《金属腐蚀的发生》PPT课件.ppt

6 1金属腐蚀的发生 金属腐蚀 指金属表面与周围的介质 通常是液体和气体 接触时 发生化学或电化学反应而受到损坏 根据金属腐蚀过程的特点 通常分为化学腐蚀 电化学腐蚀和生物腐蚀 钢铁是最常用 也最重要 但在环境中不稳定 钢铁表面需要保护 才能在规定的服役期内免遭腐蚀 世界上每年由于腐蚀而报废的钢铁设备 相当于钢铁产量的2 5 腐蚀更重要的是会引起停工停产 环境污染 中毒 爆炸等严重事故 金属腐蚀直接或间接地造成巨大的经济损失 需要学习这方面的知识 一 化学腐蚀 化学腐蚀是金属与周围介质直接发生氧化还原反应而引起的破坏 特点是在腐蚀过程中不产生电流 发生在非电解质溶液中或干燥的气体中 例如 电气绝缘油 润滑油以及干燥空气中的氧气 二氧化硫等 与电气 机械设备中的金属接触时 生成相应的氧化物 硫化物等 典型场合 温度对化学腐蚀的速率影响很大 高温水蒸气腐蚀锅炉 生成氧化皮的同时 还会发生钢铁脱碳现象 氧化皮的组成 钢铁脱碳 钢铁中的渗碳体与高温水蒸气的反应中 碳从邻近的 尚未反应的金属内部逐渐扩散到反应区 于是金属层中的碳逐渐减少 形成脱碳层 还造成氢脆 化学腐蚀需要金属与氧化性气体直接接触 或与高温下的水蒸汽直接接触 钢铁脱碳和氢脆造成钢的表面硬度和内部强度的降低 二电化学腐蚀 电化学腐蚀与化学腐蚀的主要区别在于 电化学腐蚀需要有水溶液这样的介质与金属表面接触 在电化学腐蚀过程中 有电流产生 化学腐蚀需要金属与氧化性气体直接接触 或与高温下的水蒸汽直接接触 这些都属于特定的环境条件 金属接触的是日常的大气条件 室温 有一定的相对湿度 在这种条件下的腐蚀主要是电化学腐蚀 电化学腐蚀是我们研究的重点 1腐蚀电池电化学腐蚀是由于形成原电池而引起的腐蚀 这类原电池称为腐蚀电池 纯锌与稀盐酸反应很慢 几乎看不到氢气放出 锌块上缠一根铜丝 铜丝上剧烈冒气泡 锌块明显溶解 粗锌中的杂质起铜的作用 上面的腐蚀电池中 阳极失电子 后面讲到的铝阳极氧化就是金属铝变为三氧化二铝 阴极得电子 镀锌就是锌离子变为金属锌 上一章讲到的标准电极电势是平衡电极电势 即在没有电流的情况下 反应无限缓慢测得的 实际电池的电压比计算的数据小 这是由于发生了极化 这时的电极电势是极化电势 极化的原因有电阻极化 浓差极化 电化学极化 1 浓差极化电极上离子的放电速率快 离子在溶液中的扩散速率慢 导致电极表面离子的浓度比本体中的低 电极电势的数值要偏离计算值 因为计算值是采用本体溶液的浓度 用能斯特方程计算得到的 2 电化学极化电子在导线中流动很快 离子在电极表面的反应却慢得多 与平衡时的电极相比 造成电子 阴极上 或正电荷 阳极上 过剩 偏离平衡电极电势的数值 3 电阻极化电极上形成的氧化膜或其他物质 具有一定的电阻 测量得到的电动势要偏离平衡时的电动势 极化的最终结果是 腐蚀电池中 阴极的电势值减少 阳极的增加 总的电动势减小 极化使腐蚀速率变慢 甚至停止 极化使原电池的电动势减小 电化学腐蚀根据所处环境的不同 分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀两大类 析氢腐蚀为酸性环境 吸氧腐蚀为中性或弱碱性环境 2析氢腐蚀 有可导电的水时 钢铁组成的不均匀 内部应力的不均匀 可使不同部位形成阴极和阳极 发生电极反应 因有氢气析出 称为析氢腐蚀 酸性溶液中 不断供应氢离子 反应就可不断进行 pH值 4的溶液中 铁已不发生析氢腐蚀 因为表面的氢离子很快被消耗 发生极化 阻止反应的进行 在稀盐酸中 酸洗除去钢铁的氧化皮时 就会发生析氢腐蚀 需要加缓蚀剂保护钢铁 在中性介质中 铁的腐蚀还很严重 这是什么原因呢 因为有氧气存在 造成吸氧腐蚀 3吸氧腐蚀 在中性或弱酸性水溶液中 金属发生吸氧腐蚀 阳极是金属铁 阳极附近的杂质就成为阴极 大多数金属都可能产生吸氧腐蚀 甚至在酸性较强的溶液中 金属发生析氢腐蚀的同时 也有吸氧腐蚀产生 生成的Fe OH 2在空气中不稳定 会被继续氧化成Fe OH 3 即铁锈 铁锈层疏松 能透过水和氧气 不能阻止进一步的腐蚀 在腐蚀电池中 阳极反应 阴极反应有两类 差异充气腐蚀是由于氧浓度不同而造成的腐蚀 是吸氧腐蚀的一种形式 氧气的分压或浓度大的地方 E就大 作为阴极 氧气的分压或浓度小的地方 E就小 作为阳极 钢管 铸铁管埋在地下 没有压结实的地方 氧气的分压或浓度要大一些 为阴极 压实的地方为阳极 组成氧的浓差电池 结果压实的地方先腐蚀 问题 一根铁棒插在水中不动 哪个地方最先开始腐蚀 pH低时 酸性 钢铁发生析氢腐蚀 pH值处在4 10之间时 腐蚀速率和氧的浓度有关 即发生吸氧腐蚀 pH值更高时 产生钝化和极化作用 腐蚀速率下降 总结 三生物腐蚀 一些微生物破坏掉防腐蚀用的漆膜等有机物 一些微生物的代谢产物是强酸性物质或氢气 造成氢脆 一些微生物的活动消耗氧 产生氧的浓差腐蚀 4金属的腐蚀速率 金属腐蚀的速率与金属本性有关 金 银等抗腐蚀能力很强 而钠 钾等的抗腐蚀性能力也极差 金属制件在制造过程中 由于受冷热加工变形产生内应力 在内应力集中的地方会加速腐蚀 1相对湿度常温下金属在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀 当潮气或氧任缺其一时 腐蚀都不会发生 氧由空气中的氧气供给 吸氧腐蚀的速率主要取决于构成电解质溶液的水分 某一相对湿度 即临界相对湿度 以下 金属长期暴露于大气中 也几乎不生锈 超过临界相对湿度 金属表面很快就会吸附水蒸气 形成水膜而腐蚀 临界相对湿度随金属种类及表面状态不同而不同 钢铁的约为75 水膜厚度对金属腐蚀速率的影响很大 金属在水膜极薄 小于10nm 腐蚀几乎不能发生 因为不能形成足够的电解质溶液供金属溶解和离子迁移运动 水膜在10nm 106nm 1mm 时的腐蚀速率最大 这相当于空气相对湿度较大时形成的水膜 此时 氧分子很容易透过水膜到达金属表面 形成腐蚀电池 腐蚀速率很快 水膜过厚 超过106nm 氧分子透过水膜到达金属表面的时间很长 腐蚀速率降低 形成水膜是吸氧腐蚀的先决条件 在金属表面形成水膜 需要湿度超过该表面的临界相对湿度 水膜厚度对腐蚀速率有重要影响 3 温度湿度低于金属的临界相对湿度时 无论气温多高 金属也几乎不腐蚀 当相对湿度在临界相对湿度以上时 温度每升高10 锈蚀速率提高约2倍 所以在雨季或湿热带 温度越高 生锈越严重 温度变化在大陆性气候地区 白天炎热 一到晚上 温度就剧烈下降 空气的相对湿度大大升高 这时空气中的水分就会在金属表面形成露水 就发生金属腐蚀 3常见的腐蚀气体和离子SO2 CO2等溶于水膜 增加水膜的导电性 使析氢腐蚀和吸氧腐蚀同时发生 加快腐蚀速率 金属表面粗糙的 易积聚灰尘 易吸附潮气形成水膜 腐蚀速度较快 钢铁在海滨大气及海洋运输中 腐蚀速率较快 原因是经常接触氯离子 氯离子能大幅度提高水膜的导电能力 氯离子破坏金属表面的钝化膜 生成氯化物 氯化物易溶于水 钢铁表面通常镀一层锌保护 锌吸氧腐蚀的产物是 氢氧化锌与空气中二氧化碳反应生成碱式碳酸锌 碱式碳酸锌是致密的覆盖层 与金属表面的水 氧隔离 大幅度降低腐蚀速率 一般每年几微米