材料腐蝕與防護(hù)第十講

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1、材 料 腐 蝕 與 防 護(hù) 王 鵬材 料 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院15250949067 第 十 章 金 屬 材 料 的 耐 蝕 性 能10.1 純 金 屬 的 耐 蝕 性10.2 金 屬 耐 腐 蝕 合 金 化 原 理10.3 鐵 和 鐵 基 合 金 的 耐 蝕 性10.4 其 他 金 屬 的 耐 蝕 性 p 在 恒 溫 恒 壓 條 件 下 ， 反 應(yīng) 的 自 由 能 與電 動(dòng) 勢(shì) 或 電 位 之 間 可 依 據(jù) 下 式 轉(zhuǎn) 換 ：p 純 金 屬 的 熱 力 學(xué) 穩(wěn) 定 性標(biāo) 準(zhǔn) 電 極 電 位 越 負(fù) ， 則 熱 力 學(xué) 上 越 不 穩(wěn) 定標(biāo) 準(zhǔn) 電 極 電 位 越 正 ， 則 熱 力

2、學(xué) 上 越 穩(wěn) 定G = nF E10.1 純 金 屬 的 耐 蝕 性 2MO 2M+O2 1. 同 一 族 中 ： 穩(wěn) 定 性 隨 元 素 的 原 子 序 數(shù) 增 大 而 增 加2. 最 容 易 鈍 化 金 屬 ： 長 周 期 偶 數(shù) 列 IV、 VI， 原 子 內(nèi) 電 子 層 未 被 填 滿 。3. 最 活 性 的 金 屬 ： 第 I主 族 ， 比 較 不 穩(wěn) 定 的 金 屬 位 于 第 II主 族金 屬 的 耐 蝕 性 與 元 素 周 期 表活性增大 穩(wěn)定性增 大 耐 蝕 材 料 的 合 金 化 原 理10.2 金 屬 耐 腐 蝕 合 金 化 原 理 合 金 化 耐 蝕 途 徑 的 極

3、化 圖 (a） 提 高 陽 極 金 屬 的 平 衡 電 位 ； （ b） 增 加 陰 極 極 化 率 ；（ c） 增 加 陽 極 極 化 率 ； （ d） 加 入 易 鈍 化 元 素 使 之 鈍 化 ；（ e） 加 入 強(qiáng) 陰 極 性 元 素 促 進(jìn) 陽 極 鈍 化 ； （ f） 增 大 腐 蝕 體 系 電 阻利 用 合 金 化 提 高 金 屬 材 料 耐 蝕 性 的 途 徑 ： 腐 蝕 過 程 的 推 動(dòng) 力 提 高 金 屬 的 熱 力 學(xué) 穩(wěn) 定 性 加 入 平 衡 電 位 較 高 的 合 金 元 素 （ 通 常 為 貴 金 屬 ） ， 可 使 合 金 的 平 衡 電 位 升 高 ， 增

4、加 熱 力 學(xué) 穩(wěn) 定 性 塔 曼 定 律 或 n/8定 律 通 過 合 金 化 把 提 高 ， 對(duì) 于 非 鈍 化 控 制 的 陽 極 活 化 溶 解 過 程 ， 使 腐 蝕 電 流 降 低1.合 金 化 提 高 熱 力 學(xué) 穩(wěn) 定 性 在 實(shí) 際 中 的 應(yīng) 用 有 限 原 因 ： 使 用 大 量 的 貴 金 屬 ， 價(jià) 格 過 于 昂 貴 固 溶 度 有 限 增 加 陰 極 極 化 率 Pc， 使 陰 極 反 應(yīng) 受 阻 合 金 化 阻 滯 陰 極 過 程 可 使 腐 蝕 減 輕 若 受 氧 擴(kuò) 散 控 制 ： 合 金 化 很 難 改 善 耐 蝕 性 能 海 水 中 ， 不 論 鋼 的

5、組 織 是 馬 氏 體 還 是 珠 光 體 ， 是退 火 態(tài) 還 是 冷 加 工 狀 態(tài) ， 是 碳 鋼 、 低 合 金 鋼 還 是 鑄鐵 ， 腐 蝕 速 度 都 是 在 0.13mm a左 右2. 合 金 化 阻 滯 陰 極 過 程 阻 滯 析 氫 腐 蝕 陰 極 方 法1. 消 除 或 減 少 陰 極 面 積 冶 金 過 程 中 金 屬 和 合 金 純 凈 度 、 固 溶 熱 處 理2. 提 高 陰 極 析 氫 過 電 位在 合 金 中 加 入 析 氫 過 電 位 高 的 元 素 ， 增 大 析 氫反 應(yīng) 的 阻 力工 業(yè) Zn中 含 Fe或 Cu雜 質(zhì) ， Fe、 Cu的 析 氫 過 電

6、 位 低 ， 成 為 Zn在 酸 中 腐 蝕 的 有 效 陰 極 區(qū) ， 加 速 Zn的 腐 蝕 ；加 入 析 氫 過 電 位 高 的 Cd或 Hg， 由 于 增 加 了 析 氫 反 應(yīng) 的 阻 力 ， 可 使 Zn的 腐 蝕 速 度 顯 著 降 低 3.合 金 化 阻 滯 陽 極 過 程 增 加 陽 極 極 化 率 Pa， 使 陽 極 過 程 受 阻 ： 減 少 陽 極 相 的 面 積 加 入 易 于 鈍 化 的 合 金 元 素 加 入 陰 極 性 合 金 元 素 促 進(jìn) 陽 極 鈍 化 減 少 陽 極 相 的 面 積基 體 是 陰 極 ， 第 二 相 或 晶 界 是 陽 極 ，減 少 陽

7、極 面 積 ， 提 高 耐 蝕 性 海 水 中 ， A1 Mg合 金 中 的 第 二 相 Al2Mg3是 陽 極 ， 隨 著 Al2Mg3 逐 漸 被 腐 蝕 掉 ， 陽 極 面 積 減 小 ， 腐 蝕 速 度 降 低 合 金 中 第 二 相 是 陽 極 的 情 況 很 少 ， 多 數(shù) 合 金 第 二 相 是 陰 極 相 加 大 局 部 腐 蝕 的 危 險(xiǎn) 性 （ 陽 極 相 構(gòu) 成 連 續(xù) 的 通 道 ） 加 入 易 鈍 化 元 素 ， 提 高 鈍 化 能 力 最 有 效 途 徑 工 業(yè) 合 金 的 主 要 基 體 金 屬 （ Fe、 Al、 Mg、 Ni等 ） 在 特 定 的 條 件 下

8、都 能 夠 鈍 化 ， 但 鈍 化 能 力 還 不 夠 高 Fe要 在 強(qiáng) 氧 化 性 條 件 下 才 能 自 鈍 化 ， 而 在 一 般 的 自 然 環(huán) 境 里 （ 如 大 氣 、 水 介 質(zhì) ） 不 鈍 化 若 加 入 易 鈍 化 的 合 金 元 素 Cr的 量 超 過 12 時(shí) ， 便 可 在 自 然 環(huán) 境 里 保 持 鈍 態(tài) ， 即 所 謂 的 不 銹 鋼 加 入 易 于 鈍 化 的 合 金 元 素 加 入 陰 極 性 合 金 元 素 促 進(jìn) 陽 極 鈍 化 可 加 入 的 陰 極 性 合 金 元 素 主 要 是 一 些 電 位 較 正 的 金 屬 ， 如 Pd、 Pt、 Ru及 其

9、 它 Pt族 金 屬 灰 口 鑄 鐵 中 含 有 石 墨 ， 在 20 的 10 硝 酸 中 ， 石 墨 的 存 在 使 基 體 Fe處 于 鈍 態(tài) 。 碳 鋼 不 能 自 鈍 化 ， 在 鹽 酸 中 ， Fe無 法 鈍 化 ， 石 墨 反 而 使 腐 蝕 增 加 。 對(duì) 于 可 能 鈍 化 的 腐 蝕 體 系 ， 加 入 強(qiáng) 陰 極 性 合 金 元 素 ， 提 高 陰 極 效 率 ， 使 腐 蝕 電 位 正 移 ， 合 金 進(jìn) 入 穩(wěn) 定 鈍 化 區(qū) 只 適 用 于 可 鈍 化 的 腐 蝕 體 系 加 入 陰 極 性 元 素 的 合 金 化 只 需 很 少 （ 0.1 0.5 ） 促 使 合

10、 金 表 面 生 成 具 有 保 護(hù) 作 用 的 腐 蝕 產(chǎn) 物 對(duì) 合 金 元 素 和 腐 蝕 產(chǎn) 物 的 要 求 ：1. 與 基 體 金 屬 形 成 固 溶 體 ， 滿 足 力 學(xué) 性 能 要 求2. 腐 蝕 產(chǎn) 物 不 溶 于 腐 蝕 介 質(zhì) 、 電 阻 高 、 致 密 完 整 典 型 應(yīng) 用 ： 加 入 Cu、 P、 Cr等 元 素 的 低 合 金 耐 候 鋼4. 合 金 化 增 大 腐 蝕 體 系 的 電 阻 耐 蝕 金 屬 材 料 的 分 類 成 分 ： Fe合 金 ， 重 金 屬 合 金 ， 難 熔 金 屬 合 金 ， 貴 金 屬 合 金 等 耐 蝕 性 ： 不 銹 的 在 大

11、氣 條 件 下 和 中 性 電 解 質(zhì) 耐 酸 的 對(duì) 活 性 的 酸 穩(wěn) 定 ： 鹽 酸 、 硝 酸 、 硫 酸 、 堿 及 其 它 介 質(zhì) 穩(wěn) 定 耐 熱 的 高 溫 下 對(duì) 氣 體 腐 蝕 耐 其 它 形 式 腐 蝕 如 耐 磨 蝕 、 抗 應(yīng) 力 腐 蝕 、 耐 腐 蝕 疲 勞 等 組 織 結(jié) 構(gòu) ： 固 溶 體 ； 雙 相 或 多 相 合 金 ； 沉 淀 硬 化 等 復(fù) 雜 合 金 Fe的 耐 蝕 性 在 自 然 環(huán) 境 （ 大 氣 、 天 然 水 、 土 壤 等 ） 中 耐 腐 蝕 性 相 對(duì) 最 差原 因 ： Fe及 其 氧 化 物 上 氫 過 電 位 低 ， 酸 性 水 中 氫

12、 去 極 化 腐 蝕 容 易 Fe及 其 氧 化 物 上 氧 離 子 化 過 電 位 低 ， 氧 去 極 化 腐 蝕 容 易 鐵 銹 層 中 Fe3 參 與 去 極 化 作 用 石 墨 與 滲 碳 體 （ Fe3C） 具 有 相 當(dāng) 高 的 陰 極 效 率 Fe腐 蝕 產(chǎn) 物 的 保 護(hù) 性 能 相 當(dāng) 差 ， Fe(OH) 2易 溶 解 易 形 成 氧 濃 差 電 池 ； 在 自 然 條 件 下 鈍 化 能 力 弱 ， 在 含 氧 水 中 遠(yuǎn) 不 如 Al和 Cr穩(wěn) 定 10.3 鐵 和 鐵 基 合 金 的 耐 蝕 性 Fe在 氧 化 性 和 非 氧 化 性 酸 中 腐 蝕 鑄 鐵 的 耐

13、蝕 性 鑄 鐵 耐 蝕 性 低 ， 合 金 化 后 形 成 耐 蝕 合 金 鑄 鐵1. 高 合 金 鑄 鐵 高 Si鑄 鐵 ： 含 14 18%Si， SiO2致 密 保 護(hù) 膜 高 Ni鑄 鐵 ： 含 14-30 Ni ， 極 好 的 耐 堿 腐 蝕 性 高 Cr鑄 鐵 ： 含 15-30 Cr， 鈍 化2. 低 合 金 鑄 鐵 常 用 合 金 元 素 有 Cu、 Sb、 Sn、 Cr、 Ni 碳 鋼 和 低 合 金 鋼 的 耐 蝕 性 化 學(xué) 成 分 對(duì) 耐 蝕 性 的 影 響 C氧 去 極 化 腐 蝕 占 主 要 地 位 ， 起 主 要 作 用 的 是 保 護(hù) 膜 的 性 能 和 氧 達(dá)

14、 到 陰 極 表 面 的 難 易 程 度 。1、 非 氧 化 性 酸 中 ， 含 C量 愈 高 ， 碳 鋼 的 腐 蝕 速 度 愈 快鋼 中 含 C量 增 高 ， 其 組 織 中 滲 碳 體 量 就 會(huì) 增 多 ；2、 氧 化 性 酸 中 ， 隨 著 C含 量 的 增 加 ， 腐 蝕 速 率 增 高 ， 當(dāng) C含 量 超 過 某 一 數(shù) 值 后 ， 腐 蝕 速 率 下 降陰 極 相 （ 滲 碳 體 ） 促 進(jìn) 了 Fe的 鈍 化3、 中 性 或 微 酸 性 水 溶 液 中 ， C含 量 對(duì) 碳 鋼 腐 蝕 速 度 影 響 不 大 化 學(xué) 成 分 對(duì) 耐 蝕 性 的 影 響 S、 PS： 對(duì) 鋼

15、 的 耐 蝕 性 不 利 S增 加 ， 酸 性 溶 液 中 加 速 溶 解 ， 易 出 現(xiàn) 局 部 腐 蝕 S增 加 ， 硫 化 物 夾 雜 增 多 ， 誘 發(fā) 點(diǎn) 蝕 和 硫 化 物 應(yīng) 力 腐 蝕P： 在 酸 中 隨 P含 量 的 增 加 ， 形 成 磷 化 物 ， 析 氫 過 電 位 低 ， 腐 蝕 速 度 上 升 大 氣 、 海 水 中 ， P含 量 與 其 它 合 金 元 素 配 合 能 提 高 鋼 的 耐 蝕 性 奧 氏 體 不 銹 鋼 Fe-Cr-Ni型 耐 全 面 腐 蝕 的 性 能 ， 決 定 于 鋼 中 Cr、 Ni、 Mo、 Si等 合 金 元 素 的 含 量 。 只 耐

16、 稀 的 和 中 等 濃 度 的 硝 酸 腐 蝕 ， 而 不 耐 濃 硝 酸 腐 蝕 。 良 好 的 的 耐 堿 液 腐 蝕 能 ， 且 隨 Ni含 量 升 高 而 增 加 。 奧 氏 體 不 銹 鋼 SCC敏 感 80 以 上 氯 化 物 和 氧 的 水 溶 液 硫 化 物 溶 液 （ 連 多 硫 酸 及 含 H 2S水 溶 液 ） 熱 的 濃 堿 高 溫 （ 150 350 ） 高 壓 水 鐵 素 體 不 銹 鋼 Fe-Cr型 Cr13型 、 Cr16-19型 和 Cr25-28型 高 Cr鐵 素 體 鋼 屈 服 強(qiáng) 度 比 奧 氏 體 不 銹 鋼 高 ， 成 本 較 低 脆 性 較 大

17、， 焊 接 易 引 起 脆 性 ， 耐 點(diǎn) 蝕 性 能 差 ， 對(duì) 缺 口 敏 感 性 高Cr含 量 的 增 加 提 高 耐 點(diǎn) 蝕 性 能 耐 氯 化 物 SCC性 能 高 于 奧 氏 體 不 銹 鋼 體 心 立 方 點(diǎn) 陣 晶 面 易 滑 移 ， 形 成 網(wǎng) 狀 位 錯(cuò) 結(jié) 構(gòu) ， 不 易 形 成 線 狀 蝕 溝 ， 難 于 發(fā) 生 穿 晶 破 裂 和 造 成 粗 大 滑 移 臺(tái) 階 馬 氏 體 不 銹 鋼 較 高 的 Cr（ 13-18 ） ， 較 高 的 C（ 0.1-0.9%） 2Cr13、 3Cr13、 4Cr13及 9Cr18等 含 C量 提 高 ， 強(qiáng) 度 、 硬 度 和 耐

18、磨 性 均 提 高 ， 但 耐 蝕 性 下 降 （ Cr的 貧 化 程 度 增 加 ） 馬 氏 體 鋼 的 耐 蝕 性 與 其 組 織 有 關(guān) ： 中 溫 回 火 形 成 Cr的 碳 化 物 貧 Cr降 低 耐 蝕 性高 溫 回 火 ， 貧 Cr減 弱 ， 耐 蝕 性 又 有 所 增 加 雙 相 不 銹 鋼 馬 氏 體 鐵 素 體 鋼 1Cr13， 耐 腐 蝕 性 接 近 于 馬 氏 體 鋼 ， 但 硬 度 較 低 ， 塑 性 與 韌 性 較 高 ， 具 有 良 好 的 焊 接 性 能 奧 氏 體 鐵 素 體 鋼 強(qiáng) 度 高 晶 間 腐 蝕 不 敏 感 具 有 優(yōu) 良 的 耐 應(yīng) 力 腐 蝕 與 腐 蝕 疲 勞 性 能 耐 點(diǎn) 蝕 、 縫 隙 腐 蝕 性 能 好 含 Ni量 低 ， 價(jià) 格 較 便 宜 沉 淀 硬 化 不 銹 鋼 ： 馬 氏 體 或 奧 氏 體 組 織 中 形 成 沉 淀 硬 化 相 ， 獲 得 超 高 強(qiáng) 度