腐蚀(Corrosion)是一种材料与周围的物质发生化学或电化学反应而导致解体的现象。无论是在我们的日常生活中,还是在工业生产中,金属“生锈”随处可见,从小到螺丝、螺母的腐蚀,大到汽车、飞机、桥梁等的腐蚀。腐蚀不仅仅会造成经济损失,甚至会导致安全事故,防腐的重要性不容小觑。
在日常生活中,金属表面往往不是以纯金属的形式存在,而是如下图所示:
金属边界层图示
在基材的边界层,首先会生成反应层(1~10 nm)。由于大气中含有氧气,反应层通常以氧化物的形式存在,因此也称为一次氧化膜(POF)。这层膜通常较薄,可以初步防止进一步的腐蚀。例如,一次氧化膜(POF)可以对不锈钢和铝表面提供有效的防护。
在反应层上,物质堆积在吸附层(0.1~10 nm)中。通常第一种是水,由于大多数金属氧化物的两性特征,它与一次氧化膜(POF)发生酸碱反应,在表面上形成了游离氢氧化物基团,其他活性物质(例如氨或有机胺)也可嵌入其中。该层是化学吸附层,结合力强且难以再次溶解。化学吸附层紧跟着物理吸附层,物理吸附层的分子结合力较差,容易被取代。
紧邻吸附层会形成污染层,是最厚的层,通常厚度超过1 μm。
一次氧化膜(POF)是抗腐蚀最重要的一层,该层膜越厚、附着力越强,越耐腐蚀。也就是说,应在一次氧化膜(POF)形成和稳定的过程中开始腐蚀防护。根据金属材料的不同,需要使用助剂(如表面活性剂、氧化还原剂)。腐蚀通常从一次氧化膜(POF)的分解开始,这在非合金钢材料中极易发生,但在不锈钢中,由于含有合金成分(尤其是铬),一次氧化膜(POF)稳定性较好。
作为一种氧化还原反应,腐蚀大体上可以分为化学腐蚀与电化学腐蚀。
化学腐蚀:
金属和空气(如氧气)或有机溶剂的直接反应,氧化和还原在同一位置发生。腐蚀速率取决于刻蚀介质的浓度、金属表面以及反应产物的特质。
电化学腐蚀:
金属和电解液(通常是水溶液)组成两个电极,形成了原电池,电流开始流动,在较低电位处的金属会溶解。空气中的水、灰尘、烟尘、化学物质如硫化物与氯化物,或者水溶液中的化学物质,pH值和水的硬度等都会影响电化学腐蚀。
生活中常见的腐蚀有多种不同的表现形式,我们一起来看看以下七种重要的腐蚀类型。
1. 侵蚀腐蚀(均匀表面侵蚀、均匀腐蚀)
图例:生锈的汽车刹车盘
(注:图片来自于网络)
金属受到的侵蚀几乎与表面平行。它是最常见的腐蚀形式,通常是由水或污浊空气引起。
2. 缝隙腐蚀
图例: 同是不锈钢材质的螺丝与底板连接处的腐蚀
(注:图片来自于网络)
金属或结构件之间的缝隙会导致严重腐蚀,因为电解液通过毛细作用被保留,并可能产生较大的浓度差。通过设计的优化措施可以有效地防止这种情况。
3. 接触腐蚀
图例: 管道连接处螺栓的腐蚀
两种不同的金属相互接触而同时处于电解质中所产生的电化学腐蚀,其中一种金属的腐蚀速度明显加快。可通过选择适当的材料或中断材料之间的导电来防止。
4. 点蚀
图例: 座椅凳腿的点状腐蚀
点蚀会导致点状、坑状或针尖状的坑。它通常由保护层的点状损伤引起,例如涂层中的孔隙或钝化层上的氯化物侵蚀。
5. 晶间腐蚀
图例:显微镜下晶间腐蚀照片
(注:图片来自网络)
主要是铁素体Cr和CrNi奥氏体钢中的晶界受到侵蚀,这种腐蚀会使晶粒间的结合力大大削弱。严重的晶间腐蚀可使金属失去强度和延展性,在正常载荷下碎裂,适当的热处理是防止晶间腐蚀的前提。
6. 露点腐蚀
图例:钢管露点腐蚀穿孔
(注:图片来自于网络)
露点腐蚀是指饱和蒸汽因冷却而凝结成液体对材料造成的腐蚀,低合金钢、非合金钢以及CrNi不锈钢易被强烈侵蚀,必须由合适的防护层进行保护。
7. 应力腐蚀开裂
图例:不锈钢管的应力腐蚀开裂
(注:图片来自于网络)
在腐蚀介质中,同时在机械应力下材料会形成裂纹,特别是在含氯和强碱溶液中,会导致CrNi奥氏体钢内出现应力腐蚀开裂。
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