材料腐蚀理论 第一章 绪论

1、材材 料料 腐腐 蚀蚀 理论理论参考资料1 1、魏宝明、魏宝明. . 金属腐蚀理论及应用金属腐蚀理论及应用. . 化学工业出版社，化学工业出版社， 200120012 2、何业东，材料腐蚀与防护概论，机械工业出版社，、何业东，材料腐蚀与防护概论，机械工业出版社，200520053 3、翁永基、翁永基. .材料腐蚀通论材料腐蚀通论, ,石油工业出版社，石油工业出版社，2004,2004,4 4、刘道新、刘道新. .材料的腐蚀与防护材料的腐蚀与防护, ,西北工业大学出版西北工业大学出版 社社,2006,2006第一章 绪论油泵腐蚀油泵腐蚀 集输管线穿孔集输管线穿孔集输管线埋地弯头腐蚀集输管线埋地弯

2、头腐蚀 轻烃站冷却器腐蚀轻烃站冷却器腐蚀 油井管腐蚀油井管腐蚀 一、腐蚀定义n 腐蚀腐蚀(corrosion)(corrosion)源于拉丁文源于拉丁文“corrderecorrdere”，意即，意即“损坏损坏”、“腐烂腐烂”n 2020世纪世纪6060年代前，材料腐蚀的定义只局限于金属年代前，材料腐蚀的定义只局限于金属生锈：铁及铁基合金生成以水合氧化铁为主的腐蚀生锈：铁及铁基合金生成以水合氧化铁为主的腐蚀 狭义：金属与环境间的物理狭义：金属与环境间的物理化学相互作用，使化学相互作用，使 金属性能发生变化，导致金属、环境及其金属性能发生变化，导致金属、环境及其 构成的技术体系功能受到损伤（构成

3、的技术体系功能受到损伤（ISO8044-ISO8044- 1999 1999，GB/T10123GB/T10123） 一、腐蚀定义泉州老君岩泉州老君岩- -风化风化水流多年腐蚀岩石形成的痕迹水流多年腐蚀岩石形成的痕迹- -土耳其浴场土耳其浴场广义广义：材料材料与环境间发生化学或电化学相互作用而与环境间发生化学或电化学相互作用而 导致材料功能受到损伤的现象导致材料功能受到损伤的现象n 材料：金属材料：金属 非金属非金属 高分子高分子 复合材料复合材料 腐腐 蚀蚀 特特 征征1 1） 腐蚀指材料发生的现象：材料损伤腐蚀指材料发生的现象：材料损伤2 2）腐蚀是一种材料和环境间的反应）腐蚀是一种材料和

4、环境间的反应 & & 电化学反应（大多数）电化学反应（大多数） & & 化学反应：化学反应：AlAl在在CClCCl4 4中的腐蚀中的腐蚀 & & 物理反应：金属在高温溶盐中的溶解物理反应：金属在高温溶盐中的溶解3 3）腐蚀是材料的损伤）腐蚀是材料的损伤 & & 材料质量流失、强度退化材料质量流失、强度退化 & & 材料相、价态和组织变化材料相、价态和组织变化4 4）腐蚀是逐渐发生的慢性过程）腐蚀是逐渐发生的慢性过程二、腐蚀现象的特点二、腐蚀现象的特点1.自发性自发性2.普遍性普遍性3.隐蔽性隐蔽性 自发性自发性n

5、大多数腐蚀自发产生，不需要外力大多数腐蚀自发产生，不需要外力n如钢铁腐蚀：腐蚀产物以水合氧化物为主，与自然如钢铁腐蚀：腐蚀产物以水合氧化物为主，与自然界天然存在的铁矿石在结构上或形态上相似界天然存在的铁矿石在结构上或形态上相似炼铁过程炼铁过程腐蚀过程腐蚀过程钢铁钢铁矿石矿石能级增大能级增大放出能量放出能量外加热、电能量外加热、电能量二、腐蚀现象的特点二、腐蚀现象的特点1.自发性自发性2.普遍性普遍性3.隐蔽性隐蔽性 普遍性普遍性 纯金属最低能级状态一般为其化合物（除纯金属最低能级状态一般为其化合物（除AuAu、PtPt） 普遍存在的空气和水是两类主要腐蚀环境（普遍存在的空气和水是两类主要腐蚀环

6、境（O O2 2、H H+ +）二、腐蚀现象的特点二、腐蚀现象的特点1.自发性自发性2.普遍性普遍性3.隐蔽性隐蔽性 隐蔽性隐蔽性n发展速度很慢发展速度很慢不锈钢在海水中点蚀：不锈钢在海水中点蚀：1010年孕育期年孕育期n表现形式很难被发现表现形式很难被发现晶间腐蚀：表面光亮如新、内部漫布裂纹晶间腐蚀：表面光亮如新、内部漫布裂纹1 1）腐蚀的危害）腐蚀的危害三、研究腐蚀的意义三、研究腐蚀的意义 经济损失经济损失 直接经济损失直接经济损失 腐蚀造成的直接经济损失占国民生产总值的腐蚀造成的直接经济损失占国民生产总值的1 16%6%，全球，全球每年因腐蚀造成的损失约每年因腐蚀造成的损失约700070

7、00亿美元亿美元 中国：中国进口的石油管材每年花费约中国：中国进口的石油管材每年花费约7 7亿美元，大部分亿美元，大部分因腐蚀而报废因腐蚀而报废行业特点不同，经济损失有所差异。较严重部门：运输、行业特点不同，经济损失有所差异。较严重部门：运输、海洋、建筑和石化海洋、建筑和石化每年仅腐蚀就造成经济损失：每年仅腐蚀就造成经济损失：4%GDP材料服役失效造成材料服役失效造成的经济损失的经济损失25-40%可以挽回可以挽回2004年我国年我国GDP13.7万亿元万亿元4%GDP损失损失5480亿元亿元可挽回可挽回13602100亿元亿元 交通运输交通运输钢轨的锈蚀、磨损钢轨的锈蚀、磨损机车底架：侧梁铆

8、钉头被局部机车底架：侧梁铆钉头被局部腐蚀穿透腐蚀穿透机车气缸：气缸套壁空泡腐蚀机车气缸：气缸套壁空泡腐蚀甚至穿透甚至穿透带来极大的事故隐患带来极大的事故隐患! 铁轨、机车部件的腐蚀和磨蚀铁轨、机车部件的腐蚀和磨蚀 飞机零部件的高温腐蚀和应力腐蚀飞机零部件的高温腐蚀和应力腐蚀 船舶在海洋环境中的腐蚀船舶在海洋环境中的腐蚀海洋环境中：海水腐蚀介质、海洋大气腐蚀介质、海洋环境中：海水腐蚀介质、海洋大气腐蚀介质、海水冲刷、海水冲刷、 复杂波动载荷等复杂波动载荷等船舶腐蚀：船体锈蚀、螺旋桨叶片电偶腐蚀、船舶腐蚀：船体锈蚀、螺旋桨叶片电偶腐蚀、水线腐蚀、应力腐蚀等水线腐蚀、应力腐蚀等 能源电力能源电力u

9、水电：水轮机组的腐蚀、叶片空蚀水电：水轮机组的腐蚀、叶片空蚀u火电：锅炉和管道的腐蚀火电：锅炉和管道的腐蚀u核电站：高温、辐照、液态金属等腐蚀核电站：高温、辐照、液态金属等腐蚀u油气开采和运输：造成设备和管道的腐蚀油气开采和运输：造成设备和管道的腐蚀 煤矿：井下潮湿，水质变化大煤矿：井下潮湿，水质变化大氧气充分，多含氧气充分，多含SO2、CO、甲烷、甲烷井下设备磨损严重井下设备磨损严重煤矿井筒装备：腐蚀速率煤矿井筒装备：腐蚀速率0.17-0.25mm/y，平均寿命，平均寿命15年年 排水管、离心泵在酸性井下水中的腐蚀排水管、离心泵在酸性井下水中的腐蚀 钢轨、金属支柱、支架的磨损和腐蚀钢轨、金属

10、支柱、支架的磨损和腐蚀 石油天然气开采、集输和输运：石油天然气开采、集输和输运： 油气田：油气田：O2、CO2、H2S、 地层水的腐蚀；地层水的腐蚀； 长输管道：内部多相流动腐蚀、长输管道：内部多相流动腐蚀、外部土壤、微生物腐蚀外部土壤、微生物腐蚀 海洋平台、海底管道海洋平台、海底管道 化工设备：管道、锅炉、储存、化工设备：管道、锅炉、储存、阀门、冷凝；阀门、冷凝； 民生：自来水管的锈蚀民生：自来水管的锈蚀 环境污染环境污染 安全方面安全方面 19901990年年, ,美国轻水堆核电站由于腐蚀造成美国轻水堆核电站由于腐蚀造成1313亿美元经济亿美元经济损失损失, ,导致导致1000010000

11、人被辐射人被辐射 19851985年，日本波音年，日本波音747747飞机由于腐蚀疲劳坠毁，飞机由于腐蚀疲劳坠毁，500500多多人死亡人死亡 19841984年年, ,美国联合碳化物公司在印度博帕尔市的农药厂美国联合碳化物公司在印度博帕尔市的农药厂泄漏泄漏4545吨甲基异氰酸酯剧毒物吨甲基异氰酸酯剧毒物,3500,3500多人丧生多人丧生,20,20多万人中多万人中毒毒 19881988年英国阿尔法平台因腐蚀破坏发生爆炸，造成年英国阿尔法平台因腐蚀破坏发生爆炸，造成166166人死亡。导致北海油田年减产人死亡。导致北海油田年减产12%12%腐蚀损失与防护间关系的示意图腐蚀损失与防护间关系的示

12、意图2 2）腐蚀有利的一面）腐蚀有利的一面腐蚀铜雕腐蚀画腐蚀金属字 金属蚀刻装饰板及其制造方法金属蚀刻装饰板及其制造方法 大理石和玻璃上蚀刻字画的工艺大理石和玻璃上蚀刻字画的工艺 玻璃表面蚀刻字、画的方法玻璃表面蚀刻字、画的方法美国阿波罗登月计划：美国阿波罗登月计划： 6%NO缓蚀剂避免储存缓蚀剂避免储存N2O4推进剂推进剂高压容器的应力腐蚀破裂高压容器的应力腐蚀破裂 四、腐蚀的分类四、腐蚀的分类1 1、按照腐蚀过程的特点按照腐蚀过程的特点2 2、按照腐蚀形式分类、按照腐蚀形式分类3 3、按照腐蚀环境分类、按照腐蚀环境分类按按照照腐腐蚀蚀过过程程的的特特点点 电化学腐蚀电化学腐蚀 电化学腐蚀是

13、腐蚀电池的电极反应的结果电化学腐蚀是腐蚀电池的电极反应的结果电化学腐蚀的本质是形成了腐蚀电池电化学腐蚀的本质是形成了腐蚀电池电化学腐蚀反应具有一般电化学反应的特征：1. 金属/电解质之间存在带电的界面层与界面层结构有关的因素均影响腐蚀过程2. 金属失电子与氧化剂得电子一般不在同一地点发生金属内部与电解质局部有电流通过3. 反应产物可在近处或远离表面处生成电化学腐蚀电化学腐蚀间接进行间接进行两个独立过程两个独立过程一般在不同部位一般在不同部位是是化学腐蚀化学腐蚀直接进行直接进行同一过程同一过程不可分割不可分割否否化学腐蚀与电化学腐蚀化学腐蚀与电化学腐蚀被氧化金属被氧化金属 电子交换电子交换被还原

14、物质被还原物质氧化氧化过程过程还原还原过程过程 是否产生电流是否产生电流四、腐蚀的分类四、腐蚀的分类1 1、按照腐蚀过程的特点、按照腐蚀过程的特点2 2、按照腐蚀形式分类按照腐蚀形式分类3 3、按照腐蚀环境分类、按照腐蚀环境分类四、腐蚀的分类四、腐蚀的分类1 1、按照腐蚀过程的特点、按照腐蚀过程的特点2 2、按照腐蚀形式分类、按照腐蚀形式分类3 3、按照腐蚀环境分类按照腐蚀环境分类按照腐蚀环境分类按照腐蚀环境分类1)1)干腐蚀干腐蚀2)2)湿腐蚀湿腐蚀大气腐蚀大气腐蚀土壤腐蚀土壤腐蚀海水腐蚀海水腐蚀微生物腐蚀微生物腐蚀酸、碱、盐介质中的腐蚀酸、碱、盐介质中的腐蚀工业水中的腐蚀工业水中的腐蚀自然

15、环境下的腐蚀自然环境下的腐蚀工业环境中的腐蚀工业环境中的腐蚀8%2%6%8%11%1.2%19%23%22% 各种腐蚀所占比例各种腐蚀所占比例材料类型材料类型高分子材料高分子材料玻璃与陶瓷玻璃与陶瓷混凝土混凝土腐蚀类型或表现腐蚀类型或表现化学氧化化学氧化水解水解应力腐蚀应力腐蚀生物腐蚀生物腐蚀辐照分解辐照分解热、光氧化分解热、光氧化分解溶胀溶解溶胀溶解水解水解酸、碱侵蚀酸、碱侵蚀风化风化选择性腐蚀选择性腐蚀应力腐蚀应力腐蚀溶解浸蚀溶解浸蚀分解型腐蚀分解型腐蚀膨胀型腐蚀膨胀型腐蚀非金属材料的腐蚀类型非金属材料的腐蚀类型2 2天天 1010天天 1515天天纯环氧树脂涂层纯环氧树脂涂层/16Mn/

16、16Mn体系，体系，5%KCl5%KCl溶液，溶液，6060条件腐蚀前130，1MPa130，3.5 MPa175，3.5MPa200，9MPa外观微观结构强度MPa15.212.56.33.50氟橡胶耐氟橡胶耐H2S腐蚀性试验腐蚀性试验 时间时间/小时小时720h氯离子腐蚀酸雨腐蚀混凝土混凝土酸雨腐蚀五、腐蚀速度的表示法五、腐蚀速度的表示法1.均匀腐蚀（材料全部表面发生同样程度的腐均匀腐蚀（材料全部表面发生同样程度的腐蚀）蚀）1)物质流失明显过程物质流失明显过程n重量指标重量指标n深度指标深度指标n电流指标电流指标 重量指标重量指标 定义：把金属腐蚀后重量变化换算成金属表定义：把金属腐蚀后重

17、量变化换算成金属表 面积与单位时间内的重量变化来表示面积与单位时间内的重量变化来表示 包括：失重法包括：失重法 增重法增重法 单位：单位：g/(mg/(m2 2.h) g/(m.h) g/(m2 2.d) (gmd) .d) (gmd) 失重法失重法tSWWv10V V- -：失重时的腐蚀速度：失重时的腐蚀速度 (g/m(g/m2 2.h).h)W W0 0：试样的初始重量：试样的初始重量 (g)(g)W W1 1：清除腐蚀产物后试样的重量：清除腐蚀产物后试样的重量 (g)(g)S S：试样的表面积：试样的表面积 (m(m2 2) )t t：腐蚀时间：腐蚀时间(h)(h) 增重法增重法V V+

18、 +：增重时的腐蚀速度：增重时的腐蚀速度 (g/m(g/m2 2.h).h)W W0 0：试样的初始重量：试样的初始重量 (g)(g)W W2 2：试样腐蚀后的重量：试样腐蚀后的重量 (g)(g)S S：试样的表面积：试样的表面积 (m(m2 2) )t t：腐蚀时间：腐蚀时间(h)(h)tSWWv02 深度指标（深度指标（V VL L）定义：将试样的厚度因腐蚀而减小的量用腐蚀深度定义：将试样的厚度因腐蚀而减小的量用腐蚀深度 表示表示单位：单位：mm/a ipy重量指标与深度指标的换算关系重量指标与深度指标的换算关系ammVVVL/76. 810100365242V-: g/m2.h 电流指标电流指标 （i ia a）n以金属电化学腐蚀过程的阳极电流密度（以金属电化学腐蚀过程的阳极电流密度（A/cmA/cm2 2）大小来衡量）大小来衡量金属腐蚀速度的程度金属腐蚀速度的程度n法拉第定律法拉第定律n W W：析出或溶解的物质的量，：析出或溶解的物质的量，g gn M M：原子量：原子量 I I：电流强