金属在各种环境中的腐蚀.pptx

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1、大气腐蚀机理大气腐蚀机理 大气腐蚀电化学过程大气腐蚀电化学过程阴极过程：阴极过程：O2+2H2O+4e 4OH-(4-1)(4-1)阳极过程：阳极过程：Me MeMe Men+n+ne (4-2)+ne (4-2)FeFe、ZnZn还原性酸溶液中还原性酸溶液中,阴极过程是氢去极化阴极过程是氢去极化;污染大气酸性水膜下，主要是氧去极化污染大气酸性水膜下，主要是氧去极化。潮大气腐蚀潮大气腐蚀 阳极过程控制；阳极过程控制；湿大气腐蚀湿大气腐蚀 阴极过程控制。阴极过程控制。第1页/共47页 腐蚀机理腐蚀机理潮大气腐蚀 锈层起强氧化剂作用,阳极反应发生在金属/Fe3O4界面上：Fe Fe2+2e (4-

2、3)阴极反应发生在Fe3O4/FeOOH界面上:6FeOOH+2e 2 Fe3O4+2H2O (4-4)第2页/共47页A-A-纯净空气;B-B-有(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4;C-0.01%SOC-0.01%SO2 2;D-(NHD-(NH4 4)2 2SOSO4 4+0.01%SO+0.01%SO2 2;E-E-烟粒+0.01%SO+0.01%SO2 2 图4-4 4-4 抛光钢在不同大气环境中腐蚀与相对湿度的关系第3页/共47页图4-5 大气中SO2含量对碳钢腐蚀速度的影响 第4页/共47页第5页/共47页 海水腐蚀电化学特点海水腐蚀电化学特点1 1 多数金属腐蚀过程都是氧去

3、极化过程多数金属腐蚀过程都是氧去极化过程,氧扩散控制氧扩散控制;2 2 阳极过程阻滞很小，加阳极过程阻滞很小，加Mo,Mo,抑制抑制ClCl-破坏作用破坏作用;3 3 高高,电阻性阻滞很小电阻性阻滞很小;4 4 易局部腐蚀破坏易局部腐蚀破坏,点蚀，缝隙腐蚀等。点蚀，缝隙腐蚀等。第6页/共47页4.3 4.3 金属在土壤中的腐蚀金属在土壤中的腐蚀概念：概念：埋藏于地下的金属由于埋藏于地下的金属由于土壤组成和电化学性能及生物环境不同，而发生局部破坏。土壤组成和电化学性能及生物环境不同，而发生局部破坏。现象：现象：油、气、水管线、电缆等因穿孔而漏油、漏气或漏水。或使电信设备发生故障。油、气、水管线、

4、电缆等因穿孔而漏油、漏气或漏水。或使电信设备发生故障。重要腐蚀形式重要腐蚀形式 发达国家，地下油、气管线百万公里以上，腐蚀损坏几亿美元发达国家，地下油、气管线百万公里以上，腐蚀损坏几亿美元/年。年。意义：意义：研究腐蚀规律及防蚀途径有实际意义。研究腐蚀规律及防蚀途径有实际意义。第7页/共47页4.3.1 4.3.1 土壤腐蚀的特点土壤腐蚀的特点1 1 土壤特性土壤特性1)1)多相性多相性 由固、液、气态，三相物质构成的复杂的多相体系。2)2)导电性导电性 水分以各种形式存在，土壤导电性。水分以各种形式存在，土壤导电性。电解质电解质 孔隙率、含水率影响它的透气性和电导率。孔隙率、含水率影响它的透

5、气性和电导率。3)3)不均匀性不均匀性 O O2 2,溶解水中，在土壤缝隙中。溶解水中，在土壤缝隙中。氧氧浓浓度度、湿湿度度和和结结构构密密切切相相关关，OO干干燥燥砂砂土土最最高高，潮潮湿湿砂砂土土次次之之，潮潮湿湿密密实实粘粘土土最最少。少。第8页/共47页4)4)土壤酸碱性。土壤酸碱性。大多数是中性的，大多数是中性的，pHpH值值6.0-7.56.0-7.5；有碱性有碱性,西北盐碱土西北盐碱土pHpH值值7.5-9.0;7.5-9.0;也有酸性，腐殖土和沼泽土也有酸性，腐殖土和沼泽土pHpH值值3-63-6。pHpH值越低，土壤腐蚀性越大。值越低，土壤腐蚀性越大。第9页/共47页2 土壤

6、腐蚀电化学过程大多数金属在土壤中腐蚀都属于氧去极化腐蚀。大多数金属在土壤中腐蚀都属于氧去极化腐蚀。与在电解液中的腐蚀本质是一样的。例与在电解液中的腐蚀本质是一样的。例Fe:Fe:阳阳极极过过程程：Fe Fe+nHnH2 2O O FeFe2+2+nHnH2 2O O+2e 2e (4-9)(4-9)阳极反应速度受金属离子化过程控制。阳极反应速度受金属离子化过程控制。pHpH值值低低土土壤壤，OHOH-很很少少。不不能能生生成成Fe(OH)Fe(OH)2 2，阳阳极极区区FeFe2+2+浓度增大。浓度增大。pHpH77土土壤壤中中,生生成成Fe(OH)Fe(OH)2 2溶溶解解度度很很小小,沉沉

7、积积在在钢钢铁表面，阻滞阳极溶解。铁表面，阻滞阳极溶解。含碳酸盐含碳酸盐,在阳极表面生成不溶性沉积物，保护膜。在阳极表面生成不溶性沉积物，保护膜。含含ClCl-和和SOSO4 42-2-与与FeFe2+2+生成可溶性盐，加速阳极溶解。生成可溶性盐，加速阳极溶解。第10页/共47页阴极过程：1/2O2+H2O+2e 2OH-(4-10)弱酸性、中性和碱性土壤中，阴极反应主要是氧去极化作用。土壤中水溶解氧有限，对腐蚀起主要作用的是缝隙和毛细管中的氧。土壤中传递过程比较复杂，进行得较慢。潮湿粘性土壤中，渗水能力和透气性差,氧传递相当困难，使阴极过程受阻。土壤pH5，腐蚀产物形成保护层。第11页/共4

8、7页4.3.2 4.3.2 土壤腐蚀的几种形式土壤腐蚀的几种形式1 1 充气不均匀引起腐蚀充气不均匀引起腐蚀主要指地下管线穿过不同的地质结构及潮湿程度不同主要指地下管线穿过不同的地质结构及潮湿程度不同的土壤带时，由于氧浓度差别引起的宏观电池腐蚀。的土壤带时，由于氧浓度差别引起的宏观电池腐蚀。第12页/共47页2 杂散电流引起的腐蚀 杂散电流是漏电现象。源于直流电的大功率电气装置，电气铁路，电解及电镀、电焊机等装置。第13页/共47页3 3 微生物引起的腐蚀微生物引起的腐蚀对腐蚀有作用细菌对腐蚀有作用细菌 硫酸杆菌和硫酸盐还原菌。硫酸杆菌和硫酸盐还原菌。它它们们能能将将土土壤壤中中硫硫酸酸盐盐还

9、还原原产产生生S S2-2-，小小部部分分消消耗耗在在微微生生物物自自身身的的新新陈陈代代谢谢上上，大大部部分分可作为阴极去极化剂可作为阴极去极化剂,促进腐蚀反应。促进腐蚀反应。土壤土壤 pH 4.5-9.0pH 4.5-9.0，最适宜硫酸盐还原菌生长，最适宜硫酸盐还原菌生长;pH 11pH 11，这种菌的活动及生长很难。，这种菌的活动及生长很难。第14页/共47页4.3.3 4.3.3 防止土壤腐蚀的措施防止土壤腐蚀的措施1 1 涂料或包覆玻璃布防水；涂料或包覆玻璃布防水；2 2 电电化化学学保保护护，牺牺牲牲阳阳极极法法，阴阴极极保保护护与涂料联合使用；与涂料联合使用；3 3 金属涂层或包

10、覆金属，镀锌层等。金属涂层或包覆金属，镀锌层等。第15页/共47页小结:土壤腐蚀形式：氧浓差、土壤腐蚀形式：氧浓差、杂散电流、杂散电流、微生物微生物土壤腐蚀的电化学过程：土壤腐蚀的电化学过程：阳极过程：阳极过程：FeFeFeFe2+2+2e+2e阴极过程：阴极过程：1/2O1/2O2 2+H+H2 2O+2e2OHO+2e2OH-第16页/共47页4.4 4.4 金属在工业环境中的腐蚀金属在工业环境中的腐蚀4.4.1 4.4.1 金属在酸溶液中腐蚀金属在酸溶液中腐蚀氧化性酸与非氧化性酸对金属腐蚀不同。氧化性酸与非氧化性酸对金属腐蚀不同。非非氧氧化化性性酸酸特特点点 阴阴极极过过程程基基本本是是

11、氢氢去去极极化化；增增加加酸酸度度会会增增加加阴阴极极反反应应，金金属属腐腐蚀蚀速速度度增加。增加。氧化性酸特点氧化性酸特点 阴极过程主要是氧化剂的还原过程引起金属腐蚀。阴极过程主要是氧化剂的还原过程引起金属腐蚀。氧化性酸浓度超过临界值时，使钝化型金属进入钝态，抑制腐蚀。氧化性酸浓度超过临界值时，使钝化型金属进入钝态，抑制腐蚀。溶液腐蚀性与酸强弱及酸阴离子氧化能力有关。溶液腐蚀性与酸强弱及酸阴离子氧化能力有关。第17页/共47页 金属在无机酸溶液中腐蚀金属在无机酸溶液中腐蚀无机酸无机酸 硫酸、硝酸、盐酸硫酸、硝酸、盐酸,引起设备腐蚀破坏和造成的经济损失相当严重。引起设备腐蚀破坏和造成的经济损失

12、相当严重。A A 金属在硫酸中的腐蚀金属在硫酸中的腐蚀 高高浓浓度度H2SO4是是强强氧氧化化剂剂，使使可可钝钝化化金金属属进进入入钝钝态态，低低浓浓度度H2SO4无无氧氧化化能能力力，其其腐腐蚀蚀性很强。性很强。硫酸腐蚀性主要取决于温度、浓度和流速。硫酸腐蚀性主要取决于温度、浓度和流速。第18页/共47页a)V 与W(H2SO4)关系耐硫酸材料为价廉的碳钢和铅及铅合金第19页/共47页第20页/共47页钢和铅的腐蚀规律在硫酸环境中，钢和铅具有互补性.第21页/共47页b)流速对腐蚀影响随浓度增加，流速增大，钢管寿命降低，输送硫酸时，不宜采用高的流动速度.第22页/共47页B 金属在盐酸中的腐

13、蚀HCl强酸,除银、钛等少数金属外，大多数金属或合金在HCl中都不能生成难溶的金属盐膜。HCl中Cl-有极强活性，除钛等少数钝性优异的金属外，金属表面钝化膜在盐酸中都因受Cl-的破坏而发生点蚀。a)盐酸浓度与腐蚀速度关系工业纯铁与碳钢的腐蚀速度随盐酸的浓度成指数关系增加，钢不能用于盐酸介质中。第23页/共47页纯铁、碳钢腐蚀速度随HClHCl浓度成指数关系 第24页/共47页沸HClHCl中各种金属腐蚀速度与HCLHCL浓度关系 第25页/共47页b 盐酸中溶氧或氧化剂对腐蚀的影响HCl中存在氧化剂时，铜、钼、镍基合金的腐蚀速度显著增加。W(HCl)高,阴极为氢去极化，W(HCl)低，氧去极化

14、占优势，腐蚀速度增加。c 钝态金属在盐酸中的腐蚀可钝化金属材料，在HCl中它们的钝态区很窄或不存在。耐HCl腐蚀的金属材料仅限于有极强钝化性能特殊金属及合金，如Ta、Zr及Ti-Mo合金等。第26页/共47页d 耐盐酸腐蚀的材料1)Ti-Mo合金 WLFinlay发现Ti-Mo合金对强还原性硫酸、盐酸具有优异的耐蚀性。Ti-3040Mo合金在沸腾的W(HCl)=20的HCl中腐蚀率为10mm/a;工业纯钛只能用于RT W(HCl)=310HCl中Ti-30Mo、Ti-32Mo为还原性酸中最耐蚀的Ti合金。不含稀贵金属，受到广泛重视。第27页/共47页表4-9Ti 合金在HCl中的腐蚀率/mma

15、-1第28页/共47页2)Ti-Ta合金Ta能提高Ti在还原性介质中的耐蚀性，改善钛在氧化性介质中的耐蚀性。第29页/共47页C C 金属在硝酸中腐蚀金属在硝酸中腐蚀HNO3强酸强酸,在其中能钝化的金属适用于在其中能钝化的金属适用于HNO3 1)碳钢碳钢 碳钢在碳钢在HNO3中的腐蚀行为见图中的腐蚀行为见图4-164-16 第30页/共47页 2)不锈钢 对硝酸有良好的耐蚀性。W(HNO3)70%热硝酸中易发生过钝化腐蚀。第31页/共47页AlAl及其合金3)Al及其合金 对中等温度的发烟HNO3良好蚀性;W(HNO3)13合金铸铁称为高硅耐酸铸铁。它对各种无机酸包括盐酸均有良好的耐蚀性。高硅

16、铸铁中W(Si)15，否易产生脆性相(Fe5Si2)。第32页/共47页本节重点：Fe、Pb在在H2SO4中的互补性；中的互补性；耐耐HCl腐蚀材料；腐蚀材料；碳钢在碳钢在HNO3的的腐蚀规律腐蚀规律。第33页/共47页4.5 4.5 人体环境中金属植入材料腐蚀人体环境中金属植入材料腐蚀植入材料是指用于制造人体内部的人工器官、小型监测仪器和治疗装置等植入器件。植入材料是指用于制造人体内部的人工器官、小型监测仪器和治疗装置等植入器件。特定金属材料、有机高分子材料和陶瓷材料。特定金属材料、有机高分子材料和陶瓷材料。高分子材料超高分子聚乙烯人工关节材料。高分子材料超高分子聚乙烯人工关节材料。人体高腐

17、蚀性环境，材料耐蚀性要求相当高。人体高腐蚀性环境，材料耐蚀性要求相当高。第34页/共47页4.5.1 4.5.1 人体环境特点人体环境特点1）构成体液体液(生理液生理液)是是1%的的NaCl、少量其他盐类及有机化合物的充气溶液。温暖的海水。少量其他盐类及有机化合物的充气溶液。温暖的海水。2）特点人体环境复杂活体人体环境复杂活体,其变化规律缺乏足够认识。其变化规律缺乏足够认识。人体环境中可发生多种腐蚀行为交织在一起，互相影响。人体环境中可发生多种腐蚀行为交织在一起，互相影响。人体敏感性，植入材料修复和治疗目的，对周围的组织、血液及对人体无有害的影响。人体敏感性，植入材料修复和治疗目的，对周围的组

18、织、血液及对人体无有害的影响。第35页/共47页第36页/共47页 人体环境电化学特点人体环境电化学特点电解质溶液电解质溶液,电化学规律适用。电化学规律适用。氧去极化腐蚀氧去极化腐蚀,其阴极过程：其阴极过程：O2+2 H2O+4e 4OH-(中性中性)(4-11)O2+4H+2e 2H2O (弱酸性弱酸性)(4-13)阳极过程阳极过程：MeMen+ne (4-13)阳极溶解，离子迁移，体液及部件周围存在钴、铬、镍、钼、钛等金属离子。阳极溶解，离子迁移，体液及部件周围存在钴、铬、镍、钼、钛等金属离子。第37页/共47页4.5.2 4.5.2 人体环境中可发生腐蚀形式人体环境中可发生腐蚀形式1）均

19、匀腐蚀植入材料均匀腐蚀速度比一般工业材料的腐蚀速度低植入材料均匀腐蚀速度比一般工业材料的腐蚀速度低2-32-3个数量级。个数量级。均均腐腐大大面面积积发发生生，金金属属离离子子进进入入人人体体组组织织的的量量是是相相当当可可观观的的。耐耐均均腐腐的的要要求求更更高高，V0.254m/aV0.254m/a。钛钝化性很好，钛钝化性很好，植入材料令人满意。植入材料令人满意。第38页/共47页 2 2）点腐蚀）点腐蚀 不锈钢、钴基、铁基合金，易钝化，有钝化膜。不锈钢、钴基、铁基合金，易钝化，有钝化膜。316316不锈钢点蚀明显；不锈钢点蚀明显；钴铬合金件强制取出率为钴铬合金件强制取出率为3%3%，无明

20、显点腐蚀；，无明显点腐蚀；模拟生理研究表明，钛合金及钴铬钼合金点蚀倾向非常小。模拟生理研究表明，钛合金及钴铬钼合金点蚀倾向非常小。含含MoMo不锈钢抗点蚀，不锈钢抗点蚀，MoMo含量不足也发生点蚀。含量不足也发生点蚀。大承载力骨骼部件，用抗点蚀不锈钢及钛合金。大承载力骨骼部件，用抗点蚀不锈钢及钛合金。第39页/共47页3 3）电偶腐蚀）电偶腐蚀 多个零件植入。多个零件植入。材料电位差异产生电偶腐蚀。材料电位差异产生电偶腐蚀。如骨板和螺钉。如骨板和螺钉。手术器械与植人材料间也可电偶腐蚀。手术器械与植人材料间也可电偶腐蚀。金属切屑与同一材料接触也引起电偶腐蚀。金属切屑与同一材料接触也引起电偶腐蚀。

21、4 4）缝隙腐蚀）缝隙腐蚀 多零件植入装置，骨板和螺钉会遭受缝隙腐蚀，不锈钢缝隙腐蚀，占多零件植入装置，骨板和螺钉会遭受缝隙腐蚀，不锈钢缝隙腐蚀，占50%50%。第40页/共47页5 5）磨损腐蚀）磨损腐蚀植入器件之间反复的、相对的滑动所造成的表面磨损与腐蚀环境的综合作用结果。植入器件之间反复的、相对的滑动所造成的表面磨损与腐蚀环境的综合作用结果。6）晶间腐蚀不锈钢易发生晶间腐蚀，危害相当大。不锈钢易发生晶间腐蚀，危害相当大。制不锈钢植入器件，必须避开材料敏化温度。制不锈钢植入器件，必须避开材料敏化温度。W(C)0.03%W(C)0.03%，可消除不锈钢的晶间腐蚀。，可消除不锈钢的晶间腐蚀。医

22、用不锈钢按医用不锈钢按ISO832/1ISO832/1标准，标准，W(C)0.03%W(C)0.03%。第41页/共47页7 7）腐蚀疲劳）腐蚀疲劳金属材料在交变应力与介质的共同作用下产生的断裂现象为腐蚀疲劳。金属材料在交变应力与介质的共同作用下产生的断裂现象为腐蚀疲劳。下肢植入件，髋关节，耐腐蚀疲劳性至关重要。下肢植入件，髋关节，耐腐蚀疲劳性至关重要。器件表面腐蚀疲劳裂纹，进行喷丸处理可提高疲劳寿命。器件表面腐蚀疲劳裂纹，进行喷丸处理可提高疲劳寿命。铸造合金敏感，锻造合金敏感性很小。铸造合金敏感，锻造合金敏感性很小。承受高应力植入件优先采用热压和锻造法制造。承受高应力植入件优先采用热压和锻造

23、法制造。第42页/共47页4.5.3 4.5.3 常用金属植入材料常用金属植入材料1）对植入材料要求主主要要有有三三个个方方面面：与与人人体体的的生生物物相相容容性性、在在人人体体环环境境中中的的耐耐腐腐蚀蚀性性能能以以及及植植入入材材料料的的力力学学性能。性能。生生物物相相容容两两个个方方面面：一一是是人人体体组组织织对对植植入入材材料料作作用用，即即植植入入材材料料腐腐蚀蚀、断断裂裂、失失效效；另另一一个是植入材料腐蚀产物、磨损产物对人体组织的作用。个是植入材料腐蚀产物、磨损产物对人体组织的作用。常用金属植入材料常用金属植入材料不锈钢、钴铬钼合金钛合金。不锈钢、钴铬钼合金钛合金。第43页/共47页2 2 常用金属植入材料常用金属植入材料1)Fe-18Cr-14Ni-3Mo合金合金2)Ti-6Al-4V合金合金3)Co-28Cr-6Mo合金合金第44页/共47页本节重点：1 1、人体环境腐蚀特点；、人体环境腐蚀特点；2 2、植入材料的要求；、植入材料的要求；3 3、常用的植入材料。、常用的植入材料。第45页/共47页思考题：1、土壤腐蚀有哪些的形式？怎样防止其发生？2、为什么铁罐可用来存储和运输浓硫酸？3、对人体植入材料有哪些要求？第46页/共47页感谢您的观看！第47页/共47页