工程材料及其耐腐蚀性

4．工程材料及其耐腐蚀性

编写人：左禹，熊金平

基本要求：

熟悉常用工程材料的性能，试验方法及其选用； 了解常用工程材料的种类及应用；

了解常用工程材料，特别是非金属材料的合成与制备，正确选择和使用工程材料。 考核知识点：

熟悉工程材料的主要性能，力学性能，物理性能，化学性能和工艺性能； 熟悉常用工程材料的性能的检测与分析方法； 熟悉常用工程材料合成、制备、选择和使用。

第一部分 金属材料及其耐腐蚀性

4.1金属材料耐蚀性特点和分类

腐蚀环境类型千变万化，条件复杂苛刻，同一种金属材料在一些环境中耐腐蚀，在另外一些环境中则不耐腐蚀。根据使用环境正确地选择材料是提高材料服役可靠性和延长使用寿命最基本、最重要的环节。

纯金属耐腐蚀的原因可以归结于以下三个方面：一是由于自身的热力学稳定性而耐蚀；二是由于钝化而耐蚀；三是由于形成有保护作用的腐蚀产物膜而耐蚀。工程材料绝大多数是合金，合金的耐蚀性仍然决定于上述三方面的因素。加入适当的合金化元素，可以进一步提高材料的热力学稳定性，或提高材料钝化能力及形成表面保护膜的能力，从而大大地提高材料的耐蚀性。

4.1.1金属的热力学稳定性

金属在水溶液中的腐蚀反应是由金属氧化为金属离子和溶液中去极化剂还原这一对共轭电化学反应构成的，即：

M≒Mn++ne （4-1） O+ne≒R (4-2)

式中，O和R分别代表去极化剂的氧化态和还原态。上述两反应的倾向性由有关物质的化学位决定，根据化学位可以导出反应的平衡电极电位为

Ee=Eo+RTlnα

Mn+

／nf (4-3)

Ee’=Eo’－ RTlnαO/nF (4-4)

共轭反应式（4-1）和式（4-2）发生的热力学条件是去极化剂O的还原反应的平衡

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电位E／e高于金属M的氧化反应的平衡电位Ee，二者差值越大，腐蚀反应的热力学倾向就越大。金属在水溶液中发生腐蚀时，大多数情况下去极化剂是溶液中的氢离子或氧，阴极反应为

H++e≒1/2H2 (4-5) 或O2+2H2O+4e≒4OH－ (4-6)

根据式（4-4）可以得到上述二反应的平衡电位随溶液pH值变化的关系，在每条平衡线上方，反应沿氧化方向进行，在平衡线下方，反应沿还原方向进行。因此，如果某种金属氧化反应的平衡电位位于吸氧反应（或析氢反应）平衡线下方，就可以发生金属氧化与氧还原（或氢原子还原）的共轭反应而导致金属腐蚀。

根据式（4-3），金属氧化的平衡电位和溶液中金属离子活度aMn+有关，当aMn+=1时,Ee=E0。E0称标准平衡电极电位,可以表征不同金属溶解为金属离子的倾向，E0值越高，式（4-1）反应越不容易向右方进行，金属的热力学稳定性就越高。

根据上述析氢反应和吸氧反应的平衡电位与溶液pH值的关系可以得到三个特征值：中性水（pH=7）中的标准氢电极电位是－0.414V，在酸性水（pH=0）中为0V，中性水中吸氧反应的平衡电位＋0.815V。根据这三个特征值可以将金属分为以下四类：

（1）不稳定类金属

标准电位低于－0.414Ｖ。这类金属在中性水中就能发生析氢或吸氧腐蚀，包括Li, Na, K, Be, Mg, Ca, Ba, Al, Ti, Zr, V, Mn, Nb, Cr, Zn, Fe等。

（2）不够稳定类金属

标准电位在－0.414～0V之间。这类金属在中性水中不会发生析氢腐蚀，当溶液含氧时会发生吸氧腐蚀，在酸性溶液中则会发生析氢腐蚀，包括Cd、 In、Tl、 Co,、Ni、 Mo、 Sn、Pb。

（3）较稳定类金属

标准电位位于0～0.815V之间。这类金属在不含氧的中性和酸性溶液中都不能腐蚀，只是在含氧溶液中会发生吸氧腐蚀，包括Bi、 Sb、 As、 Cu、 Rh、 Hg、 Ag等。

（4）稳定类金属

标准电位高于＋0.815V。这类金属在含氧的中性水中也不会腐蚀，仅在含氧酸性溶液中有可能腐蚀，包括Pd、 Ir、 Pt、 Au、 Ta等。

工程用的金属材料绝大多数是合金，固溶体合金的电极电位一般位于其组成金属的电极电位之间。因此，在电位较负的金属中加入电位较正的金属进行合金化后，合金的热力学稳定性将介于两组成金属之间。

耐腐蚀性主要取决于材料自身热力学稳定性的常用金属材料有铸铁、碳钢和普通

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低合金钢、铜与铜合金、镍与镍合金等。铸铁和碳钢耐蚀性较差；铜、铜合金及镍属于比较稳定的材料，在海水、盐溶液和中等腐蚀性的非氧化介质中有良好耐蚀性；镍铜合金（蒙乃尔合金），镍钼铁合金（哈氏合金B）等稳定性更高，有很强的耐还原性酸腐蚀的能力，但仍然不耐强氧化性介质腐蚀。贵金属钽，铂，金是稳定性最高的金属材料。

4.1.2金属的钝化

很多金属材料自身的热力学稳定性并不高，但在腐蚀介质中表面能够形成钝化膜而使耐蚀性大大提高。常用的可钝化金属材料有镁与镁合金，铝与铝合金，不锈钢，钛与钛合金，锆合金等，其中用量最大的是奥氏体不锈钢。根据含铬量的多少，奥氏体不锈钢可以分为三个等级：18Cr-8Ni型不锈钢（304型）、18Cr-12Ni-2Mo型不锈钢（316型）和20Cr-25Ni-4.5Mo-Cu型。含铬量越高，钝化能力越好，耐腐蚀性越强。后两种类型不锈钢中由于Ni、Mo、Cu等元素含量增多，耐非氧化性介质和氯离子腐蚀的能力也有所提高。

金属的钝化发生在氧化性或含氧介质中，在非氧化性或还原性介质中由于钝化膜不稳定，耐蚀性不佳。当介质中含有能破坏钝化膜的卤离子时，耐蚀性也会大大降低。

4.1.3金属表面的腐蚀产物膜

有些金属材料不能够钝化，但在腐蚀介质中表面能够形成致密的腐蚀产物薄膜层，从而阻碍进一步的腐蚀。例如铅在稀硫酸溶液中，铁在磷酸溶液中，钼在盐酸溶液中，镁在氢氟酸或碱液中，锌在大气中等。这类材料在特定环境中通常有较好耐蚀性，但如果介质条件改变，表面不能维持保护性良好的腐蚀产物膜层，耐蚀性就会明显降低。

4.2腐蚀介质的类别

腐蚀介质种类繁多，腐蚀性差别很大，常见的材料服役环境有大气、土壤、水环境与海水、酸、碱、盐溶液和有机化合物等几大类。

4．2。1 大气 金属的大气腐蚀与金属表面附着的一层薄水膜有关，腐蚀的阴极反应是水膜中的溶解氧的还原。通常金属表面的潮湿程度越大，大气腐蚀速度越高。大气腐蚀的速度也与大气的组成有关，当大气中存在二氧化硫、三氧化硫、硫化氢、氯化物、氨和固体悬浮颗粒时，都会明显促进腐蚀。因此，工业性污染大气腐蚀性最强，其次是城市和沿海地区的大气，内陆农村地区的大气腐蚀性最弱。

4．2。2 海水 海水是含盐量很高的电解质溶液，金属在海水中发生氧去极化腐蚀，氧含量和海水流速等因素对腐蚀速度有影响。由于海水中的氯离子会破坏钝化膜，不锈钢不适用于海水，碳钢在海水中腐蚀速度也很高，必须采用涂层或电化学保护等措施。铜和钛在海水中相对耐蚀性叫较好。

4．2． 3 土壤 土壤是一种多孔性的无机、有机胶质颗粒体系，土壤的孔隙由空

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气、水和盐类所充满，因此是一种电解质，金属在土壤中的腐蚀通常是氧去极化腐蚀，土壤的含水量、含氧量和导电性对腐蚀速度有着直接的影响。 4．2．4 酸 包括无机酸和有机酸。无机酸，又可分为非氧化性酸和氧化性酸两类。金属在非氧化性酸中腐蚀的阴极反应是氢离子还原反应，由于酸中不含氧化剂，不能使金属钝化，金属在非氧化性酸中主要依靠其热力学稳定性来抵抗腐蚀。盐酸和氢氟酸是典型的非氧化性酸。

氧化性酸中除了可以发生氢离子还原反应以外，腐蚀反应的阴极过程主要是氧化剂的还原，例如在硝酸中腐蚀的阴极反应是硝酸根离子还原为亚硝酸根离子。金属在氧化性酸中能够钝化，因此可选用能够钝化的金属材料用于氧化性酸介质，如铝、不锈钢、钛合金等。浓硫酸、浓磷酸、铬酸等都是氧化性酸，稀硫酸则表现为非氧化性酸的特性。

有机酸与无机酸相比一般酸性较弱，如乙酸、丙酸、酒石酸、苹果酸等在室温下腐蚀性都不强，但随温度升高腐蚀明显增强。沸腾的甲酸和乙酸有很强的还原性，因此对不锈钢具有较强的腐蚀性，这种环境可以选用铜合金或钛合金。

4．2．5 碱 金属在碱溶液中的腐蚀是氧去极化腐蚀。碳钢在常温下各种浓度的碱液中，由于表面形成氢氧化铁膜而耐蚀性优良，但在80℃以上的高温碱液中不耐蚀。奥氏体不锈钢有较好的耐高温碱腐蚀性能。镍和各种镍基合金耐碱性最佳。

4．2．6 盐溶液 常见的无机盐溶液的腐蚀特性见表4-1。

表4-1 无机盐溶液的腐蚀特性 种类 非氧化性盐 酸性盐 中性盐 NaCl、KCl、Na2SO4、K2SO4 、LiCl NH4Cl、(NH4)2SO4、 MgCl2、MnCl2、FeCl2、NiSO4 碱性盐 NaNO3、Na2SiO3、Na2S、Na3PO4、Na2B2O7 氧去极化 相当于稀碱溶液，腐蚀性较弱，磷酸盐，硼酸盐有缓蚀作用 氧化性盐 中性盐 NaNO3、NaNO2、K2CrO4、氧化性阴离K2Cr2O7、KMnO4 子的还原 可促使钢铁钝化 氢去极化＋氧去极化 腐蚀阴极反应 氧去极化 腐蚀性随氧浓度增大而增大 腐蚀性接近相同pH值的酸溶液 腐蚀特性 4

酸性盐 FeCl3、CuCl2、HgCl2、NH4NO3 高价金属阳离子还原为低价离子 氧化性阴离子的还原 有强烈氧化性，腐蚀性很强 腐蚀性较强 碱性盐

4．2．7 有机化合物

NaClO、Ca(ClO)2 有机化合物在水溶液中的离子化倾向很低，一般不具有氧化性。大多数有机化合物如醇、醚、酮，各种烃类等对金属的腐蚀性很微弱少数有机物如酸酐、醛类、酚、有机氯化物、有机硫化物等具有腐蚀 性，随温度升高腐蚀性增强。

4.3耐腐蚀材料的选用

4．3．1腐蚀环境调查

腐蚀环境的主要特征参数包括介质组成、温度、流速、压力、固体颗粒种类与含量、介质循环量、介质组成的变化、气液界面状况、蒸发与浓缩条件等，其中最重要参数是介质组成和温度。

（1）介质组成 介质组成决定其氧化性或还原性、酸碱性，除了要搞清楚介质的主要成分以外，还必须了解主要侵蚀性杂质的种类与含量。例如：微量的氯、氟离子即可破坏钝化，重金属离子会加速腐蚀，氧和氧化剂的存在能促进可钝化金属发生钝化；也可能加

速非钝化金属的腐蚀。在有机介质中，水含量和介质导电性对腐蚀也有重要影响。

（2）温度 大多数介质的腐蚀性随温度升高而显著增大，例如在有机酸或稀无机酸体系中，金属材料在沸腾温度下的腐蚀速度比在室温下要高一个数量级以上。在室温下耐蚀性良好的材料，在高温下可能完全不耐蚀。

4．3．2一般选材原则

（1）在强还原性或非氧化性环境中，由于材料不易钝化或钝化膜不稳定，因此不宜使用可钝化材料，应选择依靠自身热力学稳定性耐腐蚀的材料，如铜与铜合金，镍与镍合金等。

（2）在氧化性环境中应选择可钝化材料，如不锈钢、铝与铝合金等，氧化性很强的环境可选用钛与钛合金、锆合金等。

（3）在氯离子环境中不宜使用钝化金属材料，普通18-8型不锈钢和铝合金在氯离子环境中容易发生孔蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀破裂。高镍钼型不锈钢有一定的耐孔蚀能力，但在受力状态下存在应力腐蚀倾向，在低氯离子介质中应慎重使用。钛合金有较强

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