金属材料的耐蚀性能.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,遗留问题：氧浓差电池,氧含量低的部位为阳极,氧含量高的部位为阴极,均匀腐蚀：氧含量高，金属均匀腐蚀速度大,动力学,氧浓差腐蚀：氧含量高的部位为阴极不腐蚀热力学，电极电位,矛盾？,O,2,+2H,2,O+4e 4OH,氧含量高，得电子多，促进阳极区的溶解,水线腐蚀：,浸在水中的金属设备，气液交界部分比紧靠液面以下部分腐蚀轻微,例子：置入水中的铁桩，在固液界面处，埋在砂土中的腐蚀程度比在水中部,分的严重。,水线腐蚀示意图,气液交界处：液面上比紧靠液面下的部分腐蚀轻微,液固界面处：埋在海泥中金属腐蚀的程度比在海水中的,要严重,置入海水中的铁桩,？,氧浓差局部腐蚀：,第十章,金属材料的耐蚀性,第一节 金属耐腐蚀合金化原理,一、利用合金化提高金属耐腐蚀性的途径,1.,提高金属的热力学稳定性,加入热力学稳定性高的元素，在合金表面形成由贵金属的原子组成的表层,局限,：,1,）加贵金属，经济上贵,2,）固溶度的限制，很多高浓度固溶合金无法形成,2.,阻滞阴极过程,1,）减少合金中的活性阴极面积：阴极相上析氢过电势低,2,）加入析氢过电势高的合金元素,3.,阻滞阴极过程,1,）减少合金中阳极相的面积：当第二相是阳极时实际很少,2,）加入易钝化的合金元素：,Cr,、,Al,3,）加入强阴极性合金元素，促进合金钝化,限制：,1,）腐蚀体系可钝化，否则适得其反。,2,）加入的钝化元素要与腐蚀体系相适应，使阳极极化刚好落在钝化区,4,、加入合金元素，使表面形成完整的有保护性的腐蚀产物膜,例如钢中加入铜和磷，促进表面生成非晶,FeO,x,.(OH),3-2x,保护膜，能显著提高合金耐大气腐蚀的性能。,二、金属耐蚀合金化机理,1,、,有序固溶体理论,n/8,定律,耐蚀组元与不耐蚀组元形成长程有序固溶体，表面层由单一耐蚀组元的原子构成，合金耐蚀性大幅提高。耐蚀性明显提高的原子百分比服从,n/8,定律。,Fe,Cr,合金？,2,、电子结构理论,过渡族金属在形成固溶体时，原子内部电子结构发生变化。,如,Fe,Cr,合金，,Cr,原子的,3d,层缺,5,个电子，与,Fe,形成固溶体时，可从,Fe,处夺得,5,个电子，并使,Fe,进入钝态。,5,、表面负极阴极性合金元素促使阳极钝化的理论,4,、表面富集耐蚀组分形成完整结晶层理论,7,、表面形成致密的腐蚀产物膜,6,、贵金属元素表面富集理论,3,、表面富集耐蚀相理论,多相合金，表面有一相优先溶解。如,黄铜，,相含,Zn,多，优先溶解,当阳极相不能钝化时，富集相会促进阳极溶解，对耐蚀性不利。,灰铸铁或碳钢在硫酸中腐蚀，疏松石墨或碳化物富集在表面，加速腐蚀,2,）合金基体为阴极，第二相为阳极,1,）合金基体为阳极，第二相为阴极,优先腐蚀的结果是表面形成,疏松、不连续,富集相,？不连续,当阳极相能钝化时，疏松富集相能促进钝化，提高耐蚀性。,灰铸铁或碳钢在硝酸中腐蚀，表面富集的石墨或碳化物促进基体钝化,优先腐蚀的结果是表面形成,连续,富集相（,？连续），耐蚀性提高,第二节 钢和铁的耐蚀性,一、铁的耐蚀性特点,2,）铁锈和,Fe,2+,可作为阴极去极化剂加速铁腐蚀：,Fe,3,O,4,+H,2,O+2e,3FeO,+2OH,Fe,3+,e=Fe,2+,铁的耐蚀性很差，可能原因是：,1,）铁及其氧化物上的,析氢过电势,和,吸氧过电势,都很低，容易发生析氢和吸氧腐蚀，所以耐蚀性很差。,3),铁在自然环境下难钝化，灰铸铁或碳钢中的石墨或碳化物是高效微阴极，加速铁腐蚀,4),铁的腐蚀产物保护性较差，可能是初期形成易溶的,Fe(OH),2,5),铁易形成氧浓差电池，引起缝隙腐蚀,3),铁在盐酸中的腐蚀,腐蚀速度与,盐酸浓度,呈指数关系,/,与,碳含量,成正比,4),铁在硫酸中的腐蚀,腐蚀腐蚀与硫酸浓度呈“双峰”规律,硝酸中？,HF,中？,二、碳钢、低合金钢的耐蚀性,碳钢在自然环境下不耐蚀，,低合金钢,随碳增加，腐蚀加快,？,碳化物的作用,？,加入少于,3.5%,的合金元素,为了不同目的，开发出,各种耐蚀低合金,耐候钢,耐海水腐蚀钢,耐高温高压氢和氮腐蚀钢,耐硫化物应力腐蚀开裂钢,表面形成致密而附着性好的保护性锈层,第三节 不锈钢的耐蚀性,不锈钢分类,：,不锈钢,：在空气中耐蚀的钢。,耐酸钢,：在各种侵蚀性较强的介质中耐蚀的钢。,不锈耐酸钢,：不锈钢和耐酸钢的统称，简称,“,不锈钢,”,。,不锈钢在氧化性足够强的环境下，在其表面生成一层钝化膜，这种钝化膜十分致密且容易自行修复，所以在很多介质中都是耐蚀的。,按成分分类,：铬钢、镍铬钢、铬锰钢。,按组织分类,：奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、双相钢。,按用途分类,：耐海水腐蚀、耐点蚀、耐应力腐蚀、耐硝酸腐蚀不锈钢,”,。,一、不锈钢的种类及一般耐蚀性,Ni,：塑性,耐碱腐蚀性,铁素体钢：发展最早，脆性大,焊接,HAZ,晶粒粗大，脆,马氏体钢：高碳，高温为奥氏,体组织，,调质态使用,奥氏体钢：占不锈钢,70,二、不锈钢的晶间腐蚀,腐蚀优先发生在晶粒边界上，并沿晶界向晶内发展,贫铬理论,铬：铁素体形成元素，耐蚀性，塑性,镍：奥氏体形成元素，塑性，耐热性,450,850,0,C,缓慢冷却，析出,Cr,23,C,6,，周围贫铬,（铬的扩散远比碳慢敏化处理）,贫铬的防止措施：,晶界处形成,Cr,23,C,6,周围贫铬,耐蚀性：,n/8,规律，,12.5at.%,或,11.7wt%,奥氏体不锈钢：,18,8,不锈钢，,C,：,0.03%,以下,加,Ti,、,Nb,固溶处理后快冷,造成上述差别的原因：,1,）碳在铁素体中的固溶度远远低于在奥氏体中的；,2,）铬在铁素体中扩散速度比奥氏体中大两个数量级。,奥氏体不锈钢：,850,0,C,900,0,C,，碳化物固溶，,快冷,铁素体不锈钢：,850,0,C,900,0,C,，碳化物析出。,采取,700,0,C,800,0,C,长时间加热，消除成分不均匀。,铁素体不锈钢：,晶间腐蚀贫铬理论，,Cr7C3,，但消除贫铬的方法刚好相反：,三、不锈钢的应力腐蚀,不锈钢：钝化表面在,Cl-,作用下，表面薄弱点处先破裂,不锈钢在热浓氯化物、热浓碱、高温水、硫化物中均可发生,SCC,应力腐蚀条件：特定的合金成分、拉应力、特定的介质,四、不锈钢的点腐蚀和缝隙腐蚀,取决于钝化膜的稳定性,孔蚀,钝化膜局部破坏，又没足够的氧化条件得以及时修补，露出的基体成小阳极，外面保持钝化的膜成大阴极。,缝隙腐蚀,在金属表面任何一处沉积物、附着物下面及接头的接合面处，在与周围相溶液屏蔽的区域和未屏蔽的区域形成了氧浓差电池。,自催化酸化作用孔蚀、应力腐蚀,在外力作用下加速,破坏钝化条件,奥氏体不锈钢：（,111,）面滑移，层错结构，位错在基体与膜的界面处塞 积，塞积端部应力大，导致膜破裂,铁素体不锈钢：,(,112),、,(110),、,(123),面滑移，交叉滑移，网状位错结构，不易形成粗大滑移台阶，应力腐蚀敏感性小。,第四节 铜及铜合金的海水腐蚀,铜的热力学稳定性高,表面形成了氧化亚铜,Cu,2,O,保护膜,Cu,Cu,2+,+2e,标准电极电位为,0.34 V(SHE),Cu,Cu,+,+e,标准电极电位为,0.52 V(SHE),一、铜的耐蚀性特点,多数情况下铜在溶液中形成,Cu,2+,离子。,铜在一般水溶液中不会发生析氢腐蚀，可发生吸氧腐蚀,因此，,铜在,含氧化剂,的的溶液中,会,发生析氢腐蚀，也会发生吸氧腐蚀,如浓硫酸中：钢钝化，铜则腐蚀（钝化能力差）,铜耐大气腐蚀,铜合金基体和保护膜硬度都很低，因此抗高速海水冲击腐蚀能力很差。,二、黄铜的耐蚀性,黄铜在大气和海水中都很耐蚀,黄铜脱锌选择性腐蚀：主要发生在热的海水中,特殊现象,应力腐蚀破裂黄铜弹壳在雨季的季裂，氨脆,(NH,3,),a,）韧性差的表面膜破裂,b),膜优先沿晶界生成,c,）膜至一定厚度后脆裂,d),裂纹扩展，因滑移而中止，,裂纹尖端暴露在溶液中,e),界间渗透、成膜,f),下一步裂纹扩展,黄铜,优良的塑性和加工性能,较好的耐蚀性,比纯铜更高的强度,优异的铸造性能，适于铸造复杂和精致的铸造用品,一、镍的耐蚀性,第五节 镍及其合金的耐蚀性,镍的标准电势,0.25V,，比氢低，但镍的阳极过电势高，。,故,在非氧化性酸中耐蚀性很,好,但,在增加氧化剂或通入空气的酸中，,腐蚀,速度增加,在,浓硝酸中易,钝化,二、合金元素对镍基合金的蚀性的影响,Cu,：提高镍在,还原性,介质中的耐蚀性，及在海水中的均匀钝性,？,Cr,：赋予镍在,氧化性,介质中的耐蚀性及高温抗氧化能力,？,Mo,：提高在还原酸中的耐蚀能力,Mn,：改善镍在含硫高温气体中的耐蚀性,Si,：提高抗浓硫酸腐蚀和提高强度,Fe,：提高强度，对耐蚀性作用不大,Ni-Cu,、,Ni-Cr,、,Ni-Mo,、,Ni-Cr-Mo,合金,第六节 铝及铝合金的耐蚀性,孔蚀,由于表面钝化膜弱点或材质不均匀处保护膜局部破坏,晶间腐蚀,不适当的热处理会导致铝合金晶界处连续析出物形成阴极相，晶界贫合金元素发生阳极溶解，产生晶间腐蚀,应力腐蚀,热处理强化的,高强度铝合金,，强度级别越高，应力腐蚀越严重，它和晶间腐蚀密切相关。,剥落腐蚀,多见于变形铝合金，表面挤压层材料的再结晶层不受腐蚀，此层之下的发生腐蚀,铝的平衡电极电位,-1.67V,，热力学上很不稳定。,铝及铝合金之所以耐腐蚀，是由于表面生成一层惰性的氧化铝薄膜。,一、纯铝的耐蚀性,氧化铝薄膜,：,Al,2,O,3,或,Al,2,O,3,.nH,2,O,形成方法,铝表面氧化膜厚度,/m,天然铝膜,退火铝膜,水蒸汽作用,铝阳极氧化,铝硬质氧化,0.05,0.2,12,820,3050,氧化铝：,中性，酸、碱中都可溶,在酸、碱中耐蚀性不好,耐蚀性：,在大气和中性介质中耐蚀,二、铝合金的耐蚀性,铝合金,优良的塑性和加工性能（变形铝合金化）和优异的铸造性能（铸造铝合金）,较好的耐蚀性,比纯铝更高的强度,第七节 镁及镁合金的耐蚀性,纯镁的平衡电极电位,-2.3V,，热力学上,非常不稳定,。,镁表面也会生成一层暗色氧化膜，但不够致密，且脆，,保护性很差,。,镁合金,在酸性、中性和碱性溶液中耐蚀性都不好,但,在,pH,11,的强碱中可以生成稳定的钝化膜，耐蚀性较好,若强碱中含,Cl,，钝化膜会遭到破坏，耐蚀性下降,镁合金经氧化处理后，耐蚀性尚好，一般氧化后还需涂层保护,通常纯镁比镁合金的耐蚀性好些,密度低，镁合金具有很高的比强度；,优良的抗震性能，比,Al,合金承受更大的冲击载荷；,优秀的切削加工性能和抛光性能。,但抗蚀性差，必须适当保护才能使用,第七节 钛及钛合金的耐蚀性,钛是热力学上很活泼的金属，其平衡电极电位是,-1.63V,但钛表面很容易形成一层保护极好的氧化膜，使之处于钝态，此时电位大幅度正移，是目前最好的一种耐蚀性材料,钛合金表面钝化膜的自修复能力非常强,与不锈钢相比，钛的钝化有下列特点,：,1,）致钝电位低,2,）温度钝化电势区宽,3,）,Cl-,存在时，不会破坏钝化膜,耐氯化物腐蚀,钛在高温下不稳定，能与氧、硫、碳等发生剧烈反应,不耐高温氧化或腐蚀,钛合金在化学工业中是,耐腐蚀,最好的金属材料但是,贵,Ti,合金的强度与优质钢相近，比强度比任何合金都高,优良的耐蚀性,Ti,合金的压力加工性能良好,但冶炼技术复杂，成本高,