材料腐蚀的种类、危害及解决办法
材料腐蚀的种类、危害及解决办法
康
昆
勇
腐蚀是指材料受周围环境的作用，发生有害的化学变化、电化学变化或物理变化而失去其固有性能的过程。通常环境介质对材料有各种不同的作用，其中有多种作用可导致材料遭受破坏，但只有满足以下两个条件，才称为腐蚀作用：①材料受介质作用的部分发生状态变化，转变成新相。②在材料遭受破坏过程中，整个腐蚀体系的自由能降低。材料腐蚀发生在材料表面。按腐蚀反应进行的方式分为化学腐蚀和电化学腐蚀。前者发生在非离子导体介质中；后者发生在具有离子导电性的介质中，故可通过改变材料的电极电位来改变腐蚀速度。按材料破坏特点分为均匀腐蚀、局部腐蚀和选择性腐蚀。均匀腐蚀指材料表面各处腐蚀破坏深度差别很小，没有特别严重的部位，也没有特别轻微的部分。局部腐蚀是材料表面的腐蚀破坏集中发生在某一区域，主要有孔蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等。选择性腐蚀是金属材料在腐蚀介质中，其活性组元产生选择性溶解，由金属材料合金组分的电化学差异所致。按腐蚀环境又分为微生物腐蚀、大气腐蚀、土壤腐蚀、海洋腐蚀和高温腐蚀等。
金属材料以及由它们制成的结构物，在自然环境中或者在工况条件下，由于与其所处环境介质发生化学或者电化学作用而引起的变质和破坏，这种现象称为腐蚀，其中也包括上述因素与力学因素或者生物因素的共同作用。某些物理作用例如金属材料在某些液态金属中的物理溶解现象也可以归入金属腐蚀范畴。一般而言，生锈专指钢铁和铁基合金而言，它们在氧和水的作用下形成了主要由含水氧化铁组成的腐蚀产物铁锈。有色金属及其合金可以发生腐蚀但并不生锈，而是形成与铁锈相似的腐蚀产物，如铜和铜合金表面的铜绿，偶尔也被人称作铜锈。由于金属和合金遭受腐蚀后又回复到了矿石的化合物状态，所以金属腐蚀也可以说是冶炼过程的逆过程。上述定义不仅适用于金属材料，也可以广义地适用于塑料、陶瓷、混凝土和木材等非金属材料。例如，涂料和橡胶由于阳光或者化学物质的作用引起变质，炼钢炉衬的熔化以及一种金属被另一种金属熔融液态金属腐蚀，这些过程的结果都属于材料腐蚀，这是一种广义的定义。金属及其合金至今仍然被公认为是最重要的结构材料，所以金属腐蚀自然成为最引人注意的问题之一。腐蚀破坏的形式种类很多，在不同环境条件下引起金属腐蚀的原因不尽相同，而且影响因素也非常复杂。为了防止和减缓腐蚀破坏及其损伤，通过改变某些作用条件和影响因素而阻断和控制腐蚀过程，由此所发展的方法、技术及相应的工
程实施成为防腐蚀工程技术。关于腐蚀还有一些其他形式的定义，比如可分为湿腐蚀和干腐蚀两类。湿腐蚀指金属在有水存在下的腐蚀，干腐蚀则指在无液态水存在下的干气体中的腐蚀。由于大气中普遍含有水，化工生产中也经常处理各种水溶液，因此湿腐蚀是最常见的，但高温操作时干腐蚀造成的危害也不容忽视。金属在水溶液中的腐蚀是一种电化学反应。在金属表面形成一个阳极和阴极区隔离的腐蚀电池，金属在溶液中失去电子，变成带正电的离子，这是一个氧化过程即阳极过程。与此同时在接触水溶液的金属表面，电子有大量机会被溶液中的某种物质中和，中和电子的过程是还原过程，即阴极过程。常见的阴极过程有氧被还原、氢气释放、氧化剂被还原和贵金属沉积等。随着腐蚀过程的进行，在多数情况下，阴极或阳极过程会因溶液离子受到腐蚀产物的阻挡，导致扩散被阻而腐蚀速度变慢，这个现象称为极化，金属的腐蚀随极化而减缓。干腐蚀一般指在高温气体中发生的腐蚀，常见的是高温氧化。在高温气体中，金属表面产生一层氧化膜，膜的性质和生长规律决定金属的耐腐蚀性。膜的生长规律可分为直线规律、抛物线规律和对数规律。直线规律的氧化最危险，因为金属失重随时间以恒速上升。抛物线和对数的规律是氧化速度随膜厚增长而下降，较安全，如铝在常温氧化遵循对数规律，几天后膜的生长就停止，因此它有良好的耐大气氧化性。又如根据腐蚀的形态，可分为均匀腐蚀和局部腐蚀两种。在化工生产中，后者的危害更严重。均匀腐蚀发生在金属表面的全部或大部，也称全面腐蚀。多数情况下，金属表面会生成保护性的腐蚀产物膜，使腐蚀变慢。有些金属, 如钢铁在盐酸中, 不产生膜而迅速溶解。通常用平均腐蚀率（即材料厚度每年损失若干毫米）作为衡量均匀腐蚀的程度，也作为选材的原则, 一般年腐蚀率小于1~1.5mm, 可认为合用(有合理的使用寿命)。局部腐蚀只发生在金属表面的局部。其危害性比均匀腐蚀严重得多，它约占化工机械腐蚀破坏总数的70% , 而且可能是突发性和灾难性的, 会引起爆炸、火灾等事故。此外，腐蚀还可分为氢腐蚀、磨损腐蚀、选择性腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、浓差腐蚀电池、电偶腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀等。
随着非金属材料越来越多地用作工程材料，非金属材料失效现象也越来越引起人们的重视。腐蚀现象是十分普遍的。从热力学的观点出发，除了极少数贵金属(Au、Pt等)外，一般材料发生病蚀都是一个自发过程。材料很少是由于单纯机械因素(如
拉、压、冲击、疲劳、断裂和磨损等)或其他物理因素(如热能、光能等)引起破坏的，绝大多数金属和非金属材料的破坏都与其周围环境的腐蚀因素有关。材料的腐蚀问题已成为当今材料科学与工程领域不可忽略的课题。材料腐蚀问题遍及国民经济的各个领域，日常生活、交通运输、机械、化工、冶金，尖端科学、国防，使用材料的地方都存在着腐蚀问题。腐蚀给社会带来巨大的经济损失，约占国民经济生产总值的2％~4％，目前，全世界由于腐蚀造成的经济损失达7000亿美元。
腐蚀事故危及人身安全。1965年3月，美国一输气管线因应力腐蚀破裂着火，造成17人死亡。1970年, 日本大阪地下铁道的管线因腐蚀折断，造成瓦斯爆炸，乘客当场死亡75人。1985.8.12，日本的一架波音747飞机由于构件的应力腐蚀断裂而坠毁，造成500多人死亡的惨剧，直接经济损失1亿多美元。1979年, 中国某市液化石油气贮罐由于腐蚀爆炸起火，伤亡几十人。直接经济损失达630
万元。
腐蚀引起的环境污染相当严重的。由于腐蚀增加了工业废水、废渣的排放置和处理难度，增多了直接进入大气、土壤、江河及海洋中的有害物资，因此造成了自然环境的污染，破坏了生态平衡，危害了人民健康，妨碍了国民经济的可持续发展。
研究解决腐蚀问题促进科技进步。不锈钢的发明和应用，促进了硝酸和合成氨工业的发展。美国的阿波罗登月飞船贮存N2O4的高压容器曾发生应力腐蚀破裂，经分析研究，加入质量数量为0.6％的NO之后才得以解决。美国著名的腐蚀学家方坦纳(Fontana)认为，如果找不到这个解决办法．登月计划会推迟若干年。材料的腐蚀研究具有很大的现实意义和经济意义。材料的腐蚀控制。实践证明，若充分利用现有的防腐蚀技术，广泛开展防腐蚀教育，实施严格的科学管理，因腐蚀而造成的经济损失中有30％~40％是可以避免的；目前仍有一半以上的腐蚀损失还没有行之有效的防蚀方法来避免；需加强腐蚀基础理论与工程应用的研究，防腐蚀工作的潜在经济价值是不容忽视的。
金属与合金的高温氧化。金属相对于其周围的气态都是热不稳定的。根据气体成分和反应条件不同，将反应生成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物等，或者生成这些反应产物的混合物。在室温或较低温干燥的空气中，反应速度很低，这
种不稳定性对许多金属影响不大；随着温度的上升，反应速度急剧增加。在高温条件下，金属与环境介质中的气相或凝聚相物质发生化学反应而遭受破坏的过程称高温氧化，亦称高温腐蚀。金属高温主要涉及以下几个方面：化学工业中, 高温过程，氨水和石油化工；金属生产加工过程中，热处理中碳氮共渗、盐浴处理，增碳、氮化损伤和熔融盐腐蚀；含有燃烧的各个过程，柴油发动机、燃气轮机、焚烧炉等，高温氧化；核反应堆运行过程中，煤的气化和液化产生的高温硫化腐蚀。
航空航天领域，发动机叶片高温氧化和高温硫化腐蚀，宇宙飞船返回大气层过程中的高温氧化和高温硫化腐蚀。高温腐蚀的危害性：高温腐蚀使金属腐蚀生锈；造成大量金属的耗损；破坏了金属表面许多优良的使用性能；降低了金属横截面承受负荷的能力；使高温机械疲劳和热疲劳性能下降。
金属高温氧化的热力学基础：广义的金属氧化应包括硫化、卤化、氮化、碳化，液态金属腐蚀，混合气体氧化，水蒸气加速氧化，热腐蚀等高温氧化现象；狭义的金属高温氧化仅仅指金属(合金)与环境中的氧在高温条件下形成氧化物的过程。研究金属高温氧化时，首先应讨论在给定条件下，金属与氧相互作用能否自发地进行．或者能发生氧化反应的条件是什么，这些问题可通过热力学基本定律做出判断。
腐蚀控制的方法：
1)根据使用的环境，正确地选用金属材料或非金属材料；
2)对产品进行合理的结构设计和工艺设计，减少产品在加工、装配、贮存等环节中的腐蚀；
3)采用各种改善腐蚀环境的措施，如在封闭或循环的体系中使用援蚀刑，以及脱气、除氧和脱盐等；
4)采用电化学保护方法，包括阴极保护和阳极保护技术；
5) 施加保护涂层，包括金属涂层和非金属涂层
当然，腐蚀不光是有危害，有许多生产的工艺，是利用了腐蚀而进行的。