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金属材料的腐蚀与防护分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-05-13  浏览次数:195
核心提示:01金属腐蚀机理就腐蚀而言它是指材料遭受环境的作用使自身性能丧失或遭到破坏。这种定义不仅适用于金属材料,也可适用于塑料、陶
 
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金属腐蚀机理

就腐蚀而言它是指材料遭受环境的作用使自身性能丧失或遭到破坏。这种定义不仅适用于金属材料,也可适用于塑料、陶瓷、混凝土和木材等无机材料。上述定义并不够明确,因此我们对于金属材料有更为明确的定义,考虑到金属腐蚀的机理,将其定义为 :金属与介质发生化学或电化学作用导致金属基体受到损坏或变质。

 

金属腐蚀的本质为金属的稳定性遭到破坏。金属腐蚀反应大多为电化学或化学作用,导致金属转变为离子状态,金属价态升高,从最初的零价转为正的离子态。例如Fe的腐蚀,从Fe转化为FeO,此时Fe为+2价。价态升高金属被氧化造成了腐蚀,从这里不难看出腐蚀的实质也可以理解为金属被氧化,从而导致环境与金属构成的热力学系统不稳定。

对于腐蚀机理我们对于物理作用这里不加以讨论,不仅仅是因为我们定义给出的是发生化学或电化学反应。更是因为在日常生活生产中单纯的因为物理因素发生的腐蚀属于极少数案列,并且机械加压所造成的腐蚀现象不属于金属腐蚀的案列,故不做讨论。

 

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02

金属腐蚀的分类

由于金属腐蚀的复杂机理,不仅与金属本身的性质有关,也与金属所处环境以及发生的化学或电化学反应有关,以下内容将根据金属腐蚀原因及现象进行分类。

 

2.1 按金属腐蚀的机理分类

 

化学腐蚀 :指金属与环境中的某种介质进行了化学反应从而引起自身的变质或破坏,其主要特点为反应不产生电流。电化学腐蚀 :指金属与环境介质组成电极,组成了腐蚀原电池,从而导致金属表面被破坏,其反应为氧化还原反应,与化学腐蚀相比较其反应过程中产生了电流。物理腐蚀 :指金属受到单纯的物理溶解作用并不发生任何化学反应而遭受的破坏。许多金属在高温熔盐,熔碱及液态金属可发生这种腐蚀。

 

2.2 按金属腐蚀的破坏形式分类

 

全面腐蚀 :指均匀腐蚀或不均匀腐蚀,金属表面被全部破坏。这种腐蚀现象比较明显,金属发生的氧化还原反应区域较小,腐蚀情况较轻,因此对于金属设备等产生的危害较小 。局部腐蚀 :局部腐蚀是相对于全面腐蚀来说的。局部腐蚀只集中在金属器具的某一部分,它很难被人们所察觉注意到。并且发生局部腐蚀时,金属阴阳两极区域分开,阴极区域比阳极区域大,基于此局部腐蚀的强度较大。全面腐蚀虽然可以造成大面积的损伤,但局部腐蚀难以预测和预防,往往在没有先兆的情况下发生破坏,给我们造成巨大的经济损失,更严重的可能威胁人的生命安全。

 

 

局部腐蚀的主要类型分为以下几个方面 :第一方面是点蚀现象,当金属在某种环境介质中经过一段时间后,金属表面大部分不发生腐蚀或腐蚀很轻微,只在个别表面或部位出现腐蚀小孔或麻点。第二方面是晶间腐蚀,金属的微观结构存在这晶界,晶间腐蚀是金属的晶界受到破坏的现象。

通常由表面向内部延伸,使原子间结合力降低或丧失,使金属遭到毁灭性的破坏。这种腐蚀现象只能够显微镜才能够观察的到,不易发觉,危害性极大。其通常表现为敲击金属表面不发生清脆的响声。第三方面是缝隙腐蚀,金属制品的链接出通常会存在间隙,这就是缝隙腐蚀发生的地方,这种腐蚀会导致缝隙内介质处于滞留状态,引起缝隙内或附近金属的加速腐蚀。

 

应力作用下的腐蚀 :应力腐蚀是指金属受到外加应力和环境介质的复合作用所开裂及断裂失效现象。我们所制造的金属设备通常都会收到外加载荷的作用,例如拉伸、压缩、弯曲、扭转等方式直接作用于金属上,或通过接触面的相对运动、高速流体的流动冲击金属表面。应力腐蚀又包括腐蚀开裂、氢致开裂、腐蚀疲劳,冲刷疲劳等等。

 

2.3 按金属腐蚀环境分类

 

大气腐蚀(干腐蚀):指金属处在大气中所遭受的腐蚀,其特点为腐蚀范围广,数量多。因为很多金属所处环境都暴露于大气中。工业介质中的腐蚀 :包括酸、碱、盐及有机溶液中的腐蚀。

 

  • 熔融金属的腐蚀 :通常为物理作用的破坏。

  • 微生物腐蚀 :实质上也是电化学腐蚀。指金属所处环境中含有微生物,由微生物改变了金属的某些性质。

 

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金属腐蚀的危害

金属的腐蚀不仅有破坏性也具有广泛性。金属材料广泛应用在我国社会发展的各个领域,如基础公共设施、交通行业、生产制造及公共事业等等。因此金属腐蚀也将发生在这些领域。

 

金属腐蚀所造成的破坏会影响金属设备的使用,从而导致机械生产效益不达标进而造成经济损失。据调查研究,在2014年中国直接腐蚀成本达到10639.1亿人民币,相当于中国公民人均一年花费1555元,这不仅仅是经济上的损失,更是金属资源的损失。

 

金属的腐蚀也发生在各种化学,化工企业。在这些企业中如果发生金属腐蚀从而产生破坏,导致有毒原料泄露。污染周边环境,可能会威胁到人们的生命安全。2013年的青岛市黄岛区,因为管道腐蚀导致管道壁减薄引起了输油管线爆炸。2014年的台湾高雄多条街道发生了可燃气体外泄并引发了大爆炸导致多人死亡和受伤,事后调查其根源,发现也是由金属腐蚀所引起的。

 

只要我们做好金属材料腐蚀的防护与控制,就可以从很大程度上减小上述现象以及减少我们国家的经济损失,还能在一定程度上保障我们的生命安全。

 

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金属材料的腐蚀防护分析

 

实际上除了研究金属腐蚀的机理和危害,国内外的学者更致力于通过了解腐蚀形成的机理怎样去解决金属腐蚀的危害,去研究防腐的方法,让金属资源更好的服务于人类社会。目前,在学术界对于防腐技术有着日新月异的发展,研究日益丰富,见解不一,下文将阐述几种主要的防腐方法。

4.1 金属涂镀层保护法

 

金属涂镀层保护法指在金属表面覆盖了一层薄膜,这层薄膜不仅可以防腐蚀还可以为金属表面提供其它性能。这种保护方法非常实用,具有高效率、使用便捷及操作方便等特点,因此国家也在大力推广发展相应技术。但这种方法也有其弊端,需要考虑镀层与金属间的反应和其镀层的老化速度。金属涂镀层的方法主要有热浸镀、机械镀、刷镀、电镀、化学镀、渗镀和热喷涂。

 

涂镀层保护法中热喷涂应用最为广泛,热喷涂是用热源将涂层材料加热到融化状态,随后用高速气流将其喷射到金属表面形成薄膜。热喷涂的技术特点是 :喷涂效率极高 ;能够喷涂金属、陶瓷、木材及玻璃等各种固体表面不仅仅是金属表面 ;喷涂后可赋予材料更多的性能,例如更高的强度,耐磨性和抗高温氧化性等,更重要的是它可以应用于各种尺寸的金属工件进行喷涂。

 

4.2 电化学保护

 

电化学保护法分为阳极保护法和阴极保护法,其主要原理是利用电化学反应,金属在外加电流的控制下可以钝化,不发生氧化还原反应,从而获得保护。这种方法主要应用在各种地下建筑物,水下建筑或海洋工程,这类型建筑容易构建电化学保护方法,并且它被认为是一种极为经济的保护方法,例如一艘轮船在建造过程中,如果采用金属涂镀层保护法,涂装费用将高达5%,而电化学保护法仅为1%。

 

4.3 缓蚀剂保护法

 

缓蚀剂保护法不同于别的保护方法,它是将缓蚀剂加入到金属材料所处的环境介质中,防止或减慢腐蚀的化学物质或几种化学物质。一般情况下,加入微量或少量的缓蚀剂即可达到目的,使腐蚀速度显著降低或不被腐蚀,还可保障金属原有性质不被改变。缓蚀剂特点为设备简单方便操作、用量少,效率高等。如今已经应用于冶金、化工、机械制造等行业。缓蚀剂根据化学性质可分为有机缓蚀剂和无机缓蚀剂。无机缓蚀剂能在金属表面形成薄膜,使金属与介质分开。而在酸性介质中,无机缓蚀剂效率极低,因而常采用有机缓蚀剂。

 

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结   语

 

综上所述,金属材料在我国的发展历程中扮演着重要的角色,涉及到许多重要领域,因此金属防腐蚀也是我国学者研究的主要内容。目前所掌握的防腐技术日新月异高速发展,呈现多元化的趋势,研究也趋向于实用。但我国的防腐技术仍不能与世界顶尖水平相比较,仍有很长的路要走。面对一些新型材料防腐技术以及一些更加复杂的环境对我们都将是一个考验。因此进一步研究发展金属材料的防腐技术仍具有重要的研究价值和现实意义。
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