[哲学]第2章-表面科学基础课件2.ppt

1、表面工程表面工程2.5 2.5 金属腐蚀基础金属腐蚀基础2.5 金属腐蚀基础金属腐蚀基础1.1.金属腐蚀定义及分类金属腐蚀定义及分类2.2.金属电化学腐蚀原理金属电化学腐蚀原理3.3.控制腐蚀的方法控制腐蚀的方法主要内容主要内容2022-8-94/48水平热水管线底部垢下局部腐蚀早期穿孔水平热水管线底部垢下局部腐蚀早期穿孔2022-8-95/48 油田管道焊接接头腐蚀照片油田管道焊接接头腐蚀照片 2022-8-96/48油管腐蚀穿孔油管腐蚀穿孔2022-8-97/48n 腐蚀危害巨大腐蚀危害巨大 1.造成巨大的经济损失造成巨大的经济损失 全世界每年生产的全世界每年生产的钢铁钢铁10%变成铁锈，

2、变成铁锈，造成造成30%钢铁设备损坏钢铁设备损坏 损失占损失占国民生产总值国民生产总值 GDP的的24%约为水灾、火灾、风灾和地震（平均值）损失的约为水灾、火灾、风灾和地震（平均值）损失的6倍倍2.造成金属资源和能源的大量浪费造成金属资源和能源的大量浪费 3.环境、安全危害环境、安全危害 有毒有害物料泄漏，涂料和缓蚀剂有毒有害物料泄漏，涂料和缓蚀剂4.阻碍新技术的发展阻碍新技术的发展 先解决腐蚀问题先解决腐蚀问题表面处理表面处理2022-8-98/482.5.1 2.5.1 金属腐蚀定义及分类金属腐蚀定义及分类n腐蚀：金属与腐蚀介质相互接触腐蚀：金属与腐蚀介质相互接触由于由于化学或电化化学或电

3、化学原因学原因使使材料表面遭受破坏或性能恶化材料表面遭受破坏或性能恶化的的过程过程。n 本质：热力学本质：热力学不稳定性造成的不稳定性造成的 金属（高能态）金属（高能态）化合物（低能态）化合物（低能态）G0，自发过程自发过程 不可逆过程不可逆过程一、定义一、定义2022-8-99/48二、分类二、分类n按相互作用的性质：按相互作用的性质：电化学腐蚀电化学腐蚀 化学腐蚀化学腐蚀n按环境分类：按环境分类：大气大气 土壤土壤 海水海水 高温气体高温气体 化工介质化工介质n按照破坏形式分：按照破坏形式分：全面腐蚀全面腐蚀和和局部腐蚀局部腐蚀 局部腐蚀，局部腐蚀，集中于金属表面某一区域，危害性大。集中于

4、金属表面某一区域，危害性大。腐蚀速度大几百倍腐蚀速度大几百倍2022-8-910/48局部腐蚀的类型：局部腐蚀的类型：小孔、缝隙小孔、缝隙 晶间、丝状晶间、丝状 应力腐蚀开裂（应力腐蚀开裂（SCCSCC）电偶、氢脆电偶、氢脆 选择性腐蚀、冲刷选择性腐蚀、冲刷 湍流、气蚀等湍流、气蚀等2022-8-911/48主要介绍四个问题：主要介绍四个问题：一、腐蚀原电池一、腐蚀原电池二、电极电位及电化序二、电极电位及电化序三、极化与极化曲线三、极化与极化曲线四、金属的钝化四、金属的钝化 2.5.2 2.5.2 金属电化学腐蚀原理金属电化学腐蚀原理2022-8-912/48一、腐蚀原电池一、腐蚀原电池电化学

5、腐蚀的实质电化学腐蚀的实质：浸在电解质溶液中的金属表面上形：浸在电解质溶液中的金属表面上形 成了以金属为阳极的成了以金属为阳极的腐蚀原电池。腐蚀原电池。（1）工作原理）工作原理Zn +H2SO4 =ZnSO4 +H2构成：构成：两个存在电极电位差的电导体、两个存在电极电位差的电导体、电解质溶液、电解质溶液、导电通路导电通路。l定义：定义：腐蚀原电池（腐蚀原电池（corrosion cell）是只能导致金属材料破坏）是只能导致金属材料破坏而不能对外界作功的而不能对外界作功的短路原电池短路原电池（short circuit cell）。）。2022-8-913/48腐蚀原电池的特点：腐蚀原电池的特

6、点：1.阳极反应是金属的氧化反应，金属破坏阳极反应是金属的氧化反应，金属破坏2.阴、阳极阴、阳极短路短路，化学能化学能热能热能，不对外做功，不对外做功3.不可逆过程不可逆过程p原电池能量转换原电池能量转换:化学能化学能电能电能2022-8-914/48原电池原电池2022-8-915/48原电池和腐蚀原电池的区别和关系原电池和腐蚀原电池的区别和关系 原电池是把化学能转化为电能的装置，平时用原电池是把化学能转化为电能的装置，平时用的电池都可以称为原电池，它只有外接电路才的电池都可以称为原电池，它只有外接电路才能放电。能放电。腐蚀原电池满足电池的原理，有两种不同的金腐蚀原电池满足电池的原理，有两种

7、不同的金属材料（正、负极）和腐蚀溶液，构成原电池。属材料（正、负极）和腐蚀溶液，构成原电池。但在金属表面但在金属表面正负极是连接正负极是连接的，它就自己放电的，它就自己放电了。了。原电池对外提供非热能形式的能量；腐蚀原电原电池对外提供非热能形式的能量；腐蚀原电池将化学能全部转化成池将化学能全部转化成热能热能，没有有效对外做，没有有效对外做功，能量白白消耗。功，能量白白消耗。金属材料之所以腐蚀，是因为形成了腐蚀原电金属材料之所以腐蚀，是因为形成了腐蚀原电池，而将金属材料自身的势能（化学能）转化池，而将金属材料自身的势能（化学能）转化成无用的热能。成无用的热能。2022-8-916/48 阳极阳极

8、Zn:Zn Zn2+2e （氧化反应）（氧化反应）阴极阴极Cu:2H+2e H2（还原反应）（还原反应）腐蚀原电池的构成腐蚀原电池的构成HCl溶液ZnCuAK(a)Zn(a)Zn块和块和CuCu块通块通 过导线联接过导线联接 ZnCuHCl溶液（b)Znb)Zn块和块和CuCu块直接块直接接触（短路）接触（短路）CuCuCuZn（c)Cuc)Cu作为杂质分作为杂质分布在布在ZnZn表面表面 2022-8-917/48l 工作环节工作环节 阳极反应阳极反应 通式：通式：MeMen+ne 产物：产物：可溶性离子，如：可溶性离子，如：Fe-2eFe2+不溶性固体，如：不溶性固体，如：2Fe+3H2O

9、Fe2O3+6H+6e 阴极反应阴极反应 通式：通式：D+neD.nen常见的氧化剂常见的氧化剂D（去极化剂）是（去极化剂）是 H+和和 O2n析氢腐蚀析氢腐蚀 2H+2eH2n吸氧腐蚀吸氧腐蚀 O2+4H+4e2H2O （酸性溶液中）（酸性溶液中）O2+2H2O+4e4OH-（中性或碱性溶液中）（中性或碱性溶液中）2022-8-918/48电流回路电流回路金属部分：电子由阳极流向阴极（金属部分：电子由阳极流向阴极（电流电流呢？呢？）溶液部分：正离子由阳极向阴极迁移溶液部分：正离子由阳极向阴极迁移l 以上三个环节既相互独以上三个环节既相互独立，又彼此制约，其中立，又彼此制约，其中任何一个受到抑

10、制，都任何一个受到抑制，都会使腐蚀原电池工作强会使腐蚀原电池工作强度减少。度减少。2022-8-919/48（2 2）形成腐蚀原电池的原因形成腐蚀原电池的原因金属方面金属方面n成分不均匀成分不均匀n组织结构组织结构n表面状态表面状态n应力和形变应力和形变n热处理差异热处理差异环境方面环境方面n金属离子浓度差异金属离子浓度差异n氧含量差异氧含量差异n温度差异温度差异电化学不均匀电化学不均匀2022-8-920/48 腐蚀原电池形成原因举例腐蚀原电池形成原因举例 (a)不同金属组合不同金属组合 (b)金属中含杂质金属中含杂质 (c)表面状态不同表面状态不同（d）应力及形变差异）应力及形变差异 （e

11、）氧浓度差异）氧浓度差异 （f）金属离子浓度差异）金属离子浓度差异渗碳体渗碳体铝铝钢钢铁铁新管道新管道旧管道旧管道应力集中应力集中砂土砂土粘土粘土铜铜铜铜表面状态不同缝内表面状态不同缝内Cu2+浓度比缝外高浓度比缝外高2022-8-921/48（3 3）腐蚀原电池的种类）腐蚀原电池的种类l 宏观腐蚀原电池：肉眼可见不同电极组成宏观腐蚀原电池：肉眼可见不同电极组成l 微观腐蚀原电池：金属表面微小电极组成微观腐蚀原电池：金属表面微小电极组成*宏观腐蚀原电池的腐蚀形态是宏观腐蚀原电池的腐蚀形态是局部腐蚀局部腐蚀，腐蚀在阳极区，腐蚀在阳极区*微观腐蚀原电池的：微观腐蚀原电池的：阴、阳极位置变化，是全面

12、腐蚀阴、阳极位置变化，是全面腐蚀 阴、阳极位置固定，是局部腐蚀阴、阳极位置固定，是局部腐蚀2022-8-922/48(4)(4)腐蚀过程的产物腐蚀过程的产物 初生产物：初生产物：腐蚀过程中发生化学作用时，在金属腐蚀过程中发生化学作用时，在金属表面直接生成的产物；表面直接生成的产物；次生产物：次生产物：随着腐蚀过程的进行，由于靠近金属随着腐蚀过程的进行，由于靠近金属表面的液层中组分变化引起的次生反应所产生并表面的液层中组分变化引起的次生反应所产生并黏附在金属表面的产物。黏附在金属表面的产物。可溶和不可溶性产物可溶和不可溶性产物u只有只有致密、不溶性产物致密、不溶性产物才能产生保护金属的作用。才能

13、产生保护金属的作用。2022-8-923/48n金属作为一个整体是电中性的。金属作为一个整体是电中性的。n金属与溶液接触时，由于其自发腐蚀的倾向，金金属与溶液接触时，由于其自发腐蚀的倾向，金属变成离子进入溶液，电子留在金属表面上。属变成离子进入溶液，电子留在金属表面上。n金属表面带负电，与金属表面相接触的溶液带正金属表面带负电，与金属表面相接触的溶液带正电。电。n在电极材料与溶液之间的在电极材料与溶液之间的相界区相界区不同于电极材料不同于电极材料或溶液本身，该相界区称为或溶液本身，该相界区称为双电层双电层。n双电层的建立，使金属与溶液间产生电位差。叫双电层的建立，使金属与溶液间产生电位差。叫电

14、极电位电极电位。二、电极电位及电化序二、电极电位及电化序（1）电极电位）电极电位2022-8-924/48水化能水化能 金属键能金属键能负电性金属负电性金属水化能水化能 V金属溶解金属溶解（活化极化）（活化极化）V金属溶解金属溶解V离子扩散离子扩散（浓差极化）（浓差极化）阳极钝化（电阻极化）阳极钝化（电阻极化）阴极极化的原因：阴极极化的原因：V电子迁移电子迁移V阴极反应阴极反应（活化极化）（活化极化）反应物或反应生成物扩散速度慢，（浓差极化）反应物或反应生成物扩散速度慢，（浓差极化）*V指速度。指速度。2022-8-933/48n极化曲线：极化曲线：电极电位与电流密度（电极电位与电流密度（i）

15、之间关系的曲线）之间关系的曲线n极化率：极化率：极化曲线的斜率。表示电极的极化性能，可用极化曲线的斜率。表示电极的极化性能，可用于判断极化程度大小。于判断极化程度大小。(2)极化曲线与腐蚀极化图极化曲线与腐蚀极化图A-BA-B：活性溶解区；：活性溶解区；B B：临界钝化点；临界钝化点；B-CB-C：过渡钝化区；：过渡钝化区；C-DC-D：稳定钝化区；：稳定钝化区；D-ED-E：超：超(过过)钝化区。钝化区。电流密度电流密度：大小等于单位时间内通过垂直于电流方向单位面积的电量。：大小等于单位时间内通过垂直于电流方向单位面积的电量。单位单位A/m2。2022-8-934/48激光重熔激光重熔2Cr

16、132Cr13钢前后的阳极极化曲线钢前后的阳极极化曲线可以看出，可以看出，2Cr132Cr13钢在硫酸介质中不钝化钢在硫酸介质中不钝化(1#)(1#)，经激光表面重熔处理后，试样均出现了活化经激光表面重熔处理后，试样均出现了活化钝钝化转变。化转变。2022-8-935/48腐蚀极化图腐蚀极化图：为方便分析，把极化曲线的电流密度坐标用：为方便分析，把极化曲线的电流密度坐标用实测的电流强度值表示，并将阴阳极极化曲线画在一个实测的电流强度值表示，并将阴阳极极化曲线画在一个图上。图上。阳极极化曲线阳极极化曲线阴极极化曲线阴极极化曲线Ea0阳极平衡电位，阳极平衡电位，Ec0阴极平衡电位，阴极平衡电位，I

17、corr最大腐蚀电流。最大腐蚀电流。2022-8-936/48腐蚀原电池的作用过程由腐蚀原电池的作用过程由阳极过程、阴极过程阳极过程、阴极过程 和电子转移和电子转移三步骤构成。三步骤构成。阻力最大的步骤对腐蚀速度起主要影响，称为阻力最大的步骤对腐蚀速度起主要影响，称为 腐蚀的腐蚀的控制因素控制因素。减少腐蚀的最有效措施是采取措施减少腐蚀的最有效措施是采取措施影响其控制影响其控制 因素因素。（3）腐蚀过程的控制因素腐蚀过程的控制因素 腐蚀极化图的应用腐蚀极化图的应用2022-8-937/48阴极控制阴极控制阳极控制阳极控制2022-8-938/48钝化钝化：从热力学上讲，绝大多数金属通常在介从热

18、力学上讲，绝大多数金属通常在介质中都会自发地被腐蚀。但金属表面在某质中都会自发地被腐蚀。但金属表面在某些介质环境下会发生一种阳极反应受阻的些介质环境下会发生一种阳极反应受阻的现象，即现象，即钝化钝化。作用：钝化降低金属的腐蚀速度，增加金属的作用：钝化降低金属的腐蚀速度，增加金属的耐蚀性。耐蚀性。四、金属的钝化四、金属的钝化2022-8-939/48 0 10 20 30 40 50 60 HNO3，%工业纯铁的腐蚀速度与硝酸浓度的关系，温度工业纯铁的腐蚀速度与硝酸浓度的关系，温度2525度度 100005000activepassivepassivation2022-8-940/48l钝化的途

19、径钝化的途径化学钝化（自动钝化）化学钝化（自动钝化）：金属在强氧化剂中钝化：金属在强氧化剂中钝化 如：用铁罐或铝罐盛浓硫酸或浓硝酸如：用铁罐或铝罐盛浓硫酸或浓硝酸 Cr、Al、Ti自钝化金属自钝化金属 Fe、Ni、Cr、Al、Ti易钝化金属易钝化金属 Cu、Zn、Pb不易钝化金属不易钝化金属电化学钝化：电化学钝化：外加电流引起阳极极化时的钝化，电外加电流引起阳极极化时的钝化，电极电位正移。极电位正移。2022-8-941/48l 钝化曲线和有关参数钝化曲线和有关参数AB：活性溶解状况，活性溶解状况，A，E0平衡电位平衡电位BC：电位达到致钝电位电位达到致钝电位Epp，开始钝化，氧化膜成长，开始

20、钝化，氧化膜成长，电流急剧下降电流急剧下降 Ep稳钝电位稳钝电位CD：稳定钝态区，氧化膜覆稳定钝态区，氧化膜覆盖，阳极反应与电位无盖，阳极反应与电位无关，关，ip维钝电流维钝电流DE：过钝化区，过钝化区，Etp过钝电位，过钝电位，氧化膜溶解氧化膜溶解2022-8-942/482.5.3 控制腐蚀的方法控制腐蚀的方法腐蚀是腐蚀是冶金因素冶金因素、环境因素环境因素、力学因素力学因素共同作用共同作用的结果。的结果。1.正确选材正确选材 在特定环境中，要选用能满足使用要求，在特定环境中，要选用能满足使用要求，且腐蚀自发性小，腐蚀速度小的材料。且腐蚀自发性小，腐蚀速度小的材料。2022-8-943/48

21、2.结构及强度设计结构及强度设计（1）避免死角；（）避免死角；（2）避免间隙；（）避免间隙；（3）妥善处理异种）妥善处理异种金属接触；（金属接触；（4）避免应力过分集中；（）避免应力过分集中；（5）加腐蚀裕度加腐蚀裕度3.环境处理环境处理(1)从电解质里去除腐蚀剂（从电解质里去除腐蚀剂（O2、H2S、CO2)物理方法、化学除氧、除气物理方法、化学除氧、除气(2)添加缓蚀剂：无机、有机、生物添加缓蚀剂：无机、有机、生物腐蚀裕度腐蚀裕度指在构件设计制造中预先增加一些厚度，以保指在构件设计制造中预先增加一些厚度，以保证在使用寿命内安全使用。证在使用寿命内安全使用。2022-8-944/48我的两个实

22、用新型专利我的两个实用新型专利防止接触腐蚀防止接触腐蚀1.防止镁合金部件螺栓防止镁合金部件螺栓连接接触腐蚀的连接连接接触腐蚀的连接装置装置2.防止螺纹紧固接触腐防止螺纹紧固接触腐蚀的紧固装置蚀的紧固装置2022-8-945/48 金属涂金属涂(镀镀)层、有机涂层、无机涂层层、有机涂层、无机涂层(1)金属涂金属涂(镀镀)层：阴极型：贵金属层：阴极型：贵金属Cr、Ni等等 阳极型：铝、镁、锌及其合金阳极型：铝、镁、锌及其合金(2)有机涂层（用得最多）有机涂层（用得最多）石油沥青、煤焦油瓷漆、环氧煤沥青、合成树脂石油沥青、煤焦油瓷漆、环氧煤沥青、合成树脂(3)无机涂层无机涂层 玻璃钢衬里、水泥砂浆、

23、瓷釉涂层（搪瓷及喷瓷）玻璃钢衬里、水泥砂浆、瓷釉涂层（搪瓷及喷瓷）4.将金属与腐蚀环境分隔开将金属与腐蚀环境分隔开2022-8-946/48 利用外部电流使金属构件极化到钝化区利用外部电流使金属构件极化到钝化区 电化学保护分为：电化学保护分为：I.阴极保护：阴极保护：利用外电流导入；利用外电流导入；牺牲阳极法。牺牲阳极法。II.阳极保护：阳极保护：对腐蚀性介质中的金属材料通过适当的对腐蚀性介质中的金属材料通过适当的阳极极化电流，使表面形成耐腐蚀性的阳极极化电流，使表面形成耐腐蚀性的钝化膜钝化膜并维并维持其钝化状态，降低金属腐蚀速率的电化学保护措持其钝化状态，降低金属腐蚀速率的电化学保护措施，称为阳极保护。施，称为阳极保护。5.改变金属的电极极性改变金属的电极极性2022-8-947/48作业1.画出金属典型的阳极极化曲线，它有几个画出金属典型的阳极极化曲线，它有几个代表性区域？代表性区域？2.控制腐蚀的途径有哪些？控制腐蚀的途径有哪些？