金属在各种环境中的腐蚀

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1、4金属在各种环境中的腐蚀4.1金属在大气中的腐蚀金属材料或构筑物在大气条件下发生化学或电化学反应引起材料的破损称为大气腐蚀。大气腐蚀是常见的腐蚀。全世界在大气中使用的钢材量一般超过其生产总量的60％。如钢梁、钢轨、各种机械设备、车辆等都是在大气环境下使用。大气腐蚀损失金属≥50％总腐蚀量；了解和研究大气腐蚀的机理、影响因素及防止方法是非常必要的。4.1.1大气腐蚀的分类全球范围大气主要成分几乎不变的，其中的水分含量将随地域、季节、时间等条件而变化。参与大气腐蚀过程的是氧和水气，二氧化碳。根据金属表面的潮湿程度的不同，把大气腐蚀分为三类:1)干大气腐蚀干大气腐蚀是在金属表面不存在液膜

2、层时的腐蚀。特点是在金属表面形成不可见的保护性氧化膜(1~10nm)和某些金属失泽现象。铜、银等在被硫化物污染的空气中所形成的一层膜。2)潮大气腐蚀潮大气腐蚀是指金属在相对湿度小于100%的大气中，表面存在肉眼看不见的薄的液膜层(10nm~1μm)发生的腐蚀。如铁没受雨淋也会生锈。大气腐蚀的分类3)湿大气腐蚀湿大气腐蚀指金属在相对湿度>100%，如水分以雨、雾、水等形式直接溅落在金属表面上，表面存在肉眼可见的水膜(1μm~1mm)发生的腐蚀。大气腐蚀速度与金属表面水膜厚度的关系见图4-1。腐蚀速度与水膜厚度的规律1)区域I金属表面只有约几个水分子厚(1~10nm)水膜，没有形成连续

3、的电解质溶液，干的大气腐蚀．腐蚀速度很小。2)区域II金属表面水膜厚度约在1μm时，由于形成连续电解液层，腐蚀速度迅速增加，发生潮的大气腐蚀。3)区域III水膜厚度增加到1mm时，发生湿的大气腐蚀，氧通过该膜扩散到金属表面显著困难，因此腐蚀速度明显下降。4)区域IV金属表面水膜厚度大于1mm，相当于全浸在电解液中的腐蚀，腐蚀速度基本不变。通常所说的大气腐蚀是指在常温下潮湿空气中的腐蚀4.1.2大气腐蚀机理特点是金属表面处于薄层电解液下的腐蚀过程，规律符合电化学腐蚀规律。4.1.2.1大气腐蚀的电化学过程金属表面形成连续电解液薄层时,大气腐蚀的阴极过程主要是氧去极化。阴极过程：O2+

4、2H2O+4e→4OH-(4-1)阳极过程：Me→Men++ne(4-2)铁、锌等金属全浸在还原性酸溶液中,阴极过程主要是氢去极化，城市污染的大气所形成的酸性水膜下，它们腐蚀主要是氧去极化腐蚀。大气腐蚀的电化学过程薄液膜下,阳极过程受较大阻滞，氧更易到达金属表面，生成氧化膜或氧吸附膜，阳极处钝态。阳极钝化及金属离子化过程困难造成阳极极化。液膜增厚，湿大气腐蚀，氧到达金属表面有一个扩散过程，腐蚀过程受氧扩散过程控制。潮大气腐蚀主要受阳极过程控制；湿大气腐蚀主要受阴极过程控制。4.1.2.2腐蚀机理大气腐蚀条件不同，锈层成分和结构是很复杂。Evans认为大气腐蚀的锈层处在潮湿条件下，锈

5、层起强氧化剂作用,在锈层内阳极反应发生在金属/Fe3O4界面上：Fe→Fe2++2e(4-3)阴极反应发生在Fe3O4/FeOOH界面上:6FeOOH+2e→2Fe3O4+2H2O(4-4)锈层参与了阴极过程。锈层内发生Fe3+→Fe2+的还原反应，锈层参与了阴极过程。锈层干燥时，外部气体相对湿度下降时，锈层和底部基体钢在大气中氧的作用下，锈层重新氧化成Fe3+的氧化物；在干湿交替的条件下，锈层加速钢腐蚀过程。碳钢锈层结构一般分内外两层：内层紧靠钢和锈的界面上，附着性好，结构较致密，主要由致密的带少许Fe3O4晶粒和非晶FeOOH构成；外层由疏松的结晶α-FeOOH和γ-FeOOH

6、构成。锈层生成的动力学规律锈层生成的动力学曲线遵循幂定律；P＝Ktn(4-5)P-失重量，K-常数，t-暴露时间，n-常数。4.1.3工业大气中金属腐蚀特点工业大气中的SO2、NO2、H2S、NH3等都增加大气的腐蚀作用，加快金属的腐蚀速度．石油、煤等燃科的废气中含SO2最多，在城市和工业区SO2的含量可达0.1~100mg/m3。1)Air很纯,很小,随湿度增加仅有轻微增加。2)污染空气，相对湿度<70%时，长期暴露，V也很小；有SO2存在，当相对湿度略>70%，腐蚀速度急剧增加。3)硫酸铵和煤烟粒子污染的空气加速金属腐蚀。常用金属在不同大气环境中的平均腐蚀速度A-纯净空气;B-

7、有(NH4)2SO4;C-0.01%SO2;D-(NH4)2SO4+0.01%SO2;E-烟粒+0.01%SO2图4-4抛光钢在不同大气环境中腐蚀与相对湿度的关系污染Air，<临界湿度，金属表面没有水膜，金属受化学作用引起的腐蚀，V很小。>临界湿度,水膜形成,电化学腐蚀,V急增.大气中SO2对不耐H2SO4腐蚀的金属，如Fe、Zn、Cd、Ni影响显著。V∝W(SO2)。图4-5大气中SO2含量对碳钢腐蚀速度的影响SO2促进金属大气腐蚀的机制SO2的腐蚀作用机制是硫酸盐