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1、金属腐蚀 金属结构材料的耐蚀性第1页，此课件共54页哦金属耐蚀合金化原理金属耐蚀合金化原理常用结构材料的耐蚀性常用结构材料的耐蚀性结构材料选择原则结构材料选择原则内容：内容：第2页，此课件共54页哦一、金属耐蚀合金化原理一、金属耐蚀合金化原理1.纯金属的耐蚀特性纯金属的耐蚀特性工况工况：工业上广泛应用的金属结构材料：工业上广泛应用的金属结构材料多是合金，需要提高耐蚀性多是合金，需要提高耐蚀性提高方法？提高方法？耐蚀能力的宏观表现？第3页，此课件共54页哦I.金属的热力学稳定性金属的热力学稳定性由标准电位值判断由标准电位值判断P18,表1-7 耐蚀能力的宏观表现耐蚀能力的宏观表现三性三性热力学稳
2、定性热力学稳定性E=0 V正正负负高高低低溶剂pH 7的中性溶液 0的酸性溶液 氢电极平衡电位 E(V)-0.4140.000氧电极平衡电位 E(V)0.8151.229AK第4页，此课件共54页哦 1.229第5页，此课件共54页哦E/V第6页，此课件共54页哦II 金属的钝性金属的钝性在适当条件下由于发生钝化而获得耐蚀性的在适当条件下由于发生钝化而获得耐蚀性的热力学不稳定金属（热力学不稳定金属（可钝化金属可钝化金属）：Fe,Al,Zr,Ti,Ta,Nb,Cr,Be,Mo,Mg,Ni,Co特征特征：多数在氧化性介质中易钝化，而在多数在氧化性介质中易钝化，而在Cl-,Br-,F-等离子作用下，
3、钝态易受到破坏等离子作用下，钝态易受到破坏应用应用：多作为合金元素加入钢中，使合金钝多作为合金元素加入钢中，使合金钝化而提高耐蚀性化而提高耐蚀性第7页，此课件共54页哦III 腐蚀产物的保护性腐蚀产物的保护性提高热力学不稳定金属的耐蚀性钝化在腐蚀过程初期或一定阶段生成致密的保护性能良好的腐蚀产物膜，化学转化膜机械钝态膜主要工业用耐蚀金属材料主要工业用耐蚀金属材料：Cu,Ni,Al,Mg,Ti,Zr,等应用比较广泛的合金应用比较广泛的合金：铁合金、铜合金、镍合金、钛合金、铝合金、镁合金等第8页，此课件共54页哦2.金属耐蚀合金化的途径金属耐蚀合金化的途径腐腐蚀蚀电电流流大大小小表表征征腐腐蚀蚀速
4、速度度腐蚀反应的推动力腐蚀反应的推动力系统的热力学稳定性系统的热力学稳定性腐蚀过程的阻力腐蚀过程的阻力提高耐蚀性提高耐蚀性降低腐蚀速度降低腐蚀电流降低腐蚀电流增大系统阻力增大系统阻力减小系统推动力减小系统推动力第9页，此课件共54页哦I.减小系统推动力减小系统推动力提高金属的热力学稳定性提高金属的热力学稳定性1)原理原理：将热力学稳定性高的合金元素加入到原来耐蚀性不好的纯金属或合金中形成特殊合金，利用合金元素固有的高热力学稳定性提高合金的电极电位，进而提高合金整体的耐蚀性2)实例实例：铜中加金，镍中加铜，铬钢中加镍3)局限性局限性：往往需添加大量的贵金属才有效，成本较高，应用受限 第10页，此
5、课件共54页哦II.增大系统阻力增大系统阻力阴极、阳极、电阻阴极、阳极、电阻2.减弱合金的阴极活性减弱合金的阴极活性适用于阴极控制的腐蚀过适用于阴极控制的腐蚀过程程措施：措施：1）减少金属或合金中的活性阴极相）减少金属或合金中的活性阴极相原理原理：金属或合金在酸溶液中腐蚀时，阴极析氢反应优先在：金属或合金在酸溶液中腐蚀时，阴极析氢反应优先在析氢超电压低的阴极性合金组成物或夹杂物上进行，析氢超电压低的阴极性合金组成物或夹杂物上进行，减少合减少合金中的阴极相，就减少了活性阴极数目或面积金中的阴极相，就减少了活性阴极数目或面积，增大阴极，增大阴极极化电流密度，增强阴极极化程度，提高合金的耐蚀性；极化
6、电流密度，增强阴极极化程度，提高合金的耐蚀性；采用热处理方法采用热处理方法：固溶处理等，消除作为活性阴极的第二：固溶处理等，消除作为活性阴极的第二相相第11页，此课件共54页哦2）加入析氢超电压高的合金元素）加入析氢超电压高的合金元素原理原理：加入析氢超电压高的合金元素 合金阴极析氢反应的阻力增大阻力增大 极大降低极大降低合金在酸中的腐蚀速度局限性局限性：只适用于基体金属不会钝化、由析氢超电压控制的析氢腐蚀 实例实例：碳钢或铸铁中加入析氢超电压高的砷、锑、铋、锡P83,图4-2第12页，此课件共54页哦3.减弱合金的阳极活性减弱合金的阳极活性适用范围最广、最有效适用范围最广、最有效的提高金属耐
7、蚀合金化途径的提高金属耐蚀合金化途径原理原理：减弱合金的阳极活性，阻滞阳极过程阻滞阳极过程的进行的进行，提高合金的耐蚀性措施措施：1）减小阳极相的面积）减小阳极相的面积使用条件使用条件：腐蚀过程中，合金基体为K，而第二相（如强化相）或合金中其它微小区域（如晶界）为A，减小阳极面积，增大阳极极化电流密度，增加阳极极化程度，降低增加阳极极化程度，降低腐蚀速度腐蚀速度实例实例：Al-Mg合金中强化相Al2Mg3对基体是阳极局限性局限性：实际合金中第二相是阳极的情况很少，绝大多大多数合金中的第二相都是阴极相数合金中的第二相都是阴极相，起阴极作用第13页，此课件共54页哦2）加入易钝化的合金元素）加入易
8、钝化的合金元素应用最广泛的一种耐蚀合金化途径应用最广泛的一种耐蚀合金化途径原理原理：在钝化能力不强的基体金属中加入更容易钝化的合金元素，提高合金的整体钝性，显著提高耐蚀性实例实例：铁中加入Cr制备或耐酸钢等工业上大量使用的可钝化基体元素工业上大量使用的可钝化基体元素：Fe,Al,Mg,Ni等第14页，此课件共54页哦3）加入阴极合金元素促进阳极钝化）加入阴极合金元素促进阳极钝化很有发展前途的一种耐蚀合金化措施很有发展前途的一种耐蚀合金化措施原理原理：有可能钝化的腐蚀体系（合金与腐蚀环境），往金属或合金中加入强阴极性元素往金属或合金中加入强阴极性元素，会加剧电化学腐蚀的阴极过程，增加阴、阳极电流
9、，当腐蚀电流密度超过钝化电流密度时，阳极出现腐蚀电流密度超过钝化电流密度时，阳极出现钝态钝态，腐蚀电流急剧下降第15页，此课件共54页哦III.使合金表面生成电阻大的腐蚀产物膜使合金表面生成电阻大的腐蚀产物膜原理原理：加入某些元素促使合金表面生成致密腐蚀产物膜，增大体系电阻，有效阻滞腐蚀过程进行实例实例：耐大气腐蚀钢的耐蚀锈层结构中多含致密结构的非晶态羟基氧化铁，钢中加入Cu,P或P,Cr能促进该保护膜的生成第16页，此课件共54页哦实际耐蚀合金通盘考虑，相互配合各类合金实际耐蚀合金通盘考虑，相互配合各类合金元素的效果，提高综合性能元素的效果，提高综合性能P109 表表4-2第17页，此课件共
10、54页哦3.单相合金的单相合金的 n/8定律定律稳定性阶升定律稳定性阶升定律合金含量合金含量耐耐蚀蚀性性1/82/83/8当耐蚀组元的含量相当于n/8 (n=1,2,7)时，合金的耐蚀性出现突然的阶梯式升耐蚀性出现突然的阶梯式升高高，合金的电位相应随之升高n稳定性台阶或稳定性边界适用领域适用领域：适用于适用于二元及其以上二元及其以上多元系统的固溶体合金多元系统的固溶体合金第18页，此课件共54页哦注意注意：1）n/8定律适用于二元及其以上多元系统的固溶体合金；定律适用于二元及其以上多元系统的固溶体合金；2）并非任何固溶体合金在各种介质中对应）并非任何固溶体合金在各种介质中对应n=1,2,7 时
11、均会出现耐蚀时均会出现耐蚀稳定性的依次突升；稳定性的依次突升；3）同一合金在不同介质中的稳定性台阶值不同；）同一合金在不同介质中的稳定性台阶值不同；3）n/8定律是经验规律，定律是经验规律，确切原因需要你们将来完成确切原因需要你们将来完成；实实例例：第19页，此课件共54页哦4.主要合金元素对耐蚀性的影响主要合金元素对耐蚀性的影响元素元素特点与作用特点与作用应用应用Cr热力学不稳定热力学不稳定，在不含卤素离子的氧化性介质中易钝化，由其组成的Fe,Ni,Ti合金也易钝化，有过钝化倾向，在具备钝化条具备钝化条件下（适当氧化性），耐蚀性随件下（适当氧化性），耐蚀性随Cr含量的升高而增大含量的升高而增
12、大，但是在在不能实现钝化条件（还原性或氧化性不足或过高）下，耐蚀性不能实现钝化条件（还原性或氧化性不足或过高）下，耐蚀性随随Cr含量的升高而变差含量的升高而变差，适用于氧化性适当的介质适用于氧化性适当的介质P85图图4-5Ni1)热力学不够稳定热力学不够稳定，但比Cr,Fe稳定，能钝化，钝化倾向：Fe Ni Cr。随Ni含量增大，在H2SO4,HCl,HNO3中的Fe-Ni合金（实际少用）的耐蚀性增强，热力学稳定性提高，不是钝化作用提高耐蚀性，适用于氧化性和还原性介质适用于氧化性和还原性介质；2)实际上，Ni常与Cr配合使用，将铬的优良钝化性与镍对还原性介质的一定耐蚀性耦合，提高不锈钢的耐蚀性
13、；3)Ni使不锈钢形成奥氏体组织，进而具有优良的热加工性、冷变形能力、可焊性和良好的低温韧性；但是但是，Ni不全有利，在其它条件相同条件下，奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向随钢中Ni含量的增加而增大；P85图图4-6，P86图图4-7第20页，此课件共54页哦元素元素特点与作用特点与作用应用应用Mo依靠钝化钝化，Mo使合金耐还原性介质的腐蚀和抗使合金耐还原性介质的腐蚀和抗Cl-等引起的孔蚀等引起的孔蚀，是铬、铬镍、钛、镍等不锈钢合金中重要的耐蚀元素，促使合金的钝化，适量的Mo含量有助于提高钢的耐应力腐蚀破裂性能；图图4-8Mo的反应产物随溶液pH值而定，pH值 3.5,MoO42-or HMoO42
14、-,控制适当的条件可以提高耐蚀性随钢中Mo含量的增加，钝化膜厚度增加，延长蚀孔形成的孕育期，提高耐蚀性P86,图4-8Si和Mo一样耐Cl-腐蚀，应用在不锈钢、低合金钢、铸铁、镍基合金中，具有耐耐氯化物腐蚀破裂、孔蚀、浓热硝酸、氧化、海水腐蚀等作用，性能稳定，不耐含不耐含F物质的腐蚀物质的腐蚀；随着含量增加，Si通过加硅形成的富硅保护层富硅保护层改善不锈钢耐应力腐蚀破裂性能；图图4-9Si通过提高钢的钝态稳定性提高钢的钝态稳定性来改善不锈钢耐孔蚀性能耐孔蚀性能；含硅不锈钢在强氧化性介质中的高耐蚀性是由于形成富集Si,Cr,O的表面膜，提高低合金钢中的Si含量至0.7-2%有利于提高耐海水腐蚀性
15、能，Si与Cr,Mo,Cu等相配合可以得到各种耐海水钢P86,图4-9第21页，此课件共54页哦元素元素特点与作用特点与作用应用应用Cu在低合金钢大气腐蚀过程中起活性阴极的作用活性阴极的作用，一定条件下可促使阳极钝化，提高耐蚀性；热力学稳定性高，耐大气腐蚀，耐大气腐蚀，是低合金钢、不锈钢、镍基合金、铸铁中常用的一种耐蚀性金属；适量的Cu能有效降低腐蚀速度，过多时效果不明显；图图410Cu形成的钝化膜易被活性Cl-破坏，只能在较纯净的空气中有较好的耐蚀性；Cu能提高钢对H2SO4的耐蚀性，与Mo配合可以提高钢对中等浓度热H2SO4的耐蚀性；Cu加入钢中能阻滞阳极过程，减小钝化临界电流密度iCP，
16、能不同程度减弱钢在海水中的缝隙腐蚀，P87图410第22页，此课件共54页哦第二节、常用第二节、常用结构材料结构材料的耐蚀性的耐蚀性3种种情情况况依靠钝化而耐蚀依靠钝化而耐蚀表面生成了不溶性的腐蚀产物膜而耐蚀表面生成了不溶性的腐蚀产物膜而耐蚀材料本身的热力学稳定性而耐蚀材料本身的热力学稳定性而耐蚀第23页，此课件共54页哦1.依靠钝化而耐蚀的金属材料依靠钝化而耐蚀的金属材料范围范围：不锈钢、铝及铝合金、钛及铁合金、硅铸铁等特点特点：耐蚀性是钝化后的特性，在能够钝化的环境中耐蚀，而在不具备钝化条件或会引起钝化膜破坏的环境中不稳定，不耐蚀实例：18-8不锈钢、铝及铝合金、钛及钛合金、高硅铸铁第24
17、页，此课件共54页哦定义定义：含Cr18%,Ni89%的一系列奥氏体不锈钢（包含大气中耐蚀的不锈钢和在各种化学试剂与强腐蚀性介质中耐蚀的不锈耐酸钢）含Cr和Ni的不锈钢具有优良的耐蚀性和良好的热塑性、冷变形能力和可焊性等优点，应用最广，约占不锈钢总产量的70%常见腐蚀破坏形态：晶间腐蚀、孔蚀、SCC等常用的18-8不锈钢的牌号，P88，表4-3I.18-8不锈钢不锈钢第25页，此课件共54页哦 18-8不锈钢特点特点：Cr使合金获得钝性的主要钝化元素，Ni是可钝化元素，二者总量相当于n/8定律中n2的值；耐蚀特点主要体现在氧化性介质氧化性介质中，在空气、水、中性溶液、各种氧化性介质中稳定；对熔
18、融碱外的碱性溶液有很好的耐蚀性实际中常见晶间腐蚀、孔蚀和应力腐蚀破裂晶间腐蚀、孔蚀和应力腐蚀破裂等局部腐蚀形态第26页，此课件共54页哦在酸性溶液中的耐蚀性视酸的氧化性、非氧化性及氧化性强弱而异：在室温下各种浓度的硝酸或浓硫酸中都耐蚀，但是，沸腾的浓硝酸（65%）会引起过钝化而剧烈腐蚀，中等浓度以下的硫酸在温度较高时腐蚀严重；在室温下、78）或Nb可以提高耐硫化物溶液中的SCC 能力；加入Ti、Nb、V等合金化元素的奥氏体不锈钢有良好的耐高温水腐蚀破裂能力，如0Cr18Ni11Nb、0Cr18Ni10Ti、0Cr22Ni13Mn5Mo2NbVN等；提高Ni含量可以减小脆性破裂敏感性，如Cr18
19、Ni12Mo2Ti、1Cr21Ni33AlTi等；提高不锈钢抗应力腐蚀破裂能力的措施提高不锈钢抗应力腐蚀破裂能力的措施合金化，合金化，所加元素种类及含量随介质环境而异所加元素种类及含量随介质环境而异第30页，此课件共54页哦合金钢表示方法合金钢表示方法 优质碳素结构钢与合金结构钢：优质碳素结构钢与合金结构钢：表示方法：“两位数字元素数字”钢号的前两位数字表示平均含碳量的万分之几，沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出。合金元素以化学元素符号表示，合金元素后面的数字则表示该元素的含量，一般以百分之几表示。凡合金元素的平均含量小于1.5%时，钢号中一般只标明元素符号而不标
20、明其含量。如果平均含量1.5%、2.5%、3.5%、时,则相应地在元素符号后面标以2、3、4。如为高级优质钢，则在其钢号后加“高”或“A”。钢中的V、Ti、Al、B、RE等合金元素，虽然它们的含量很低，但在钢中能起相当重要的作用，故仍应在钢号中标出。如：45钢表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢；20CrMnTi表示平均含碳量为0.20%，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量Ti的合金结构钢；60Si2Mn表示平均含碳量为0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量为1.52.5%的合金结构钢。第31页，此课件共54页哦 合金工具钢与特殊性能钢表示方法：“一位数
21、字（或没有数字）元素数字”钢号的前一位数字表示平均含碳量的千分之几，合金元素以化学元素符号表示，合金元素后面的数字则表示该元素的含量，一般以百分之几表示。其编号方法与合金结构钢大体相同，区别在于含碳量的表示方法，当碳含量1.0%时，则不予标出。如平均含碳量90%的硝酸中）；在pH9.5、浓度不超过30%的碱溶液中由于生成溶解度小、能紧密覆盖于钢铁表面的腐蚀产物Fe(OH)2和Fe(OH)3而耐蚀，但是，当碱浓度更高时，会由于腐蚀产物的溶解而引起强烈腐蚀；在水中的二次腐蚀产物Fe(OH)2和Fe(OH)3由于疏松覆盖而导致保护性极弱，在溶氧的水中腐蚀加剧；在非氧化性介质中耐蚀性很差，也不耐大气、
22、土壤、海水等的腐蚀；第44页，此课件共54页哦铅与铅合金电位（-0.13V）低于氢，在酸中会发生析氢反应，在某些酸中能生成稳定的腐蚀产物，不具备钝化能力，耐蚀性主要体现在它的腐蚀产物在相应介质中的溶解度；由于腐蚀产物PbSO4溶解度极小而耐硫酸腐蚀，特别耐稀硫酸腐蚀，但是当温度和浓度过高会生成可溶性的Pb(HSO4)2而不耐蚀，在40%铬酸、90%磷酸、碳酸、不充气50%氢氟酸、中性溶液、水、大气、土壤等介质中耐蚀在碱、硝酸、醋酸及其他一些有机酸中不耐蚀多用作设备衬里，有毒，不用于食品及医药生产第45页，此课件共54页哦3.依靠自身热力学稳定而耐蚀的金属依靠自身热力学稳定而耐蚀的金属贵金属Au
23、、Pt、Ag等电位很正，热力学稳定性高，价高少用铜及铜合金半贵金属Cu电位（+0.35V）比氢高，一般条件下不会钝化，主要依靠自身的热力学稳定性耐蚀，铜及其合金在不充气的非氧化性酸中耐蚀；在大气（除含S大气）、水、海水或中性盐溶液中由于表面生成溶解度极小的腐蚀产物而耐蚀，但是若水中含氧化性盐类（如Fe3+、铬酸盐）会加速腐蚀；一般情况下很难钝化，氧和氧化剂对铜只起阴极去极化作用，在氧化性介质中会发生耗氧腐蚀；在氨溶液中会由于生成铜络合物而发生腐蚀；不耐硫化物腐蚀，海水中含H2S时会发生孔蚀；低温下强度和塑性好，广泛用于深度冷冻工业；第46页，此课件共54页哦第三节第三节 结构材料选择原则结构材
24、料选择原则结构材料具体工况下材料的要求材料的特性经济性技术可行性第47页，此课件共54页哦工艺条件对设备材料的要求工艺条件对设备材料的要求介质特性、温度、压力工艺条件设备功能与结构运转及开停车条件第48页，此课件共54页哦材料的基本特性材料的基本特性了解材料共性，分析特殊性能判断在不同介质中的耐蚀规律：常见金属及合金耐蚀规律：材料本身热力学稳定性、钝化耐蚀、腐蚀产物稳定耐蚀针对具体工艺条件和材料性能选材，综合评比，选出合适材料第49页，此课件共54页哦材料选择的基本要点材料选择的基本要点耐蚀性耐蚀性耐蚀标准、具体耐蚀特性、选材、材料相容性力学物理性能力学物理性能强度、硬度、塑性、韧性、疲劳等加工成型工艺性能加工成型工艺性能铸、锻、压、机加工、焊接、热处理等材料价格与来源材料价格与来源组合材料费与设备加工制造、使用、维修、拆换、寿命等，进行总费用的经济分析、权衡第50页，此课件共54页哦第51页，此课件共54页哦化工设备一般不选用腐蚀率超过化工设备一般不选用腐蚀率超过1 mm/a的的材料材料第52页，此课件共54页哦第53页，此课件共54页哦谢谢 谢！谢！第54页，此课件共54页哦