金屬腐蝕
corrosion of metals
　　金屬材料與周圍環(huán)境發(fā)生化學、電化學和物理等作用而引起的變質和破壞。金屬的銹蝕是*常見的腐蝕形態(tài)。腐蝕時，在金屬的界面上發(fā)生了化學或電化學多相反應，使金屬轉入氧化（離子）狀態(tài)。這會顯著降低金屬材料的強度、塑性、韌性等力學性能，破壞金屬構件的幾何形狀，增加轉動件間的磨損，惡化電學和光學等物理性能，縮短設備的使用壽命，甚至造成火災、爆炸等災難性事故。美國1975年由于金屬腐蝕造成的經(jīng)濟損失為700億美元，占當年國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的4.2％。據(jù)工業(yè)發(fā)達國家的統(tǒng)計，每年由于金屬腐蝕造成的鋼鐵損失約占當年鋼產(chǎn)量的10～20％。至于金屬腐蝕事故引起的停產(chǎn)、停電等間接損失就更無法計算。
　　金屬腐蝕研究的發(fā)展早在公元前3世紀,中國已采用金汞齊鎏金術在金屬表面鍍金以增加美觀并可防腐蝕。在秦始皇陵墓中發(fā)掘出來的箭鏃有的迄今仍毫無銹蝕，在這些箭鏃表面上有一層致密的黑色氧化層，其中含鉻2％左右,而青銅基體本身并不含鉻。這一現(xiàn)象尚待研究（見彩圖）。1830～1840年間英國法拉第(Μ.Faraday)確立了陽極溶解的金屬量與所通過電量的關系，提出了關于鐵的鈍化膜生長和金屬溶解過程的電化學本質的假設。后來又有人在鋅溶解于硫酸的研究中，明確地提出了微電池理論。這些研究對電化學腐蝕理論的發(fā)展都極為重要。


 

　　20世紀以來,石油工業(yè)、化學工業(yè)等的蓬勃發(fā)展,促進了不銹耐酸鋼、鎳基耐蝕合金的研究和應用。英國埃文斯(U.R.Evans)及他的同事揭示了金屬腐蝕的電化學基本規(guī)律,奠定了金屬腐蝕的理論基礎。50年代以來,隨著金屬學、金屬物理、物理化學、電化學、力學等基礎學科的發(fā)展，在核能、航空、航天、能源、石油化工等工業(yè)技術迅猛發(fā)展的推動下，金屬腐蝕學逐漸發(fā)展成為一門獨立的綜合性邊緣學科。
　　金屬腐蝕學科的研究內(nèi)容包括兩個方面：①金屬腐蝕過程的基本規(guī)律和機理的研究；②防腐蝕技術的探索和實施，以及金屬腐蝕試驗方法和檢測。
　　耐蝕性金屬材料在腐蝕性環(huán)境中抗腐蝕的能力叫做耐蝕性。它們在一些條件下,即在一定和介質組分、濃度、溫度、流速等條件下，可能是耐蝕的；而在另外一些條件下，則可能是不耐蝕的。例如，鋁在動水和空氣中是耐蝕的；而在堿性溶液，許多酸性溶液及海水中是不耐蝕的。金在許多強腐蝕性環(huán)境中（例如在高溫下的鹽酸、硫酸、硝酸溶液中）是非常耐蝕的；而在鹽酸和硝酸的混合溶液中是不耐蝕的。一些黃銅在靜海水中是耐蝕的；而在流速快的海水中則不夠耐蝕。
　　通常用腐蝕速度來評價金屬在某一定環(huán)境和條件下的耐蝕性。腐蝕速度常用在單位時間（小時）內(nèi)從單位表面積金屬上轉變?yōu)楦g產(chǎn)物所引起的金屬重量的變化（增加或減少）來表示；也可用單位時間內(nèi)金屬腐蝕深度來表示。為便于比較提出了6類10級評定金屬材料耐蝕性級別的標準(表1)。在表2中根據(jù)10級標準列出了一些常用金屬材料在化工儀表、機械制造、造船工業(yè)、工業(yè)及民用建筑中的耐蝕性。應當指出，這種評定金屬材料耐蝕性的方法只適用于均勻腐蝕，對局部腐蝕是不適用的。


 

　　分類金屬腐蝕可按產(chǎn)生的機理分為化學腐蝕和電化學腐蝕；也可按產(chǎn)生腐蝕的環(huán)境分為大氣（鄉(xiāng)村大氣、工業(yè)大氣、海洋大氣等）腐蝕、海水腐蝕、淡水腐蝕、土壤腐蝕、生物和微生物腐蝕、工業(yè)介質（如酸、堿、鹽、工業(yè)水、熔鹽、燃氣等）的腐蝕；還可按腐蝕的破壞形態(tài)分為**腐蝕和局部腐蝕，前者包括均勻的**腐蝕和不均勻的**腐蝕，后者常見的類型有電偶腐蝕（異金屬接觸腐蝕）、點腐蝕和縫隙腐蝕、晶間腐蝕應力腐蝕(見應力腐蝕斷裂和氫脆)、腐蝕疲勞(見疲勞)、沖蝕???磨蝕、選擇性腐蝕、雜散電流腐蝕、空泡腐蝕等。這些分類方法，雖然不夠完備，但能相輔相成，對研究腐蝕機理及其防護措施有一定的作用。
　　化學腐蝕金屬在不導電的液體（非電解質）如汽油、苯、潤滑油等或干燥的氣體中的腐蝕稱為化學腐蝕。這種腐蝕遵循多相反應的化學熱力學和化學動力學基本規(guī)律，金屬的高溫氧化即屬此類。在化學腐蝕的過程中，由于界面反應在金屬表面上形成氧化膜，它把環(huán)境和金屬隔開,氧化的速度就受反應物通過膜的擴散所控制,擴散速率主要取決于膜的結構(見金屬的氧化和熱腐蝕)。
　　電化學腐蝕金屬與電解質溶液作用所發(fā)生的腐蝕叫做電化學腐蝕，它是由于金屬表面產(chǎn)生原電池作用而引起的。如果我們把銅和鋅兩塊金屬直接接觸在一起并浸入電解質溶液中(如硫酸中)，將發(fā)生類同原電池的變化(圖1)。此時，鋅和銅可視為電池的兩極，鋅為陽極，所失的電子流到與鋅相連接的銅（陰極）并在其表面上為溶液中的H+離子所接受,于是鋅不斷地變成Zn2+離子轉入溶液中去而遭受腐蝕。這種原電池叫做腐蝕原電池或腐蝕電池。


 

　　同一塊金屬，不與其他金屬相接觸，單獨置于電解質溶液中也會產(chǎn)生腐蝕電池。例如，工業(yè)鋅中含有少量雜質（如雜質Fe以FeZn7的形式存在）,雜質的電位較鋅的電位高。此時，鋅為陽極，雜質為陰極，于是形成腐蝕電池（圖2）。結果鋅遭受腐蝕，氫則成為氣泡在雜質（陰極）表面上逸出。金屬在電解質溶液中于其表面上形成的這種微小的原電池稱為腐蝕微電池。引起這類微電池的原因是化學成分、金屬組織結構、金屬表面膜和金屬物理狀態(tài)的不均勻性等。


 

　　即使同一塊金屬置于同一電解質溶液中，由于溶液濃度、溫度、流速不同也能產(chǎn)生腐蝕電池。電位E可由能斯脫（Nernst）公式求出
 

式中C為溶液中的該金屬離子的濃度，E°為標準電極電勢,R為氣體常數(shù),F為法拉第常數(shù),n為電子遷移數(shù)?？梢钥闯?，金屬的電位與溶液中金屬離子濃度有關，如果電解質溶液是含有金屬本身離子的溶液，那么溶液愈稀，金屬的電位愈低；溶液愈濃，電位也愈高，從而構成腐蝕電池。
　　氧濃差電池是金屬腐蝕中*有意義的腐蝕電池，它是由金屬與含氧量不同的溶液相接觸而形成的。溶液中氧的濃度愈大，氧電極電位愈高。因此，如果溶液中的各部分的含氧量不同，在氧濃度較小的地方，金屬的電位較低,成為腐蝕原電池中的陽極,此處金屬常遭受腐蝕。
　　綜上所述，電化學腐蝕是由于腐蝕電池引起的；而腐蝕電池的驅動力是存在于陰、陽極間的電位差；腐蝕過程的繼續(xù)進行，是因為有適當?shù)娜O化劑。電化學腐蝕過程包括三個環(huán)節(jié)：①陽極過程，在陽極上金屬溶解，變成金屬離子進入溶液Μe─→Μe+＋e；②電子由陽極流到陰極；③陰極過程，去極化劑在陰極上接受從陽極流過來的電子發(fā)生陰極反應,如2H+＋2e─→H2。這三個環(huán)節(jié)是相互聯(lián)系著的，三者缺一不可?？刂粕鲜鋈魏我粋€環(huán)節(jié)都可以控制或阻止腐蝕。