材料腐蚀与防护

《航空材料与腐蚀防护》讲义

中国民航大学理学院材料化学教研室 苏景新

第一章 绪论

1.1 材料腐蚀的基本概念

腐蚀是一种自发过程。

腐蚀是由于环境作用引起的材料的破坏和变质。

从这个定义可以看出，材料（或结构）是否会发生腐蚀破坏，既取决于材料本身的性质，也与环境有关。

导致材料发生腐蚀的环境因素构成了腐蚀环境。腐蚀环境包括总体环境（大气环境）和工作环境。

随着非金属材料（塑料、橡胶，以及树脂基复合材料等）越来越多地用作工程材料，非金属材料的环境破坏现象也越来越引起人们的重视。因此，腐蚀科学家们主张把腐蚀的定义扩展到所有材料（金属和非金属材料）。

环境因素可以是机械的、物理的或化学的。如载荷造成的断裂和磨损，光和热造成的老化，氧化剂造成的氧化等。从这个意义来说，所有的材料破坏都可认为是腐蚀。这是腐蚀的广义概念。

但由机械的或物理的因素造成的材料或结构破坏，以及某些材料的老化等破坏形式，有专门的研究方法。所以通常所说的腐蚀是指由于环境因素与材料之间发生化学反应造成的破坏。这是腐蚀的狭义概念。

本课程中将主要介绍金属材料由于环境中化学因素造成的腐蚀及其控制。

1.2 研究材料腐蚀的重要性

材料腐蚀问题遍及国民经济的各个领域。从日常生活到交通运输、机械、化工、冶金，从尖端科学技术到国防工业，凡是使用材料的地方，都不同程度地存在着腐蚀问题。腐蚀给社会带来巨大的经济损失，造成了灾难性事故，耗竭了宝贵的资源与能源，污染了环境，阻碍了高科技的正常发展。

一、腐蚀给国民经济带来巨大损失

以金属材料为例，每年由于腐蚀而造成的经济损失约占国民经济生产总值的2%~4%（表1.1）。这些损失中包含了腐蚀的直接损失和间接损失，包括了浪费的材料和能源、腐蚀引起的原材料或产品的流失或污染、因腐蚀失效而损失的设备和结构、腐蚀降低设备性能造成的损失、因腐蚀造成的误工停产、因腐蚀导致的维修费用、控制腐蚀带来的费用，和因腐蚀造成的毒害物质泄漏所污染环境的治理费用等等。

材料腐蚀与防护

材料腐蚀是指在特定环境条件下，材料表面遭受化学或电化学作用而发生的破坏现象。腐蚀不仅会降低材料的强度和耐久性，还会对设备和结构的安全性造成严重威胁。因此，对材料腐蚀进行有效的防护至关重要。本文将就材料腐蚀的原因、分类及防护方法进行探讨。

首先，材料腐蚀的原因主要包括化学腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀。化学腐蚀是指材料与化学物质直接发生反应，导致材料表面腐蚀。电化学腐蚀是指在电解质存在的情况下，材料表面发生的电化学反应所致的腐蚀。微生物腐蚀是由微生物产生的代谢产物对材料表面造成的腐蚀。这些腐蚀形式各有特点，需要针对性地采取防护措施。

其次，根据腐蚀的性质和特点，可以将材料腐蚀分为干腐蚀和湿腐蚀。干腐蚀是指在干燥的环境中发生的腐蚀现象，主要包括氧化腐蚀、硫化腐蚀和氯化腐蚀等。湿腐蚀是指在潮湿或液态环境中发生的腐蚀现象，主要包括腐蚀、孔蚀和应力腐蚀等。针对不同类型的腐蚀，需要采取相应的防护措施。

针对材料腐蚀问题，可以采取多种防护方法。首先是选用耐腐蚀材料，例如不锈钢、耐蚀合金等，这些材料具有良好的耐腐蚀性能，能够有效地延缓腐蚀的发生。其次是表面涂层防护，通过在材料表面涂覆一层防腐蚀涂层，可以有效地隔绝材料与腐蚀介质的接触，起到防腐蚀的作用。另外，还可以采取阴极保护、阳极保护等电化学防护方法，以及改变环境条件、控制腐蚀介质浓度等措施来防止材料腐蚀的发生。

综上所述，材料腐蚀是一种常见的材料破坏现象，对设备和结构的安全性造成严重威胁。为了有效地防止材料腐蚀，需要深入了解腐蚀的原因和分类，针对不同类型的腐蚀采取相应的防护措施。只有通过科学的防护方法，才能有效地延缓材料腐蚀的发生，保障设备和结构的安全运行。

中国材料腐蚀与防护现状

腐蚀是指金属材料在与环境接触的过程中，由于化学或电化学作用而导致的材料性能恶化的现象。在中国这个拥有广阔土地和丰富资源的国家，腐蚀问题不可忽视。本文将主要讨论中国材料腐蚀与防护的现状。

一、材料腐蚀的类型

根据腐蚀的原理和机制，腐蚀可以分为化学腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀等几种类型。其中，化学腐蚀是指金属在化学介质（如酸、碱、盐等）的作用下发生的腐蚀；电化学腐蚀是指金属在介质中扮演阳极和阴极角色，通过电子传递和物质扩散而发生的腐蚀；微生物腐蚀则是指由微生物产生的酶、酸等物质对金属的腐蚀作用。

二、中国材料腐蚀的现状

在中国，腐蚀对材料的破坏是经济、社会和安全的重大问题。据统计，中国每年因腐蚀带来的直接经济损失约为国内生产总值的3%左右，相当于几百亿人民币。腐蚀不仅在工业生产中造成材料的早期失效和设备的事故，还对基础设施如桥梁、管道、水电站等的安全运行产生重要影响。

近几年来，中国政府高度重视腐蚀问题，并采取了一系列措施加以解决。政府部门加大了对腐蚀防护技术的研发投入，并积极推动在工艺、材料及装备等方面的创新。另外，加强监管执法力度，推出一系列相关政策和法规，加强腐蚀防护工作的宣传教育，提高相关人员的意识和技能。

三、中国材料腐蚀防护的技术

为了有效应对腐蚀问题，中国在材料腐蚀防护方面进行了一系列的研究和探索。以下是几种主要的腐蚀防护技术。

1.表面涂层技术

表面涂层技术是目前应用最广泛的腐蚀防护技术之一。通过在金属材料的表面形成一层阻挡物，有效隔绝了材料与环境的接触，以达到防腐蚀的目的。常见的表面涂层材料包括涂料、油漆、聚合物等。

2.电化学防蚀技术 电化学防腐蚀技术通过施加电压或电流的方式，在金属表面形成一层保护膜，减少金属与环境的接触，降低腐蚀速率。常见的电化学防腐蚀技术包括阳极保护和阴极保护等。

3.高温防腐蚀技术

高温环境下材料的腐蚀问题同样引起了重视。高温防腐蚀技术通过选择具有良好抗高温腐蚀性能的材料，以及采取隔热措施等方式，保护材料在高温环境下的安全使用。

材料腐蚀与防护

名词解释：

1、高温氧化:金属与环境介质中的气相或凝聚想物质发生化学反应而遭到破坏的过程称高温氧化。

2、缓蚀率：缓蚀剂的缓蚀效率，即缓蚀剂降低的腐蚀速度与原腐蚀速度的比值。

3、PB比：氧化物与金属的体积差对氧化物的保护性的影响，即氧化生成的金属氧化膜的体积与生成这些氧化膜所消耗的金属的体积的比值叫PB比。

4、平衡电极电位：当金属电极上只有唯一一种电极反应，并且该反应处于动态平衡时，金属的溶解速度等于金属离子的沉积速度，则此时电极获得的不变的电位值，称为平衡电极电位。

5、去极化：凡是能消除或印制原电池阳极或阴极极化过程的均叫做去极化。

6、应力腐蚀：是指金属材料在特定腐蚀介质或拉应力共同作用下发生的脆性断裂。

7、自腐蚀电位：在一个电极表面同时进行两个不同的氧化还原过程，当平衡时仅仅是电荷平衡而无物质平衡的电极电位，即外电流为零时的电极电位，称作自腐蚀电位。

简答：

1、高温氧化条件下，金属氧化膜具有保护作用的条件有哪些？（充分条件）

必要条件：PBR值大于1

充分条件：

（1）膜要致密，连续无孔洞，晶体缺陷少。

（2）稳定性好，蒸气压低，熔点高。

（3）膜与基体的附着力强，不易脱落。

（4）生长内应力小。

（5）与金属基体具有相近的热膨胀系数。 （6）膜的自愈能力强。

2、简述提高合金抗氧化的可能途径有哪些?

通常利用合金化来提高金属的抗氧化性。

方法有：（1）、减少基体氧化膜中晶格缺陷的浓度；（2）、生成具有保护性的稳定相；（3）、通过选择性氧化生成优异的保护膜。

3、流速对扩散控制下的腐蚀速度有什么影响？

溶液流速增加使扩散层厚度减小，腐蚀速度增加。对于活化体系，腐蚀速度随溶液流速增加而增加，但当流速增大到一定值后，由于氧供应充足，阴极由氧的扩散控制变成了活化控制，此时活化控制的腐蚀速度与介质的流速无关。对于可钝化体系，在氧扩散控制的条件，体系未进入钝态前，腐蚀速度随流速增加而增加。当速度达到或超过临界值时，即极限扩散电流密度已达到或超过临界钝化电流密度时，金属由活化态变为钝态，此时阳极的腐蚀由阳极扩散控制转变为阳极电阻极化控制，腐蚀速度为维钝电流密度，但当溶液流速继续增加时，腐蚀过程又转为氧扩散控制，腐蚀速度将迅速增加。