為主的腐蝕生銹：鐵及鐵基合金生成以水合氧化鐵為主的腐蝕腐蝕的概念逐步涉及到整個材料領域腐蝕的概念逐步涉及到整個材料領域金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)1010 廣義的腐蝕廣義的腐蝕材料在服役損壞過程中，腐蝕與磨損、腐材料在服役損壞過程中，腐蝕與磨損、腐蝕與斷裂往往協同進行，甚至三種損壞同時發蝕與斷裂往往協同進行，甚至三種損壞同時發生。廣義的腐蝕包括了腐蝕與磨損、斷裂等的生。廣義的腐蝕包括了腐蝕與磨損、斷裂等的協同作用，是一個交叉學科的領域協同作用，是一個交叉學科的領域。腐蝕的定義腐

7、蝕的定義金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)11 材料損傷材料損傷宏觀上：材料質量流失、強度退化宏觀上：材料質量流失、強度退化微觀上：組織、結構或價態的改變微觀上：組織、結構或價態的改變腐蝕的定義腐蝕的定義 腐蝕是材料受環境介質的化學、電化學和物理腐蝕是材料受環境介質的化學、電化學和物理作用產生的損壞或變質現象。腐蝕包括化學、電化作用產生的損壞或變質現象。腐蝕包括化學、電化學與機械因素或生物因素的共同作用學與機械因素或生物因素的共同作用。 環境介質：材料環境介質：材料- -環境交互作用環境交互作用 表面表面/ /界面現象界面現象 自發現象自發現象金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕

8、與防護（2011-2012學年學年)12三個基本要素三個基本要素腐蝕的對象腐蝕的對象腐蝕的性質腐蝕的性質腐蝕的后果腐蝕的后果耐蝕性耐蝕性 指材料抵抗環境介質腐蝕的能力指材料抵抗環境介質腐蝕的能力腐蝕性腐蝕性 指環境介質腐蝕材料的強弱程度指環境介質腐蝕材料的強弱程度金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)13金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)14（2 2）普遍性）普遍性純金屬最低能級狀態一般為其化合物（除純金屬最低能級狀態一般為其化合物（除Au、Pt）普遍存在的空氣和水是兩類主要腐蝕環境普遍存在的空氣和水是兩類主要腐蝕環境（O2、H+）腐蝕的特點腐蝕

9、的特點金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)15（3 3）隱蔽性）隱蔽性發展速度緩慢發展速度緩慢 不銹鋼在海水中點蝕：不銹鋼在海水中點蝕：10年孕育期年孕育期表現形式不易被發覺表現形式不易被發覺 生銹：容易觀察生銹：容易觀察 應力腐蝕斷裂：表面光亮如新應力腐蝕斷裂：表面光亮如新內部滿布裂紋內部滿布裂紋腐蝕的特點腐蝕的特點金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)161.2 研究腐蝕與防護的重要意義研究腐蝕與防護的重要意義 直接損失直接損失 材料、構件、設備的直接腐蝕破壞；防止腐蝕或延緩腐蝕的材料、構件、設備的直接腐蝕破壞；防止腐蝕或延緩腐蝕的投入（高耐腐

10、蝕材料、表面處理、涂覆、電化學保護、環境投入（高耐腐蝕材料、表面處理、涂覆、電化學保護、環境介質處理等），可估算。介質處理等），可估算。 據國際權威統計據國際權威統計 -金屬年產量的金屬年產量的1/3受腐蝕報廢，其中受腐蝕報廢，其中2/3尚可尚可回爐回爐, 即約即約10金屬永久腐蝕損失。金屬永久腐蝕損失。 全世界金屬產量約為全世界金屬產量約為10億噸，損失億噸，損失1億噸億噸/年年 我國金屬年產量達我國金屬年產量達1億噸，損失億噸，損失0.1億噸億噸/年年 據權威報告據權威報告 (英國英國Hoar報告和美國報告和美國NBS報告報告)估計：估計： 每年因腐每年因腐蝕造成的經濟損失占國民經濟總值蝕

11、造成的經濟損失占國民經濟總值2-4%金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)17材料腐蝕給國民經濟帶來巨大損失材料腐蝕給國民經濟帶來巨大損失腐蝕事故危及人身安全腐蝕事故危及人身安全腐蝕造成資源和能源的浪費腐蝕造成資源和能源的浪費腐蝕引起環境污染腐蝕引起環境污染腐蝕造成的危害腐蝕造成的危害金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)181 1 鋼鐵工業腐蝕掉大量的鋼鐵鋼鐵工業腐蝕掉大量的鋼鐵每年腐蝕：大約每年腐蝕：大約10102020的金屬年產量的金屬年產量20032003年鋼產量年鋼產量世界：世界：9.6259.625億噸億噸中國：中國：2.22.2億噸億噸

12、美國：美國：0.9140.914億噸億噸世界每年腐蝕掉的鋼世界每年腐蝕掉的鋼 美國的鋼產量美國的鋼產量；中國一年被腐蝕掉的鋼中國一年被腐蝕掉的鋼 = = 一大型鋼鐵企業年產量一大型鋼鐵企業年產量腐蝕造成的危害腐蝕造成的危害金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)19鋼軌的銹蝕、磨損鋼軌的銹蝕、磨損機車底架：側梁鉚釘頭被局部腐蝕穿透機車底架：側梁鉚釘頭被局部腐蝕穿透機車氣缸：氣缸套壁空泡腐蝕：機車氣缸：氣缸套壁空泡腐蝕：9mm 5mm，甚至穿透，甚至穿透帶來極大的事故隱患帶來極大的事故隱患!2300萬噸萬噸 x 1 %/年年 = 23萬噸萬噸/年年每年使用每年使用120萬噸：

13、萬噸：1/5 被腐蝕被腐蝕18腐蝕造成的危害腐蝕造成的危害2 2 交通運輸交通運輸： 鐵軌、機車部件的腐蝕和磨蝕鐵軌、機車部件的腐蝕和磨蝕；飛機零部件的高溫腐蝕和應力腐蝕飛機零部件的高溫腐蝕和應力腐蝕；船舶在海洋環境中的腐蝕船舶在海洋環境中的腐蝕；金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)20 海洋環境中：海水腐蝕介質、海洋大氣腐蝕介質海洋環境中：海水腐蝕介質、海洋大氣腐蝕介質、海水沖刷海水沖刷、 復雜波動載荷等復雜波動載荷等； 船舶腐蝕：船體銹蝕、螺旋槳葉片電偶腐蝕船舶腐蝕：船體銹蝕、螺旋槳葉片電偶腐蝕、水線腐蝕、應力腐蝕等水線腐蝕、應力腐蝕等。腐蝕造成的危害腐蝕造成的危害

14、金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)21金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)22金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)23金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)2425腐蝕造成的危害導電電路絕緣層硅襯底元件結構集成電路示意及照片5機械電子金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)25金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)261.3 腐蝕的分類及腐蝕的分類及腐蝕形式腐蝕形式材料腐蝕破壞局部腐蝕均勻腐蝕點腐蝕縫隙腐蝕晶間腐蝕電偶腐蝕選擇性腐蝕.無機材料腐蝕高分子材料腐

15、蝕氧化/水解/取代溶脹/溶解應力開裂環境老化滲透溶解生物腐蝕表面腐蝕內部腐蝕化學腐蝕電化學腐蝕大氣腐蝕海水腐蝕土壤腐蝕化工腐蝕生物腐蝕高溫腐蝕應力腐蝕開裂氫致開裂腐蝕疲勞磨損腐蝕摩擦腐蝕 金屬材料腐蝕金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)27高溫腐蝕高溫腐蝕1.2%22% 全面腐蝕全面腐蝕應力腐蝕斷裂應力腐蝕斷裂19%腐蝕疲勞腐蝕疲勞23%11%點蝕點蝕8%晶間腐蝕晶間腐蝕6% 磨蝕磨蝕2%8%其他其他各種腐蝕所占比例氫腐蝕及氫脆氫腐蝕及氫脆金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)28 環境環境 大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕、化工腐蝕大氣腐蝕、海水腐蝕

16、、土壤腐蝕、化工腐蝕 狀態狀態 干腐蝕、濕腐蝕干腐蝕、濕腐蝕 力學力學 應力腐蝕開裂、疲勞腐蝕、磨損腐蝕應力腐蝕開裂、疲勞腐蝕、磨損腐蝕 本質本質 化學腐蝕、電化學腐蝕化學腐蝕、電化學腐蝕 溫度溫度 高溫腐蝕、常溫腐蝕高溫腐蝕、常溫腐蝕 金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)29電化學腐蝕電化學腐蝕 最普遍，金屬與導最普遍，金屬與導電介質發生電化學作用而破壞。其電介質發生電化學作用而破壞。其特點：陰、陽反應相對獨立，同時特點：陰、陽反應相對獨立，同時進行，陰、陽極區電荷傳遞，產生進行，陰、陽極區電荷傳遞，產生等量電流等量電流, 滿足法拉第定律。滿足法拉第定律。化學腐蝕化學

17、腐蝕 金屬與非電介質直接金屬與非電介質直接發生純化學反應而破壞，有電荷轉發生純化學反應而破壞，有電荷轉移但不產生電流。移但不產生電流。MeMen+H+-H2ee導電介質AlAlCl4CCl4AlCCl4AlCl4非導電介質金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)30項項 目目化學腐蝕化學腐蝕電化學腐蝕電化學腐蝕介介 質質干燥氣體或非電解質溶液干燥氣體或非電解質溶液電解質溶液電解質溶液能量轉換能量轉換化學能與機械能和熱化學能與機械能和熱化學能與電功化學能與電功過程規律過程規律化學反應動力學化學反應動力學電極過程動力學電極過程動力學電子傳遞電子傳遞反應物直接碰撞和傳遞，測不反應

18、物直接碰撞和傳遞，測不出電流出電流通過電子導體在陰、陽極上的得失，通過電子導體在陰、陽極上的得失，測得出電流測得出電流反應區反應區在碰撞點上瞬時完成在碰撞點上瞬時完成在相對獨立的陰、陽極區同時完成在相對獨立的陰、陽極區同時完成產產 物物在碰撞點直接形成在碰撞點直接形成一次產物在電極上形成，二次產物在一次產物在電極上形成，二次產物在一次產物相遇處形成一次產物相遇處形成金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)31局部腐蝕局部腐蝕：只有一部分金：只有一部分金屬遭受腐蝕。腐蝕集中，屬遭受腐蝕。腐蝕集中，陰、陽極區明顯可分陰、陽極區明顯可分均勻腐蝕均勻腐蝕按形態分類按形態分類 全面腐

19、蝕全面腐蝕：金屬表面幾乎：金屬表面幾乎全面遭受腐蝕。陰、陽極全面遭受腐蝕。陰、陽極區交替發生，不可區分區交替發生，不可區分不均勻腐蝕不均勻腐蝕金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)32局部腐蝕局部腐蝕（1）應力腐蝕破裂）應力腐蝕破裂:內內/外應力作用腐蝕開裂，沿晶外應力作用腐蝕開裂，沿晶/穿晶腐蝕穿晶腐蝕 開裂開裂;（2）小孔）小孔(點腐蝕點腐蝕):腐蝕集中在小點位置，深部發展，可穿孔腐蝕集中在小點位置，深部發展，可穿孔;（3）晶間腐蝕）晶間腐蝕:腐蝕發生在晶粒邊界并沿晶界發展腐蝕發生在晶粒邊界并沿晶界發展;（4）電偶腐蝕）電偶腐蝕:不同電極電位金屬接觸，某金屬優先快速腐

20、蝕不同電極電位金屬接觸，某金屬優先快速腐蝕;（5）縫隙腐蝕）縫隙腐蝕:腐蝕選擇地發生在縫隙內或結構隱蔽位置腐蝕選擇地發生在縫隙內或結構隱蔽位置;（6）選擇性腐蝕）選擇性腐蝕:合金中某些組分優先溶解，如黃銅脫鋅。合金中某些組分優先溶解，如黃銅脫鋅。 （7）氫脆）氫脆:H原子滲入金屬內部，金屬變脆，應力下發生脆裂。原子滲入金屬內部，金屬變脆，應力下發生脆裂。金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)331.4 金屬腐蝕速度的表示法金屬腐蝕速度的表示法 1、失質法：當腐蝕產物易被清除時表示為、失質法：當腐蝕產物易被清除時表示為 一、質量指標一、質量指標(Quality Index)

21、 StmmV10V失質指標（g/m2h）m0試樣腐蝕前金屬的質量（g）m1試樣發生腐蝕且清除腐蝕產物后金屬的質量（g）S試樣表面積（m2）t腐蝕時間（h）單位時間內單位表面腐蝕金屬的質量表示腐蝕速度，稱為金單位時間內單位表面腐蝕金屬的質量表示腐蝕速度，稱為金屬腐蝕的質量指標屬腐蝕的質量指標。 金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)34 2 增質法：增質法： V+增質指標增質指標(g/m2 h); m2帶有腐蝕產物時金屬的質量（帶有腐蝕產物時金屬的質量（g）。）。 增質法的最大缺點是數據的間接性。所測得的數據包括增質法的最大缺點是數據的間接性。所測得的數據包括腐蝕產物的質量

22、，通過分析腐蝕產物，換算有多少金屬腐蝕產物的質量，通過分析腐蝕產物，換算有多少金屬材料本身被腐蝕。當腐蝕產物復雜時，換算也較困難。材料本身被腐蝕。當腐蝕產物復雜時，換算也較困難。StmmV02金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)35 二、二、 深度指標深度指標(Depth Index) 金屬的厚度因腐蝕而減少的量，以線量單位表示，并換算成單金屬的厚度因腐蝕而減少的量，以線量單位表示，并換算成單位時間時間的數值。位時間時間的數值。 L2 L1 Vt = mm/ y tVt 深度指標的腐蝕速率，毫米深度指標的腐蝕速率，毫米/年，年，L1 腐蝕前深度腐蝕前深度, L2 腐蝕后

23、深度，腐蝕后深度，t 腐蝕時間。腐蝕時間。 V-與與Vt互換：互換： 24365 V1 = V- = 8.76 V- / (mm/y ) 1002 材料密度材料密度 (g/cm3 )金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)36 三、三、 電流指標電流指標（Electric Current Density Method) 在金屬的電化學腐蝕過程中，金屬被腐蝕的同時釋放出電子。在金屬的電化學腐蝕過程中，金屬被腐蝕的同時釋放出電子。 釋放電子數量越多，輸出的電量越多，說明金屬被溶解得越多。釋放電子數量越多，輸出的電量越多，說明金屬被溶解得越多。金屬電極輸出的電量與金屬電極的溶解量

24、之間的定量關系用金屬電極輸出的電量與金屬電極的溶解量之間的定量關系用Faraday定律表示。定律表示。金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)37 根據根據Faraday定律，當電極通過的電量為定律，當電極通過的電量為1F(1F=96500C/mol)時，電極上參加反應的物質量為時，電極上參加反應的物質量為1mol。即當電極通過。即當電極通過1F的電的電量時，電極上陽極溶解或陰極沉積的金屬量恰為量時，電極上陽極溶解或陰極沉積的金屬量恰為1mol。故可。故可算出溶解的金屬量：算出溶解的金屬量：MItmzFm陽極金屬溶解的金屬量(g)；I電流強度(A)；t反應時間(s)；It電極上通過的電量(Coulomb)； M金屬的摩爾質量。金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)38StmVcorrMVizFtcorrmMViStzFcorrImizFSMSt對于全面均勻腐蝕，電密對于全面均勻腐蝕，電密icorr=I/S，將上式代入得，將上式代入得顯然icorrm，又因為故腐蝕深度指標與腐蝕電密的關系為：金屬腐蝕與防護（金屬腐蝕與防護（2011-2012學年學年)391.5 學科概況、研究內容及任務學科概況、研究內容及任務交叉性交叉性 綜合性綜合性 復雜性復雜性 多學科多學科材料腐蝕科材料腐蝕科學學/ 防護技