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材料腐蚀失效：挑战与发展
（宋金龙 中北大学 航空宇航工程系）
摘要：介绍了造成材料腐蚀的主要原因，材料腐蚀对国民经济的造成的严重损失，研究材料腐蚀的科学意义，研究的内容和面临的挑战，国内预防材料腐蚀的发展方向和趋势。
关键词：材料腐蚀 腐蚀类型 腐蚀机理 研究方向；
1、 材料腐蚀的危害和研究和科学意义
腐蚀遍及国民经济各部门，给国民经济带来巨大的经济损失。20世纪50年代前腐蚀的定义只局限于金属腐蚀。从50年代以后，许多权威的腐蚀学者或研究机构倾向于把腐蚀的定义扩大到所有的材料。但通常还是指金属的损坏。因为金属及其合金至今仍然是最重要的结构

材料，所以金属腐蚀还是最引人注意的问题之一。腐蚀给合金材料造成的直接损失巨大。有人统计每年全世界腐蚀报废的金属约一亿吨,占年产量的20%～40%。而且随着工业化的进程,腐蚀问题日趋严重化，美国1949年腐蚀消耗(材料消耗和腐蚀)为50亿美元，1975年达700亿美元，到1985年高达1680亿美元，与1949年相比增加了80余倍。估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备相当于年产量的30%。显然，金属构件的毁坏，其价值远比金属材料的价值大的多；发达国家每年因腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的2-4%；美国每年因腐蚀要多消耗3.4%的能源；我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿。腐蚀的巨大危害不仅体现在经济损失上，它还会带来惨重的人员伤亡、环境污染、资源浪费、阻碍新技术的发展、促进自然资源的损耗。而且腐蚀也是引起设备失效的主要原因（如下图）。

据估计全世界第年因腐蚀报废的钢铁占年产量的30%每年生产的钢铁约10%完全成为废物。实际上，由于腐蚀引起工厂的停产、更新设备、产品和原料流失、能源的浪费等间接损失远比损耗的金属材料的价值大很多。各工业国空每年因腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的1%—4%。这其中大约有25%上可以通过有效的防腐措施来加以解决的。
因此，研究材料的腐蚀弄清楚材料腐蚀的机理将能够对科学应用产生重大影响，能够促进学科的发展，能够为国家的建设减少损失，有利于人民生活的改善。研究材料腐蚀具有重大的科学意义。
2、 材料腐蚀的基本类型和原理
⑴点腐蚀失效
点腐蚀失效又称孔蚀，是电化学腐蚀的一种形式。其形成过程是，介质中的活性阴离子被吸附在金属表层的氧化膜上，并对氧化膜产生破坏作用。被破坏的地方（阳极）和未被破坏的地方（阴极）则构成钝化——活化电池。点腐蚀是一种隐蔽性较强，危险性很大的局部腐蚀。由于阳极面积与阴极面极比很小，而阳极电流密度非常大，虽然宏观腐蚀量极小，但活性溶解继续深入，再形成应力集中，从而加速了设备破坏，由此而产生的破坏事例仅次于应力腐蚀，同时点腐蚀与其他类型局部腐，如缝隙腐、应力腐蚀和腐蚀疲劳等具有密切关系。
⑵缝隙腐蚀失效
缝隙腐蚀是在电解质中特别是含有卤素离子的介质中），在金属与金属或金属与非金属表面之间狭窄的缝隙内产生和一种局部腐蚀。在狭缝内由于溶液的移动受到阻滞，溶液中的氧逐渐消耗，使缝隙内的氧浓度低于周围溶液的浓度，由此造成缝隙内金属为小阳极，而周围的金属为大阴极。
（3）晶间腐蚀失效
金属的晶粒间界是取向不同的晶粒间原子紊乱结合的界域。因而，晶界通常是金属中的溶质元素偏析或化合物沉淀析出的有利地区。在某此腐蚀介质中，晶粒间可能优先发生腐蚀，使晶粒间的结合力减弱，由此而引起的局部破坏，称为晶间腐蚀。某种材料是否发生晶间腐蚀取决于材料/介质体系的特征。在这种体系中，材料是晶界区域比晶粒本体的溶解速度大，所发生的腐蚀即为晶间腐蚀。
（4）接触腐蚀失效
由于腐蚀电池是作用而产生的腐蚀称为电偶腐蚀，又称为接触腐蚀或异金属腐蚀。接触腐蚀是局部腐蚀的一种特殊形态，发生的条件是两种或两种以上具有不同电位的物质在电解溶液中相接触，从而导致电位更负的物质腐蚀加速。焊缝、结构中的不同金属部件的连接处等部位易于发生接触腐蚀。在一些类似于导体、半民体的物质中，与之接触的金属也会发生腐蚀加速的形象，如在有一定导电性的环境。
（5）空气腐蚀失效
空气腐蚀失效又称气蚀，也称空化腐蚀。在液体与固体材料之间相对速度很高的情况下，由于气体在材料表面的局部低压区形成空穴或气泡迅速破灭而造成的一种局部腐蚀。
（6）磨耗腐蚀失效
材料在摩擦力和腐蚀介质的共同作用下产生的腐蚀加速破坏的现象，称为磨耗腐蚀，也称为腐蚀磨损。磨耗腐蚀发生的基本条件是：工艺介质具有较强的腐蚀性、流动介质中含有固体颗粒、介质与金属表面的相对运动速度较大且流向一定。
（7）应力腐失效
应力腐蚀破裂是指敏感金属或合金在一定的拉引力（施加的外应力或残余应力）和一定的腐旬介质环境共同作用下产生的一种特殊断裂方式。
3、预防腐蚀失效的一般原则
导致腐蚀失效的原因很多，不能提出一种适合所有腐蚀换效的预防措施。在失效分析时，只能根据具体的失效情况提出具体的预防措施。
（1）正确分析腐蚀失效原因和确定腐蚀失效模式。
对于发生腐蚀失效的设备、构件、零件，或需要进行腐蚀防护的设备和装置，通过腐蚀失效分析，正确的确定腐蚀发生的原因和腐蚀模式，是进行腐蚀防护的前提。一些在其他场合被证明是行之有效的腐蚀防护措施，在某些环境下并不一定有效，甚至会发生相反的结果。
（2）正确地选择材料和合理设计金属结构。
在腐蚀介质是工况是工况所要求的场合下，正确地选择金属材料是十分重要的。在结构设计方面，减小应力集中及残余应力有助于防止或减轻应腐蚀、腐蚀疲劳等失效；避免异类金属的接触或采用绝缘材料将其隔开，将有助于减轻或杜绝缝隙腐蚀与接触腐蚀，减小流体停滞和聚集现象可降低多种类型的腐蚀速度；使流体匀速流动，避免压力变化过大，将有助于减轻管壁的空泡腐蚀现象。
（3）查明外来腐蚀介质的性质并将其去除。
常用的办法是向介质中加入缓蚀剂和去除介质中的有害成分。如锅炉用水中的氧气导致的高温氧化，可以对其用水进行去氧处理予以解决。除氧措施可在减压下加热及加入联胺等办法处理。再如，对于锅炉加热管壁向火侧发生的煤灰腐蚀，可以利用提高煤的质量（减少有害元素硫）予以减少。选用适当的缓蚀剂加入，可使电化学腐蚀过程减慢。
（4）隔离腐蚀介质。
在零件表面上涂覆防护层，用于隔绝介质的腐蚀作用是广泛应用的防腐措施。如涂覆油漆、油脂；电镀及阳极化等防护技术，均是有效的防腐措施。在干燥的环境中储存零件是防止潮湿大气腐蚀的有效办法。
（5）采用电化学保护措施。
利用改变金属与介质的电极电位来达到保护金属免受腐蚀的办法，称为电化学保护法。电化学保护法的实质是通以电流进行极化。把金属接到电池的正极上进行极化，称为阳极保护，接到负极上进行极化，称为阴极保护。
阳极保护常用于某些强腐蚀介质（如硫酸、磷酸等），并且仅用于那些在氧化性介质中能发生钝化的金属防护上。阴极保护常用于地下管道及其他地下设施，水中设备、冷凝器及热交换器等方面。
4、国内预防金属腐蚀的状况和国际发展趋势
到目前为止我国还没有建立起一套材料科学使用体系，简单来说就是哪种材料在哪种环境之下使用更科学、更安全，这是我国在材料方面面临的最大的一个问题，也是我们最终期望能够解决的问题。我们不仅缺乏材料使用的标准、规范，更缺乏制订这些标准、规范的依据，这需要国家大量投入，才能逐渐积累，形成这样一个规范。
西方的材料，包括我们引进的材料，在外包装上都会提供材料相关的信息，包括材料能和不能在什么环境和条件下使用，翻开我们国家的材料使用手册，是很难找到这方面的内容的。这还需要做大量研究工作。
5、结束语
21世纪，尽管复合材料等各种新材料大量涌现，但是传统金属及其合金的使用量也将大幅增加，因而面向21世纪的金属腐蚀与防护科学仍处于可持续展的阶段，并且研究金属的腐蚀与防护对减少国民经济的损失具有重要意义。
[1]孙智 江利 应鹏展 编著.-北京：机械工业出版社，2005
[2]强颖怀编著.材料表面工程技术.徐州:中国矿业大学出版社2000
[3]（英）JC斯库里著.腐蚀原理.李启中译.北京: 水利电力出版社，1984
[4](瑞典)E马特松著.腐蚀基础.黄建忠,钟积礼译.北京:冶金工业出版社,1987

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