金属的电化学腐蚀.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,*,第三章 金属的电化学腐蚀,第一节 腐蚀原电池,1.1腐蚀原电池模型,物理学中规定，电流方向:,电位高(正极)电位低(负极),(即图中是电流方向是从cu片流向Zn片);,电子流动方向则相反:,电位低(负极)电位高(正极),腐蚀学中普通规定：电位较低的电极为阳极，电位较高的电极为阴极。,原电池中将发生以下电化学反映：阳极反映：阴极反映：电池总反映：这样的电池在讨论腐蚀问题时称作腐蚀原电池，简称腐蚀电池。腐蚀电池与原电他的区别仅在于：原电池是能够把化学能转变为电能，作出有用功的装置。而腐蚀电池是只能造成金属破坏而不能对外作有用功的短路电池。,1.2,腐蚀电池的基本过程,腐蚀电池工作的基本过程以下：,(1)阳极过程：金属溶解，以离子形式迁移到溶液中，同把当量电子留在金属上。,(2)电流通路：电流在阳极和阴极间的流动是通过电子导体和离子导体来实现的，电子通过电子导体(金属)从阳极迁移到阴极，溶液中的阳离子从阳极区移向阴极区，阴离子从阴极区向阳极区移动。,(3)阴极过程；从阳极迁移过来的电子被电解质溶液中能吸取电子的物质(D)接受。,阳极和阴极两个过程在相称程度上独立而又互相依存的过程。,次生反映和次生产物：从阳极区扩散过程来的金属离子和从阴极区迁移来的氢氧根离子相遇形成氢氧化物沉淀产物，称这种产物为次生产物，形成次生产物的过程为次生反映。,1.3,宏观和微观腐蚀原电池,根据构成腐蚀电他的电极大小，可把腐蚀电池分成两大类：,宏观电池,微观电池,宏观腐蚀电池,肉眼可分辨出电极极性的电池为宏观电池。,典型的宏观电池有三种：,1)不同的金属浸在不同的电解质溶液中，如丹聂尔电池。,2)不同的金属与同一电解质溶液构成的腐蚀电池。,3)同一种金属浸入同一种电解质溶液中，当局部的浓度(或温度)不同时，构成的腐蚀电池，普通称为浓差电池。,可用奈恩斯特,(Nernst),方程式计算：,由式看出，,金属的电位与金属的离子浓度有关，还与溶液的温度有关。,2.,微观腐蚀电池,由于金属表面的电化学不均匀性，在金属表面上微社区域或局部区域存在电位差，这样形成的腐蚀电池即为微观腐蚀电池。,微观腐蚀电池重要有下列几个：,(1)金属化学成分不均匀；,(2)金属组织的不均匀；,(3)金属表面的物理状态不均匀；,第二节 电极与电极电位,2.1 电极,定义：电子导体与离子导体构成的体系。电极可分为单电极和多重电极。单电极是指在电极的相界面上只发生唯一的电极反映，而多重电极则可能发生多个电极反映。,2.2 电极电位,金属与溶液的界而上进行的电化学反映称为电极反映。,电极反映造成在金属和溶液的界面上形成双电层，双电层两侧的电位差，即为电极电位，也称为绝对电极电位。,电极电位的测定：绝对电极电位无法测得，但可通过测量电池电动势的办法测出其相对电极电位值。,1）平衡电极电位和非平衡电极电位 当金属电极上只有唯一的一种电极反映，并且该反映处在动态平衡时，金属的溶解速度等于金属离子的沉积速度，则建立起以下的电化学平衡：此时电极获得了一种不变的电位值，普通称该电位值为平衡电极电位。平衡电极电位也是可逆电极电位即该过程的物质交换和电荷交换都是可逆的。平衡电极电位E可用奈恩斯特(Nernst)公式计算,当金属电极上同时存在两个或两个以上不同物质参加的电化学反映当动态平衡时电极上不可能出现物质交换与电荷交换均达成平衡的状况，这种状况下的电极电位称为非平衡电极电位，或不可逆电极电位。稳态电极电位也可称作开路电位。即外电流为零时的电极电位(Ei=0)，也可称作自腐蚀电位 非平衡电极电位不能用奈思斯特公式计算，只能由实验测定。非平衡电极电位与电解质的种类有关，以及溶液浓度、温度、流速及金属表面状态对非平衡电极电位都有一定的影响。,2）原则电极电位,原则电极电位是指参加电极反映的物质都处在原则状态，即25，离子活度为1，分压为1105Pa时测得的电势(氢标电极为参比电极)。,原则电极电位也可用奈思斯特公式计算。,3,）,参比电极,惯用的参比电极有下列几个：,（1）原则氢电极；,（2）铜/硫酸铜电极；,（3）甘汞电极；,（4）银氯化银电极；,*原则氢电极是由电解镀铂丝浸在H+活度等于1的溶液和1105Pa氢压氛围中构成的。规定在任何温度下，原则氢电极电势都为零，*铜/硫酸铜电极是金属Cu浸在含有自己离子的溶液中构成电极。*甘汞电极：甘汞电极参比电极中用得最多的一种的优点：电位稳定，再现性好缺点：对温度较敏感。*银氯化银电极：其优点：其能够直接在中性氯化物溶液中使用，适合于微区测量，高温稳定性好，是在高温溶液中经常采用的一种参比电极。,第三节 极化,3.1 极化现象及极化概念,由于电极上有净电流通过，电极电位明显,地偏离了未通净电流时的起始电位的变化,现象普通称为极化。由于有电流通过而发 电吸极化的I-t曲线示意图,生的电极电位偏离于原电极电位Ei=0的变,化值，称作过电位。,普通用希腊字母表达：,可知：电极极化(无论阳极极化还是,阴极极化)程度与电流密度有关。,腐蚀电池接通电路前后电位-时间变化示意图,3.2 电极极化的因素产生阳极极化因素：(1)活化极化。阳极过程是金属离子从基体转移到溶液中并形成水化离子的过程。当金属离子进入到溶液里的速度不大于电子从阳极迁移到阴极的速度，则阳极上就会有过多的带正电荷金属离子的积累，由此引发电极双电层上的负电荷减少，于是阳极电位就向正方向移动，产生阳极极化。这种极化称为活化极化或电化学极化。(2)浓差极化。当进入到溶液中的金属离子向远离阳极表面的溶液扩散得缓慢时，会使阳极附近的金属离子浓度增加，妨碍金属继续溶解必然使阳极电位住正方向移动，产生阳极极化，这种极化称为浓差极化。(3)电阻极化。在阳极过程中，由于某种机制在金属表面上形成了钝化膜，阳极过程受到了妨碍，使得金属的溶解速度明显减少，此时阳极电位激烈地向正的方向移动，由此引发的极化称为电阻极化。（电阻极化是发生在阳极过程中的一种特殊的极化行为）,产生阴极极化因素：(1)阴极活化极化。阴极过程是接受电子过程，当由阳极迁移来的电子过多由于某种因素阴极接受电子的物质与电子结合的速度进行得很慢使阴极积累了剩余电子，电子密度增高，成果使阴极电位向负方向移动，产生阴极极化。这种由于阴极过程或电化学过程进行的缓慢引发的极化称作阴极活化极化或电化学极化(2)阴极浓差极化。阴极附近参加反映的物质或反映产物扩散较慢引发阴极过程受阻，造成阴极电子堆积，使阴极电位向负方向移动由此引发的极化为浓差极化。,3.3,过电位,*定义：过电位-电极极化值是工作电位对其起始电位(净电流等于零)的偏离值。,*分类：1）活化极化过电位；,2）浓差极化过电位；,3）混合极化过电位；,4）电阻极化电位；,*交换电流密度,由于极化过电位不仅与一定的电极体系有关，并且与电极反映的电流密度之间存在一定的函数关系。,物理意义：交换电流密度定量地描述了电极反映的可逆程度，即表达了电极反映的难易程度。交换电流密度是电荷迁移过程的一种非常重要的动力学参数。,3.4,极化曲线,定义：表达电极电位和电流之间关系的曲线。,分类：表观极化曲线和抱负极化曲线。抱负极化曲线-以单电极反映的平衡电位作为起始电位的极化曲线。,*表观极化曲线或实测极化曲线-由实验测得的腐蚀电位与外加电流之间关系曲线。,表观极化曲线的起始电位只能是腐蚀电位而不是平衡电极电位。在金属腐蚀与防护研究中，测定金属电极体现极化曲线是惯用的一种研究办法。,极化曲线的测定办法：稳态法、暂态法。*暂态法极化曲线的形状与时间有关，测试频率不同，极化曲线的形状不同。优点：暂态法能反映电极过程的全貌，便于实现自动测量，含有一系列性。*稳态法是指测量时与每一种给定电位对应的响应信号(电流)完全达成稳定不变的状态。稳态法仍是最基本的研究办法。稳态法（按其控制方式）分恒电位法和桓电流法。(1)恒电位法是以电位为自变量，测定电流与电位的函数关系：if(E)。(2)恒电流法是以电流为自变量，测定电位与电流的函数关系：Ef(i)。合用范畴：桓电流法使用仪器较为简朴，也易于控制，重要用于某些不受扩散控制的电极过程，或电极表面状态不发生很大变化的电化学反映。但当电流和电位间呈多值函数关系时，则测不出活化向钝化转变的过程。恒电位法合用范畴较宽，不仅适合电流和电位的单值函数关系，也合用多值函数关系。采用桓电位法能真实地反映电极过程，测出完整的极化曲线。,典型阳极极化曲线分析：,第四节 去极化,4.1,去极化概念,定义-但凡能消除或克制原电池阳极或阴极极化过程的均叫作去极化。能起到这种作用的物质叫作去极剂，去极剂也是活化剂。,但凡在电极上能吸取电子的还原反映都能起到去极化作用。,阴极去极化反映种类：,(1)阳离子还原反映；,(2)析氢反映；,(3)阴离子的还原反映；,(4)中性分子的还原反映；,(5)不溶性膜或沉积物的还原反映；,4.2,析氢腐蚀,以氢离子作为去极剂，在阴极上发生2H+2eH2的电极反映叫氢去极化反映。由氢去极化引发的金属腐蚀称为析氢腐蚀。,析氢反映构成环节(普通在酸性溶液中)：,（1）水化氢离子向电汲扩散并在电极表面脱水；,（2）氢离于与电极表团的电子结合(放电)形成原子氢，吸附在电极表面上。,（3）吸附在电极表面的H原子与刚发生放电的活性H原子结合成H2分子；,（4）氢分子形成气泡从表面逸出。,氢去极化的阴极极化曲线如图所示：在相似的条件下，析氢过电位愈大，意味着氢去极化过程就愈难进行，金属的腐蚀就愈慢。因此可用提高析氢过电位，减少氢去极化过程，控制金属的腐蚀速度。提高析氢过电位方法：(1)加入析氢过电位高的合金元素。如加入Hg、Pb等台金元素，提高合金的析氢过电位，增加合金的耐蚀性。(2)提高金屑的纯度，消除或减少杂质。(3)加入阴极绥蚀剂提高阴极析氢过电位。如在酸性溶液中加As、sb、Hg、盐，在阴极上析出As、sb、Hg，增加了金属的析氢过电位，从而提高了合金的耐蚀性。,4.3,氧去极化腐蚀,当电解质溶液中有氧存在时，在阴极上发生氧去极化反映，,在中性或碱性溶液中：,在酸性溶液中：,由此引发阳极金属不停溶解的现象称作氧去极化腐蚀。,许多金属及其合金在中性或碱性溶液中，在潮湿大气、海水、土壤中都可能发生氧去极化腐蚀，甚至在流动的弱酸性溶液中也会发生氧去极化反映。因此，与析氢腐蚀比较，氧去极化腐蚀更为普遍和重要。,氧去极化的阴极权化曲线：由于氧去极化的阴极过程与氧向金属表面输送过程及氧的离子化反映有关因此氧去极化的阴极极化曲线比较复杂。分为四个部分：(1)阴极过程由氧离子化反映控制，即反映速度传输速度。(2)阴极过程由氧的扩散过程控制，即传输速度反映速度。随着电流密度的不停增大，氧扩散过程缓慢引发浓差极化。(3)阴极过程由氧的离子化反映与氧的扩散过程混合控制，即传输速度=反映速度。(4)阴极过程由氧去极化及氢去极化共同控制。,影响免去极化腐蚀的因素：,（1）氧的浓度。,极限扩散电流密度随溶解氧的浓度增加而增加，氧去极化腐蚀速度随着氧的浓度增加而增加。,（2）流动速度。,在氧浓度一定的状况下，极限扩散电流密度与扩散层厚度呈成反比。溶液流速增加使扩散层厚度减小，腐蚀速度增加。腐蚀速度随溶液流速的增加而增加。,（3）温度。,普通溶液温度升高有助于提高界面反映速度。因此，在一定的温度范畴内腐蚀速度将随温度升高而加速。,（4）盐浓度,随着盐浓度增加，溶液的电导率增大，腐蚀速度明显加紧。,第五节 腐蚀极化图,5.1伊文思(Evans)极化图,不考虑电位随电流变化细节，可将两个电极反映所对应的阴极、阳极极化曲线简化成直线画在一张图上，这种简化了的图称为伊文思极化图。,在实验室里，普通用外加电流,测定阴、阳极极化曲线来,绘制伊文思极化图。,伊文思 腐蚀图以下所示,反映：腐蚀电池的腐蚀电流与初始电位差、系统电阻和极化性能之间的关系。,5.3腐蚀控制因素 （1）初始电位差与腐蚀电流的关系 当腐蚀电池的电阻趋近于零且其它条件相似时，腐蚀电池的初始电位差愈大(腐蚀原电池驱动力大)，其腐蚀电流愈大。反之，其腐蚀电流愈小。（2）极化率与腐蚀电流关系 当腐蚀电池中欧姆电阻可无视，且初始电位一定的状况下，极化率愈小其腐蚀电流愈大。反之，其腐蚀电流愈小3）氢过电位与腐蚀速度的关系 阴极析氢过电位的大小与阴极电极材料的性能及表面状态有关，即在不同金属表面上氢过电位不同。普通氢过电位越大，腐蚀速度都明显增加。,第六节 金属的钝化,6.1 金属的钝化现象,Fe在HNO2溶液中溶解行为如图所示：,定义：金属或合金在一定条件下，由活化态转,为钝态的过程称为钝化，金属（合金）钝化后,所含有的耐蚀性称为钝性。,钝化的实际意义：,1）可运用钝化现象提高金属或合金的耐蚀性。,2）在有些状况下又但愿避免钝化现象的出现。,如：电镀时阳极的钝化常带来有害的后果，它使电极活性减少，从而减少了电镀效率等。,6.2 钝化的因素,引发金属钝化的因素有化学及电化学两种：化学因素引发的钝化：普通是由强氧化剂引发的。,电化学钝化：是指外加电流的阳极极化产生的钝化。,6.3 钝化曲线及其类型和特性,钝化曲线：表达金属或合金的钝化区的电位-电流的极化曲线。,按活化-钝化过渡区、钝化区和过钝化区等特性，可把钝化体系的阳极极化曲线的重要特性归纳为以下几个状况：,1）活化-钝化过渡区（如图）有三种可能出现的曲线特性：其中最简朴的状况只出现单一电流峰（图中的第种状况）；第三种形式（图中第种状况）极化曲线中，则有多个电流峰出现。2）钝化区：对于多数钝化金属来说，在钝化区，稳态阳极电流是不随电位而变化的（图中的第种状况），而对某些金属如Co，则体现出逐级钝化的状况，（图中第种状况）即不同电位区间，其钝化程度也不相似。另外，少数金属，如Ni在钝化区内，它的钝态电流密度是随电位增加而增加的（如图中第种状况）。3）过钝化区：过钝化区的特性是，电位达成或超出钝化电位时，阳极溶解电流又忽然随电位升高而增加，金属表面经受全方面腐蚀（图中c）。当电位进一步升高，过钝化电流达成某一极限值时，过钝化电流对金属表面含有抛光作用。,6.4钝化膜的性质 钝化膜的构成：1）金属氧化物（多数状况）；2）铬酸盐、磷酸盐、硅酸盐及难溶的硫酸盐和氯化物；钝化膜与溶液的PH值、电极电位及阴离子性质，浓度有关。如果把已钝化的金属，通阴极电流进行活化解决，测量活化过程中电位随时间的变化，可得到阴极充电曲线.（以下图）可见，曲线上出现了电位变化很缓慢的平台，这表明还原钝化膜需要消耗一定的电量。,6.5,钝化理论,1）成相膜理论,该理论认为：钝化金属的表面存在一层非常薄、致密、并且覆盖性能良好的三维固态产物膜。,该膜形成的独立相（成相膜）的厚度普通在1-10nm之间，它可用光学法测出。这些固相产物大多数是金属氧化物。另外，磷酸盐、铬酸盐、硅酸盐以及难熔的硫酸盐、卤化物等在一定的条件下也可构成钝化膜。,2）吸附理论,吸附理论认为：金属钝化并不需要生成成相的固态产物膜；只要在金属表面或部分表面上形成氧或含氧粒子的吸附层。,这种吸附层只有单分子层厚，它能够是原子氧或分子氧，也能够是 OH-或O-。,吸附层对反映活性的阻滞作用有以下几个说法：,（1）认为吸附氧饱和了表面金属的化学亲和力，使金属原子不再 从晶格上移出，使金属钝化；,（2）认为含氧吸附层粒子占据了金属表面的反映活性点，例如边沿、棱角等处。因而阻滞了金属表面的溶解；,（3）认为吸附变化了“金属电解质”的界面双电层构造，使金属阳极反映的激活能明显升高，因而减少了金属的活性。,1.名词解释：,腐蚀原电池、宏观电池、浓差电池、微观电池、电极、平衡电极电位、稳态电极电位、非平衡极电位、自腐蚀电位、金属电极、单电极、极化、析氢过电位、阳极极化、阴极极化、浓差极化、活化极化、电阻极化、去极化、去极剂、析氢腐蚀、吸氧腐蚀、钝性、致钝电流密度。,2电化学府蚀的热力学判据有几个？举例阐明它们的应用和使用的局限性。,3什么是电位pH图?试用FeH2O体系的电位pH图阐明各直线、点、区域的物理意义和控制铁腐蚀的具体技术途径。电位PH图使用中有何局限性?,4何谓腐蚀电池？腐蚀电池和原电池有无本质区别?因素何在?,5腐蚀电池由几个部分构成?其基本过程是什么?二次反映产物对金属腐蚀有何影响。,6腐蚀电池分类的根据是什么?它可分为几大类?,7什么是异金属接触电池、浓差电池和温差电池?举例阐明这三类腐蚀电池的作用和原理。,8何谓原则电极电位。,9.什么是腐蚀极化图和Evans极化图?如何测得?腐蚀极化图在研究电化学腐蚀中有 何应用？,10.从腐蚀电池出发，分析影响电化学腐蚀速率的重要因素。,11在电化学极化控制下决定腐蚀速率的重要因素是什么,12浓差极化控制下决定腐蚀速率的重要因素是什么?,第三章思考题,13实现金属的自钝化，其介质中的氧化剂必须满足什么条件?试举例分析阐明随着介质的氧化性和浓度的不同，对易钝化金属可能腐蚀的四种状况。,14成相膜理论和吸附理论各自以什么论点和论据解释金属的钝化，两种理论各有何局限性?,15.写出下列各小题的阳极和阴极反映式。,a）铜和锌连接起来，且浸入质量分数为3%的NaCl水溶液中。,b)在a中加入少量HCl。,c)在a中加人少量铜离子。,d)铁全浸在淡水中。,16.用腐蚀极化图和文字阐明：Fe在HCl中发生腐蚀时，氢离子浓度增大对腐蚀行为的影响。,17.简述钝化产生的因素及钝化的意义。,18.简述金属在极化过程中腐蚀速度减慢的因素。,19.已知Fe和纯Pb在25，0.5mol/L的H2SO4溶液中的动力学参数,，。，。,试问：,（1）在相似极化条件下，在哪种金属上的析氢反映速度大（用体现式表达）？,（2）用作盛装稀设备的内衬，应当选用Fe还是Pb，为什么？,第四章 全方面腐蚀与局部腐蚀,第一节 全方面腐蚀,1.1全方面腐蚀的特性,整个金属表面均发生腐蚀，它能够是均匀的也能够是不均匀的。,普通属于微观电池腐蚀。,1.2全方面腐蚀速度,1）腐蚀速度惯用的表达办法：,重量法是用试样在腐蚀前后重量的变化（单位面积、单位时间内的失重或增重）表达腐蚀速度的办法。其体现式为：,重量法,和,深度法,用重量法计算的腐蚀速度只表达平均腐蚀速度，即是均匀腐蚀速度。缺点：用重量法表达腐蚀速度很难直观懂得腐蚀深度。,深度法适合密度不同的金属。,计算公式：,事实上，该式是将平均腐蚀速度换算成单位时间内的平均腐蚀深度的换算公式。,对均匀腐蚀的金属材料，判断其耐蚀程度及选择耐蚀材料，普通采用深度指标。,1.3 耐蚀原则,分为六个类别,10,等级,：,完全耐蚀、很耐蚀、耐蚀、尚耐蚀、欠耐蚀、不耐蚀,第二节 局部腐蚀,2.1,点腐蚀,点腐蚀（孔蚀）是一种腐蚀集中在金属（合金）表面数十微米范畴内且向纵深发展的腐蚀形式，简称点蚀。,点蚀是一种典型的局部腐蚀形式，含有较大的隐患性及破坏性。,1)点蚀的形貌特性及发生的条件,特性：点蚀表面直径等于或不大于它的深度。普通只有几十微米。其形貌各异，有蝶形浅孔，有窄深形、有舌形等等。,点蚀发生的条件：,1）表面易生成钝化膜的金属材料，如不锈钢、铝、铅合金；或表面镀有阴极性镀层的金属，如碳钢表面镀锡、铜、镍等。,2）在有特殊离子的介质中易发生点蚀，如不锈钢在有卤素离子的溶液中易发生点蚀。,3）电位不不大于点蚀电位，易发生点蚀。,2,）点蚀机理,点蚀电位和保护电位：在可钝化金属典型的“环形阳极极化曲线”示意图中，Ebr是点蚀电位，Ep是保护电位。这两个电位是表征金属材料点蚀敏感性的基本电化学参数。,它把含有活化-钝化转变行为的阳极极化曲线划分为三个电位区：,EEbr:将形成新的点蚀孔（点蚀形核），已有的点蚀孔继续长大；,EbEEp:不会形成新的点蚀孔，但原有的点蚀孔将继续扩展长大；,EBr-I-。普通认为，点蚀发生与介质浓度有关，而临界浓度又因材料的成分和状态不同而异。,*溶液中其它离子的作用：溶液中若存在Fe3+、Cu2+、Hg2+等离子能够加速点蚀发生。,*溶液的PH值的影响：普通在中性盐溶液中，随着PH值升高，点蚀电位明显向正移，在酸性介质中，PH值对点蚀电位的影响，现在还没有一致的说法。,3）温度因素,在NaCl溶液中，温度升高能明显地减少不锈钢点蚀电位，使点蚀坑数目急剧增多。点蚀坑数目的急剧增多，被认为与Cl-反映能力增加有关。,4）介质流动性因素,介质处在流动状态，金属的点蚀速度比介质处在静止状态时小。,实践表明，一台不锈钢泵经常运转，点蚀程度较轻，长久不运转很快出现蚀坑。,防止点蚀的方法：,1）加入抗点蚀的合金元素。含高Cr、Mo或少量N及低C的不锈钢抗点蚀效果最佳。,如：双相不锈钢及超纯铁素体不锈钢抗点蚀性能非常好。,2）电化学保护。避免点蚀的较好办法是对金属设备采用恰当的电化学保护。在外加电流作用下，将金属的极化电位控制在保护电位Ep 下列。,3）使用缓蚀剂。对于循环体系，加入缓蚀剂可克制点蚀，惯用的缓蚀剂有硝酸盐、亚硝酸盐、铬酸盐、磷酸盐等。,2.2,缝隙腐蚀,1）缝隙腐蚀的特性及条件,金属构造件普通都采用铆、焊、螺钉等方式连接，因此在连接部位容易形成缝隙。,特性：缝隙宽度普通在0.025-0.1mm，足以使介质滞留在其中，引发缝隙内金属的腐蚀。这种腐蚀形式称为缝隙腐蚀。,条件：与点蚀不同，缝隙腐蚀可发生在全部金属和合金上，且钝化金属及合金更容易发生。任何介质（酸碱盐）均可发生缝隙腐蚀，但含Cl-的溶液更容易发生。,2）缝隙腐蚀机理,有关缝隙腐蚀机理用氧浓差电池与闭塞电池联合作用机制可得到圆满解释。缝隙腐蚀发展的自催化过程与点蚀发展机理相似，参考点蚀机理。,3,）缝隙腐蚀的控制,合理设计。在构造设计上尽量合理，避免形成缝隙，实在不能避免缝隙时，采用妥善排流、避免死角等方法。,用垫片。可采用非吸湿材料的垫片。,阳极保护。采用阳极保护，使电位低于保护电位。,选择耐缝隙腐蚀材料。选择含Cr、Mo、Ni高的不锈钢。,2.3,晶间腐蚀,晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。,这种腐蚀是在金属（合金）表面无任何变化的状况下，使晶粒间失去结合力，金属强度完全丧失，造成设备突发性破坏。,许多金属（合金）都含有晶间腐蚀倾向。其中不锈钢、铝合金晶间腐蚀较为突出。,1）晶间腐蚀产生的条件,组织因素：晶界与晶内的物理化学状态及化学成分不同，造成其电化学性质不均匀。如晶界的原子排列较为混乱，缺点多易产生晶界吸附（C、P、S、B、Si）或析出碳化物、硫化物、a相等。晶界为阳极、晶粒为阴极相，析出第二相普通为阴极相。,环境因素：腐蚀介质能显示出晶粒与晶界的电化学不均匀性。易发生晶间腐蚀的金属材料有不锈钢、铝合金及含钼的镍基合金等。,2,）晶间腐蚀的机理,当代晶间腐蚀理论有两种：,贫化理论和晶间杂质偏聚理论。,多数金属材料普通都要经历热解决和焊接等冶金过程。这些过程都会引发合金组织变化，如在晶界上析出碳化物或其它相。,3)影响晶间腐蚀的因素,加热温度与时间,晶间腐蚀倾向敏感性与加热温度和时间,关系的曲线，称为温度-时间-敏化图，简称为,TTS曲线。TTS曲线与合金成分有关。,如图给出了四种成分的不锈钢的TTS曲,线。由图看出，钢的最短加热时间和晶间腐蚀,敏感性大小（图中划线区）都与它的成分有关。,合金成分,碳：奥氏体不锈钢中碳量愈高，晶间腐蚀倾向愈严重，造成晶间腐蚀碳的临界浓度为0.029%（质量分数）。,铬：能提高不锈钢耐晶间腐蚀的稳定性。当铬含量较高时，允许增加钢中含碳量。,例如:当不锈钢中铬的质量分数从18%提高到22%时，碳的质量分数允许从0.02%增加到0.06%。,镍：增加不锈钢晶间腐蚀敏感性。可能与镍减少碳在奥氏体钢中的溶解度有关。,钛、铌：都是强碳化物生成元素，高温时能形成稳定的碳化物，减少了碳在回火时的析出，从而避免了铬的贫化。,4)避免晶间腐蚀的方法,减少含碳量。,加入固定碳的合金元素。,固溶解决。,固溶解决能使碳化物不析出或少析出。,采用双相钢。,采用铁素体和奥氏体双相钢有助于抗晶间腐蚀。由于铁素体在钢中大多沿奥氏体晶界分布，含铬量又较高，因此，在敏化温度受热时，不产生晶间腐蚀。现在，双相钢是抗晶间腐蚀的优良钢种。,2.4,选择腐蚀,选择性腐蚀是指多元合金中较活泼组分或负电性金属的优先溶解。,这种腐蚀只发生在二元或多元固溶体中，如黄铜脱锌，铜镍合金脱镍，铜铝合金脱铝等。比较典型的选择性腐蚀是黄铜脱锌。,1)黄铜脱锌,现象与特性:,黄铜脱锌与锌含量有关。当W（Zn）18%时，黄铜表面由黄色变为红色。,脱锌有两种类型：,一种是层状脱锌，即均匀型脱锌普通含锌量较高的黄铜在酸性介质中易产生均匀型脱锌；,另一种是塞状脱锌。含锌较低的黄铜在中性、碱性及弱酸性介质中，如用做海水热交换器的黄铜，经常出现脱锌腐蚀现象。,脱锌机理:,有关黄铜脱锌，现在有两种理论。一种认为黄铜中的锌优先溶解而残留铜；另一种认为溶解-沉积理论。对后者，多数人认为脱锌分三个环节a)黄铜溶解；b)锌离子留在溶液中；3)铜回镀在基体上。,2)控制脱锌的办法,选用对脱锌不敏感的合金。如锌质量分数低于15%的黄铜，或合金Monel（Ni70Cu30）。,在a黄铜中加入克制脱锌的合金元素。如在a黄铜中加入少量的砷或锑可有效的克制黄铜脱锌。但这种方式对a+黄铜不合用。,砷的作用。砷可克制a黄铜脱锌，其作用在于减少了Cu2+浓度，克制Cu2Cl2分解。,2.5,石墨化腐蚀,灰口铸铁在土壤、矿水、盐水等环境中使用时常发生选择性腐蚀。灰口铸铁的铁素体相对石墨是阳极，石墨为阴极。铁被溶解下来，只剩余粉末状的石墨沉积在铸铁的表面上，称此现象为“石墨化”腐蚀。,另外，在实际中，有时也会碰到铝青铜脱铝腐蚀，硅青铜的脱硅腐蚀以及钨钴合金的脱钴腐蚀等。,2.6,应力腐蚀,1)定义：,应力腐蚀（英文缩写SCC）是指金属材料在特定腐蚀介质和拉应力共同作用下发生的脆性断裂。,2)应力腐蚀发生的条件和特性,应力腐蚀发生的条件,普通认为发生应力腐蚀断裂需要含有三个基本条件：,敏感材料。合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。普通认为纯金属不会发生应力腐蚀断裂。,特定的腐蚀介质。对于某种合金，能发生应力腐蚀断裂与其所处的特定的腐蚀介质有关。并且介质中能引发SCC物质浓度普通都很低。,拉伸应力。拉伸应力有两个来源。一是残存应力（加工、冶炼、装配过程中产生），温差产生的热应力及相变产生的相变应力；二是材料承受外加载荷造成的应力。,普通以残存应力为主，约占事故的 80%左右，在残存应力中又以焊接应力为主。,金属与合金所承受的拉应力愈小，断裂时间越长。应力腐蚀可在极低的应力下(如屈服强度的5一10或更低)产生。普通认为当拉伸应力低于某一种临界值时，不再发生断裂破坏，这个临界应力称应力腐蚀开裂门槛值，用KISCC或临界应力th表达。,另外，从电化学角度看，SCC在一定的临界电位范畴内产生。普通发生在钝化活化过渡区或钝化过钝化区。,应力腐蚀的断裂特性,宏观上：应力腐蚀断裂从宏观上属于脆性断裂。即使塑性很高的材料也不必缩、无杯锥状现象。,由于腐蚀介质作用，断口表面颜色呈黑色或灰黑色。晶间断裂呈冰糖块状，穿晶断裂含有河流花样等特性。,微观上：断口微观特性较复杂，视具体合金与环境而定，显微断口上往往可见腐蚀坑及二次裂纹。,scc方式有穿晶断裂、晶间型断裂、穿晶与晶间混合型断裂。,断裂的途径与具体的材料-环境有关。裂纹走向与主拉伸应力的方向垂直。,腐蚀裂缝的纵深比其宽度要大几个数量级。裂纹普通呈树枝状。断裂过程与断裂时间,应力腐蚀断裂是材料在应力和环境共同作用下，通过孕育期产生裂纹，然后裂纹逐步扩展，达成临界尺寸。当裂纹尖端的应力强度因子KI达成材料的断裂韧性Klc时，而发生失稳断裂。,应力腐蚀断裂过程可分为三个阶段：,*孕育期。孕育期是在无预制裂纹或金属无裂纹、无蚀孔、缺点时，裂纹的萌生阶段，即裂纹源形成所需要的时间。因此又称为潜伏期、引发期或诱导期。孕育期的长短取决于合金的性能、腐蚀环境以及应力大小。普通约占总断裂时间tf的90左右。,*裂纹扩展期。该期是裂纹成核后直至发展到临界尺寸所经历的时间。这一阶段裂纹扩展速度与应力强度因子大小无关。裂纹扩展重要由裂纹尖端的电化学过程控制。实验证明，在这一阶段裂纹扩展速度介于没有应力下腐蚀破坏速度和单纯的力学断裂速度之间。普通在0.5-10mm/h的范畴内。,*失稳断裂。这一阶段，型纹的扩展由纯力学因素控制。扩展速度随应力增大而加紧，直至断裂。在有预制裂纹、蚀坑的状况下，应力腐蚀断裂过程只有裂纹扩展和失稳快速断裂两个阶段。,裂纹扩展速率(dadt)与KISCC关系,裂纹扩展速率(dadt)-（当裂纹尖端的KlKISCC时，裂纹就会不停扩展）单位时间内裂纹的扩展量。,在应力腐蚀断裂过程中，裂纹的扩展速率dadt随着应力强度因子K1而变化。,应力敏感系数,评价合金应力腐蚀敏感性的参数可用应力腐蚀敏感系数f来表达：,可见：f值愈大，愈耐应力腐蚀。,3),应力腐蚀机理,普遍接受的三种机理:,(1)阳极快速溶解理论,该理论认为裂纹一旦形成，裂纹尖端的应力集中造成裂纹尖端前沿区发生快速屈服，晶体内位错沿着滑移面持续地达成裂纹尖端前沿表面，产生大量瞬间活性溶解质点，造成裂纹尖端(阳极)快速溶解。,(2)闭塞电池理论,该理论认为，在已存在的阳极溶解的话化通道上，腐蚀优先沿着这些通道进行，在应力协同作用下，闭塞电他腐蚀所引发的蚀孔扩展为裂纹，产生SCC。这种闭塞电池作用与前面的孔蚀相似，也是一种自催化的腐蚀过程，在拉应力作用下使裂纹不停扩展，直至断裂。如图所示。,(3)膜破裂理论，又称滑移溶解理论,这种理论认为，金属表面是由钝化膜覆盖，并不直接与介质接触。在应力或活性离子(Cl-)的作用下易引发钝化膜破裂，露出活性的金属表面。介质沿着某一择优选径浸入并溶解活性金属，最后造成应力腐蚀断裂。对于穿晶型应力腐蚀断裂，用用滑移溶解理论能够得到满意的解释。,4)应力腐蚀控制办法,裂纹形核、裂纹扩展以及断裂(失稳扩展)的发生与冶金因素、环境、力学因素是有关的。,(1）影响应力腐蚀断裂的因素概括以下：,(2）避免或减轻应力腐蚀的方法,合理选材：,尽量避免金属或合金在易发生应力腐蚀的环境介质中使用。,控制应力：,在制造和装配金属构件时，应尽量使构造含有最小的应力集中系数，并使与介质接触的部分含有最小的残存应力。残存应力往往是引发scc的重要因素热解决退火可消除残存应力。,变化环境：,通过陈气、脱氧、除去矿物质等办法可除去环境中危害较大的介质组分。还可通过控制温度、pH值，添加适量的缓蚀剂等，达成变化环境的目的。,电化学保护：,通过电化学保护使金屑离开SCC敏感区，从而克制SCC。,涂层：,好的镀层(涂层)可使金属表面和环境隔离开，从而避免产生SCC。,2.7,腐蚀疲劳,腐蚀疲劳：是指材料或构件在交变应力与腐蚀环境的共同作用下产生的脆性断裂。,腐蚀疲劳造成的危害仅次于应力腐蚀。,1）腐蚀疲劳的特点：,(1)腐蚀疲劳的SN曲线与纯力学疲劳的SN曲线形状不同，腐蚀疲劳不存在疲劳极限。普通以预指酌循环周次(N107)的应力作为腐蚀疲劳强度2)腐蚀疲劳与应力腐蚀不同，只要存在腐蚀介质，纯金属也能发生腐蚀疲劳。,(3)腐蚀疲劳强度与抗拉强度间没有一定的联系。,(4)腐蚀疲劳裂纹多来源于表而腐蚀坑或表面缺点往往成群出现，裂纹重要是穿晶型，并随腐蚀发展裂纹变宽。,(5)腐蚀疲劳断口即有腐蚀的特性又有疲劳的特性(疲劳辉纹)、而纯力学疲劳断口有两种状况：对于塑性材料断口为纤维状，呈暗灰色；脆性材料断口呈现出某些结晶形状。,2）腐蚀疲劳机理,腐蚀疲劳的全过程涉及疲劳源的形成，疲分裂纹的扩展和断裂破坏。有关腐蚀疲劳的机理已建立起多个模型。,两种机理：,（1）蚀孔应力集中模型,（,2,）堆积位错的优先溶解模型,该模型认为腐蚀集中在滑移线外溶解向值错堆积处发展，释放了位错，增进滑移粗大化，在交变应力作用下，使裂纹扩展直至断裂。,3）影响腐蚀疲劳的因素,影响腐蚀疲劳的重要因素有力学因素、环境因素以及材料因素。,*力学因素：不对称系数k值高，腐蚀的影响增大k值低，普通反映出材料固有的疲劳性能。,加载方式，普通说，扭转疲劳不不大于旋转弯曲疲劳，旋转弯曲疲劳不不大于抗压疲劳。,*环境因素：介质的pH值对腐蚀疲劳影响很大。普通在pH4时，疲劳寿命较低；在pH4-12时，疲劳寿命逐步增加PH12时，与纯疲劳寿命相称。,介质中含氧量增加，腐蚀疲劳寿命减少。认为氧重要影响裂纹扩展速度。,介质中卤素，特别Cl-能加速裂纹形成和扩展。,温度对腐蚀疲劳亦有明显的影响。普通温度高腐蚀疲劳寿命减少。,*材料因素：耐蚀性较高的金属及合金如钛、铜及其合金等，以及耐点蚀的不锈钢对腐蚀疲劳的敏感性小；而高强铝合金，镁合金对腐蚀疲劳的敏感性较大。,碳钢、低合金钢热解决对腐蚀疲劳行为的影咱较小，提高强度的热解决有减少腐蚀疲劳的倾向。,钢中的杂质、夹杂物对腐蚀疲劳裂纹形成有增进作用。,4）控制腐蚀疲劳的方法,*合理选材。普通来说，抗点蚀能力高的材料，其抗腐蚀疲劳性能也较高。,*改善材料耐蚀性，表面涂、镀耐蚀材料，可改善耐蚀疲劳性能。如镀锌钢丝在海水中的疲劳寿命得到明显的提高。,*在介质中添加适宜的缓蚀剂。如重铬酸盐、硝酸盐等。在盐水中加入重铬酸盐能够提高碳钢的腐蚀疲劳抗力。,*对海洋金属构件及设备施加阴极保护，能够避免腐蚀疲劳。,*改善设计，变化或减少应力均可提高材料抗腐蚀疲劳能力解决等。,2.8,磨损腐蚀,腐蚀介质与金属表面间的相对运动引发金属加速破坏或腐蚀称为磨损腐蚀，简称磨蚀。,条件：多数金属和合金在流动介质中，如气体、水溶液，有机体系、液态金属以及含有固体颗粒、含气泡的液体中，在机械力和电化学的共同作用下遭受磨损腐蚀。其中悬浮在液体中的固体颖粒尤为有害。,特性：磨损腐蚀的形貌经常是光滑的金属(合金)表而上呈现出带有方向性的沟、凹槽谷波纹及圆孔等，且普通按流体的流动方向切入金属表面层。,1）湍流腐蚀：由湍流造成的腐蚀称为湍流腐蚀。,遭到湍流腐蚀的金属表面，经常呈现深谷或马蹄形的凹槽。普通按流体的流动方向切入金属表面层，蚀谷光滑没有腐蚀产物积存。,湍流不仅加速了阴极去极化作用，并且又附加一种流体对金属表面的切力，这个高切应力能够把已经形成的腐蚀产物膜剥离并让流体带走。如果流体中含有气泡或固体颗粒，还会使切应力的力矩得到增强，使金属表而磨损腐蚀更加严重。,2）空泡腐蚀：,空泡腐蚀是流体与金属(合金)构件相对高速运动时，在金属表面局部区域产生涡流，随着有气泡在金属表面快速生成和破灭，造成材料表面粗化，造成材料丧失使用性能的一种破坏形式，亦称腐蚀空化或气蚀。在水轮机叶片和船用螺旋桨的背面常出现空泡腐蚀。,空泡腐蚀形成的条件比较复杂，当流速足够大时，它的静压力将低于流体的蒸气压力，于是流体中便有气泡产生。,气泡破灭时对金属表面施加冲击波有如“水锤”作用，使金属表面膜不停地被锤破。,3）避免磨损腐蚀的方法,(1)构造设计合理。改善流体流动状态，减少造成湍流和涡流的产生条件。,(2)对的选材。根据工件条件、工艺等因素可选适宜的耐磨材料。,(3)表面解决。如采用喷九、冷加工等增加表面硬度的方法。,(4)电化学保护。如可在冷凝器一端采用钢制花板，以对海水热交换器不锈钢管束的入口端提供阴极保护。,第四章思考题,1名词解释：,全方面腐蚀、局部腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、湍流腐蚀、缝隙腐蚀、KISCC、dadt。,2以不锈钢在充气的NaCl溶液中孔蚀为例，简述小孔腐蚀的机理。,3.根据贫Cr理论指出合金元素Cr、Ni、C、Ti、Nb等对奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀的作用及它们之间的互有关系。,4提高1Cr18 Ni9不锈钢的抗点蚀性能可在钢中加入哪些元素？,5何为金属的钝性?对于Fe/H2SO4(质量分数50、常温)腐蚀体系，用什么办法能使Fe获得钝性?又在什么条件下Fe的钝性会受到破坏?,6应力腐蚀裂纹扩展速率dadt与K1值之间的关系曲线，试指出曲线上的两个端点各代表材料的什么特性值，并根据此图阐明裂纹扩展速率与K1值的关系。,7在海水中使用的镀Zn、镀Sn钢板一旦划破后，两种不同镀层的保护效果有什么不同，为什么