金属的腐蚀.docVIP

金属的腐蚀 学习目的 1.了解腐蚀的意义。 2.了解金属材料腐蚀的原理。 3.了解影响金属腐蚀的因素。 4.了解钢铁材料腐蚀的形式。 5.认识防治腐蚀的方法。 ? 1-1 前言 ? 材料会因为时间、环境等种种因素，而产生不堪使用或称为失败(failure)的状况，这样的结果不但增加成本，而且耗费时间。一种材料所以无法再使用，除了肇因于强度无法承受负荷所产生的破坏(fracture)，还有磨耗(wear)、腐蚀(corrosion)、辐射损伤(radiation damage)等其它因素，而这其中又以腐蚀的伤害最大，影响也最严重，因此认识并防治腐蚀，是学习材料必备的课题。 生锈(rusting)就是一种人人熟知的腐蚀现象，它是专指铁或铁合金的腐蚀现象，其它的材料虽然也会腐蚀，但不称为生锈。腐蚀的过程可以是一种化学反应(Chemical Reaction)，而更多时候则是一种电化学反应(Electrochemical Reaction)。 所谓电化学反应，简单的说是金属间形成阳极和阴极的电池效应。简单的说，电化学腐蚀与电镀的原理相似，都是由于材料本身足以产生电化学反应所导致，它们的差异，只在于结果的不同。腐蚀是金属的剥离，电镀则是金属的覆层。 而就工程材料的来源而言，材料原为矿石或是氧化物中冶炼，再度变为化合物而回归稳定也是自然的趋势，因此材料在某种适当的环境下，不论经由化学或是电化学的反应方式而发生腐蚀，也是自然的现象，而防治腐蚀的积极意义则是在提供材料更长的使用寿命。 在日常生活中，就有许多足以产生电化学反应的环境，例如：不同金属本来就具有不同的电位，如果环境中存在某些溶液，可能就会提供构成回路的条件，而发生电化学腐蚀。此外例如：高温、酸碱等环境因素，也会加速电化学反应的进行，因而增加腐蚀破坏的程度。 在机械结构使用上，材料的选择不当，对腐蚀因素的认识不够，也是助长结构腐蚀的基本因素。因此探讨防蚀工程，必须要了解化学和冶金学的基本常识，并且注意防治。 腐蚀通常是经由一段时间酝酿，当损害的现象较为显著时，才会引起人们的注意，而到破坏造成时，结果却往往非常严重。据估计，在美国每一年因为腐蚀所造成的直接损失，就约占国民生产总值的4 %，达数百亿美元之谱。在国内，除了桥梁、建筑等公共工程因腐蚀致使用寿命降低，近年来在航空器及其它方面，因腐蚀产生安全的危害、资源、环境的损失，也无法估计，丝毫不逊于其它破坏所造成的损失。因此，对于材料的腐蚀机构及防制腐蚀的方法的研究，尤其必须特别重视。 事实上，除了金属材料会受到腐蚀之外，其它材料也会发生腐蚀，例如：塑料、陶瓷材料的化学溶解(chemical dissolution)等，但本章中所讨论的腐蚀，主要仍以金属为范围，就各种腐蚀发生的成因、腐蚀形式、金属钝化等说明，并提出腐蚀的防治之道。 1-2腐蚀的意义 ? 自然界中绝大多数的物质，都有变成氧化物或是形成稳定化合物的倾向，除了金、铂等贵金属外，自然界中甚少有单纯金属存在。因此当我们由矿石或是氧化物中提炼完成所需的工程材料，例如：铁、铜、铝时，它们就开始有了回归稳定的趋势，在环境许可下，它们会再度变为金属化合物，这种现象可说是发生腐蚀的基本原因。这些环境的因素，例如：水份、高温，或是酸、碱等化学物质的诱导等，都可能引起金属的腐蚀，如图1所示。 ? 图1矿石 钢料 腐蚀 说明了腐蚀发生的基本原因 ? 分析材料发生腐蚀的基本原因，主要可以区分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀（chemical corrosion）又称为直接溶解(dissolution)，通常是指材料置于一种可以溶解的溶液环境中，直到材料全部耗尽(腐蚀)或是溶液达到饱和点。其它诸如高温、湿度等情况，使材料因加速产生氧化作用进而腐蚀也属之。电化学腐蚀通常是指两种异质金属或金属中足以构成电位差的两极，在一种电解质(electropte)相连的环境中，形成阳极金属持续失去金属离子而被腐蚀的现象称之。在这两类的腐蚀中，又以电化学腐蚀较为重要，也较容易被忽视。 ? 1-2-1化学腐蚀 ? 在自然界中，物质会溶解于特定的溶液中是熟知的现象，例如：糖、盐会溶解于水中，或是许多金属或非金属会溶解于盐酸。有时我们也利用这些特性于制造方法，例如：利用氯化铁来蚀刻铜艺术品或电路板。但在工程材料的使用上，绝大多数的考虑仍是在防治腐蚀方面。 在一般金属中，溶液最易侵蚀的位置是晶粒与晶粒接合之处，也就是晶界，然后持续成长，化学腐蚀有时也随环境或是化合物的形成而变化，也可能伴随电化学腐蚀而来，当然如果是这样的情形，整个腐蚀现象就会变得较复杂。 1．选择性滤除 有些金属合金材料在特殊环境下，其中的一种或多种元素容易被选择性的滤除（leach）或称腐蚀，而变成多孔性的残留物，因而降低了材