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腐蚀原理及相关理论

点击次数:643 发布时间:2019-05-22

腐蚀是指因工程材料与其周围的物质发生化学反应而导致解体的现象。通常这个术语用来表示金属物质与氧化物如氧气等物质发生电化学的氧化反应。例如,使用金属铁制成的产品会由于铁原子在固体溶剂中发生氧化而导致生锈,这就是电化学腐蚀的一个众所周知的例子。这种反应通常会产生对应金属的氧化物,也可能产生盐。换句话说,腐蚀指的是金属物质因化学反应而导致的损耗。

腐蚀是指(包括金属和非金属)在周围介质(水、空气、酸、碱、盐、溶剂等)作用下产生损耗与破坏的过程。

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作条件下,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,生锈是专指钢铁和铁基合金而言的,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。

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、技术及相应的工程措施已成为防腐蚀工程技术。

纯净水中虽有H和OH,但浓度很低,因此很不容易导电。若水中添加点酸、碱或盐,会大大增强水的导电性(电解液)。根据腐蚀电池理论,腐蚀过程的本质是一个电化学过程,因为腐蚀对应的化学反应涉及到电荷的交换。图7-14显示的是铁和偏酸性的水接触时的电荷转移过程。

铁腐蚀后形成Fe++铁腐蚀后形成Fe++

铁离子被氧化进入水中后,金属中带上了负电荷,电解液中带上了正电荷,于是金属和水之间产生了一个电压,称为氧化电压或氧化电动势。这就好比在很小的局部形成了一个微小的化学电池。不同的金属在水中形成的氧化电动势是不一样的。有些金属,例如镁和锌,形成的电动势比铁要高。有些金属,例如铜、镍、铅形成的电动势比铁要小。表 列出了25℃下一些水中的电极反应电动势。这些电动势还会随着温度、pH值、离子浓度的变化而变化。氧化电动势对于理解大部分腐蚀过程十分重要。

25℃下一些常用元素在水中的电动势

元素

电极反应

电动势/V

Na→Na+e

-2.712

Mg→Mg+2e

-2.34

Be→Be+2e

-1.70

Al→Al+3e

-1.67

Mn→Mn+2e

-1.05

Zn→Zn+2e

-0.762

Cr→Cr+3e

-0.71

Fe→Fe+3e

-0.44

Cd→Cd+2e

-0.402

Co→Co+2e

-0.277

Ni→Ni+2e

-2.250

Sn→Sn+2e

-0.136

Pb→Pb+2e

-0.126

Cu→Cu+2e

+0.345

Cu→Cu+e

+0.522

Ag→Ag+e

+0.800

Pt→Pt+2e

+1.2

Au→Au+3e

+1.42

这样,金属的表面就会有大量的微电池,如图7-15所示。当这些微电池被外部的电解液或导电体连通时,腐蚀就会发生。正是微电池提供的这点微小的电流使得腐蚀的化学反应得以进行。例如,考虑图7-14所示的铁片泡在水里面的情形,若假设铁片表面的微电池是均匀的,溶液也是均匀的,则随着铁离子进入溶液,溶液会带正电荷,铁片会带负电荷,从而形成一个从溶液指向铁片的电动势。该电动势会阻止铁离子继续进入溶液。但是实际情况是,铁片表面是不均匀的,溶液内也有杂质,因此情况会变得更加复杂。铁片和溶液之间并无法形成可以阻止铁离子进入溶液的逆电动势。在这种情况下,某些局部点会被腐蚀得比较厉害,形成腐蚀坑。

图7-15 金属表面的微电池图7-15 金属表面的微电池

金属的化学腐蚀反应可以分成两步过程。步是氧化步,第二步是去电子步。氧化步是会释放出自由电子,而去电子步是消除自由电子的过程。

阳离子可以进入溶液,也可以和其他阴离子结合成化合物。氧化步必须同时和去电子步配合才能够完成整个反应。

因此只有通过去电子步把氧化步产生的自由电子去掉,金属原子才会被不断地腐蚀下来。实际的腐蚀过程是一个十分缓慢的、表面相对均匀的丢失金属原子的过程。在某些条件下,若有一个区域形成一个阳极或者阴极区,则可能发生不均匀腐蚀,在局部形成一个肉眼可见的腐蚀坑。

铁和钢在水中由于表面会形成氧化保护层,因此不会迅速被腐蚀掉。由于铁被氧化后极容易形成三氧化二铁,它不溶于水,容易在金属表面沉积,从而阻碍进一步的腐蚀。这种现象称为腐蚀钝化现象。锆、铬、铝、不锈钢等金属在常温的水或空气中会形成很薄的一层保护层,有时候甚至薄得肉眼无法辨别。正是由于这层薄薄的保护层,使得这些金属在水或空气中具有很好的耐腐蚀性。

除了钝化现象以外,还有一种阻止腐蚀的方式称为极化现象。随着“氧化-去电子”反应的进行,腐蚀原电池的电动势逐渐下降直到为零,使得“氧化-去电子”反应无法继续,这种现象称为极化。

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