金属及非金属材料耐腐蚀性能分析.docVIP

——————————————————————————————————————————————— 金属及非金属材料耐腐蚀性能分析 第一部分 金属材料及其耐腐蚀性 第二部分 非金属材料及其耐腐蚀性 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+RTlnαMn+／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 1 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 2 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