第1章-腐蚀与防护-绪论

刘道新西工大航空学院民航工程系航空结构腐蚀控制与表面防护一、腐蚀原理与腐蚀控制－２０学时二、表面防护技术－２０学时（吴向清）三、实验课－８学时（马宗耀）内容1、刘道新主编.材料的腐蚀与防护.西北工业大学教材，20062、金石，谢发勤.航空器腐蚀与防护.西北工业大学教材，19973、肖纪美，曹楚南.材料腐蚀学原理.化学工业出版社，20024、张栋等.《飞机结构的腐蚀和腐蚀控制》.国防工业出版社，19935、蒋祖国主编.《飞机结构腐蚀疲劳》.航空工业出版社，1992教材与参考书第1章绪论1.腐蚀现象与定义2.腐蚀的危害与经济损失3.腐蚀控制（防护）及其重要性4.腐蚀的分类5.腐蚀的主要形态6.腐蚀程度的评定方法7.腐蚀的主要控制方法材料与结构的损伤形式三大失效形式：断裂；腐蚀；磨损失效原因腐蚀断裂磨损其它比例（%）4244311图1.1T-39，F-4C/D/E，RF-4C，F-111C和C-4A五种飞机分解状态检查的事故累积出现率表1.1在一些工程工业中调查的失效原因的比例1.1材料腐蚀的基本概念•“金属腐蚀是金属从元素态转变为化合态的化学变化及电化学变化”。•腐蚀可以从几个方面下定义：（1）由于材料与环境及应力作用而引起的材料的破坏和变质；（2）除了机械破坏以外的材料的一切破坏；（3）冶金的逆过程等。•“材料的腐蚀是材料受环境介质的化学、电化学和/或物理作用的破坏现象”•“材料腐蚀是材料受环境介质的化学作用或电化学作用而变质和破坏的现象”。腐蚀环境•自然环境：大气、土壤、海洋、生物和微生物等•工业介质：酸、碱、盐、工业水、熔盐、燃气、药剂、废气等1.2腐蚀的危害与腐蚀控制的重要性1.2.1腐蚀的危害1.2.1.1直接经济损失腐蚀的直接经济损失是指由于腐蚀的存在而导致总费用的增量。直接经济损失：①资本费用，包括更换设备及建筑费、富裕容量费、多余的备用设备费；②控制费用，包括维修费、腐蚀控制费；③设计费用，包括建筑材料、腐蚀容差、特殊工艺；④相关费用，包括产品损失、技术支持、保险、零件及设备存货。美国：腐蚀造成的损失达到1100美元/（人·年）中国：腐蚀造成的损失约为400元/（人·年）。直接损失约2288亿元人民币/年腐蚀总损失可达5000亿元/年（约占我国GNP的5%）腐蚀的危害2～5%GDP！•腐蚀危害遍及日常生活和几乎所有的行业，包括冶金、化工、能源、矿山、交通、机械、航空航天、信息、农业、食品、医药、海洋开发、基础设施等。•能源和材料的损失•设备的失效，物料污染•工艺流程的中断•泄漏（跑、冒、滴、漏）、爆炸、伤亡•环境污染•高新技术产业发展的限制性因素资源和能源的浪费•统计表明每年全球因设备和工程结构腐蚀而报废的金属，约占金属年产量的30%，其中三分之一完全无法回收，这样全世界每年就有上亿吨的金属，因腐蚀而损耗掉了！•仅我国每年因腐蚀报废的钢铁就相当于上海宝钢全年的产量。有限资源与可持续发展金属储量mt年消耗增加率%可用年数a乐观计算年数a每公斤材料能耗kw-hFe1×1061.310931916-30Al11705.1359180Cu3083.4249530-40Zn1232.51810115-20Ti1472.751152200国别统计年份直接损失占国民生产总值，%损失可能减少的部分（%）美国19751984198919951998825亿美元1680亿美元2000亿美元3000亿美元2757亿美元4.9—4.24.23.5——15——英国1985100亿英镑3.523德国1982450亿德国马克3.025瑞典1986350亿瑞士克郎—20意大利1989480000亿里拉6.030前苏联196967亿美元2—日本1976199792亿美元52580亿日元1.81.02——印度1985400亿印度卢比—40中国20002288亿人民币2.4—1.2腐蚀的危害与腐蚀控制的重要性1.2.1腐蚀的危害1.2.1.3间接经济损失间接损失难以估计，一般包括如下几个方面：①停工，例如炼油厂更换一根腐蚀了的钢管可能只需数百美元，但当由此造成的停工一小时，产值可能损失10000美元。再如电站锅炉管因腐蚀而爆炸，造成电厂停电，由此导致其供电范围内的工厂全部停电，其损失会是十分惊人的。②降低产品效率，如腐蚀产物影响管路畅通，降低设备和管道的换热效率及输送容量等。③产品的污染，如罐头或饮料因容器器壁腐蚀造成污染而报废。航空工业的腐蚀损伤•美国1995年：飞机金属结构的腐蚀损失每年达130亿美元，美国空军腐蚀维修费约10亿美元，海军飞机每年约花1.5亿美元用作腐蚀维护和维修。•1982年国际航空运输协会对其成员公司的调查统计表明，因腐蚀导致飞机定期维修、更换机件所需费用平均为每架次每飞行小时10～20美元飞机结构腐蚀案例2002年国航机队的767飞机因设计原因和防腐措施不到位，导致前后货舱门槛内缘条及周边框架、长桁大面积严重腐蚀，更换缘条的工作造成飞机停场25天，修理费用高大106万美元（850万人民币）。在飞机A、C、D检中，最常见的结构故障是飞机结构件的腐蚀。人身伤亡与环境污染•1980年3月北海油田一采油平台发生腐蚀疲劳破坏，致使123人丧生；•1984年12月3日，美国联合碳化物公司在印度一农药厂泄漏了45吨甲基异氰酸酯剧毒物，造成3500多人丧生，20多万人中毒；•1985年8月，日航一架波音747客机（价值约2亿美元）由于机身增压舱端框应力腐蚀断裂而坠毁，机上524人全部遇难材料腐蚀损伤的控制技术•合理设计结构与冷热加工工艺•合理选材与开发新材料（非晶、纳米晶、微晶材料、非金属新材料等）•环境的处理（如三脱一注、缓蚀剂的应用等）•电化学保护（阴极保护与阳极保护）•表面涂镀层技术（湿法镀、干法镀等）•表面改性技术（机械表面形变强化、注入、渗、合金化处理、激光、电子束、离子束、等离子体表面处理等）腐蚀损失（代价）=故障损失+防护费用学习腐蚀与防护的目的（1）研究材料和（航空）结构在环境介质作用下的破坏行为、规律和机理。从热力学和动力学两个方面认识规律和机理，指导腐蚀的控制。（2）以材料的腐蚀理论研究为基础，以腐蚀防护技术研究为应用目标。研究和发展腐蚀控制的技术措施和方法，制定腐蚀控制的标准及规范。（3）研究和开发腐蚀测试、检测和监控方法。为保障工程装备安全可靠地运行，研究和开发适用于实验室与现场的腐蚀测试、检测和监控的方法及规范1.3腐蚀科学与防护技术的研究进展（1）我国商代（公元前16世纪～前11世纪）就用锡改善铜的耐蚀性，冶炼出了青铜。闻名世界的中国真漆（大漆）在3000多年的商代得到了应用。发掘的2000多年前的秦始皇兵马俑坑中的青铜剑光亮如新、锋利如初，经分析表面有一层厚约10微米的含铬黑色氧化层，而基体中并不含铬。（2）18世纪中叶开始陆续出现对腐蚀现象和防护技术的研究及阐述。（3）作为一门独立的学科则是二十世纪20～30年，50年代后迅速发展。特别是现代测试技术的出现促进了学科进展。（4）我国1961年成立了国家腐蚀科学学科组，中国腐蚀与防护学会于1979年12月正式成立。2005年成功申请并举办腐蚀学科最重要的国际系列会议——第16届世界腐蚀大会1.4材料腐蚀的分类腐蚀分类方法有：（1）依据腐蚀环境分类法；（2）依据腐蚀机理分类法；（3）依据腐蚀形态分类法；（4）依据材料的特性分类法；（5）依据应用范围或工业部门分类法；（6）依据影响因素分类法。1.4材料腐蚀的分类依据腐蚀环境分类法：（1）干燥气体腐蚀（干腐蚀）；（2）电解质溶液中的腐蚀①自然环境中的腐蚀：大气腐蚀；土壤腐蚀；海水腐蚀；微生物腐蚀。②工业介质中的腐蚀：酸、碱、盐溶液中的腐蚀；工业水中的腐蚀；高温高压水中的腐蚀；熔融盐中的腐蚀。（3）非电解液中的腐蚀（4）熔融金属的“腐蚀”——“物理腐蚀”。1.4材料腐蚀的分类和腐蚀环境影响因素温度电动序材料的加工历史材料及其表面状态腐蚀及其它流速作用时间环境中的杂质物理因素（辐射、光照、电磁场、声波）应力压力其它ABC气体元素挥发性元素I2Br2H2Cl2N2HCl,HFHS2NH3其它化学化合物和烟气无氧人体血液细胞组织骨骼微生物土壤混凝土固体（湿或干）其他固体木材塑料石墨其它气体液体水溶液自然的人造的酸中性碱医药工业食品工业自来水其它高纯水雨水井水河水盐水海水无机溶液液态金属含氧无氧有机溶液熔盐在空气中无氧烟气氧化剂还原剂中性的湿干空气或氧含氧其它气体化合物（干或湿）混合气体蒸汽湿干真空SO2CO2NO2CONO2工业溶液非水1.4材料腐蚀的分类1.4材料腐蚀的分类依据腐蚀机理分类法：（1）化学腐蚀（ChemicalCorrosion）材料与周围非电解质之间发生纯化学作用而引起的腐蚀损伤称为化学腐蚀。腐蚀反应过程中不伴随电流产生。（2）电化学腐蚀（ElectrochemicalCorrosion）金属和电解质接触时，由于腐蚀电池作用而引起的金属腐蚀现象称为电化学腐蚀。电化学腐蚀过程中有电流产生。1.4材料腐蚀的分类依据腐蚀形态分类法：（1）普遍性腐蚀（或全面腐蚀）（GeneralCorrosion）腐蚀分布在整个金属的表面，均匀的或不均匀的。（2）局部腐蚀（LocalizedCorrosion）局部既可以是部位的也可以是成分的。（3）应力作用下的腐蚀断裂材料在应力和腐蚀性环境介质协同作用下发生的开裂及断裂失效现象。•力+腐蚀环境→构件→低应力脆断静应力+腐蚀→SCC交变应力+腐蚀→CF静应力+氢环境→HE微动+腐蚀→FCF应力作用下的材料环境损伤图1.5美国部分工业部门不同腐蚀形态所占比例统计材料类型高分子材料玻璃与陶瓷混凝土腐蚀类型或表现化学氧化；水解；应力腐蚀（环境应力开裂）；生物腐蚀；辐照分解；热、光氧化分解溶胀溶解水解；酸、碱侵蚀(溶解)风化（溶解与水解浸析）；选择性腐蚀；应力腐蚀溶解浸蚀(物理性溶解)分解型腐蚀(化学作用)膨胀型腐蚀（物理或化学作用）非金属材料的腐蚀类型1.5腐蚀程度的评定方法1.5.1均匀腐蚀程度的评定方法1.5.1.1重量法tSWWtSWvw01.5腐蚀程度的评定方法1.5.1均匀腐蚀程度的评定方法1.5.1.2深度法/76.8wdvv1.5腐蚀程度的评定方法1.5.1均匀腐蚀程度的评定方法1.5.1.2深度法/76.8wdvv1.5腐蚀程度的评定方法表1.4均匀腐蚀的十级标准腐蚀性分类耐蚀性等级腐蚀速率，mm/a腐蚀性分类耐蚀性等级腐蚀速率，mm/aⅠ完全耐蚀10.001Ⅳ尚耐蚀60.1～0.5Ⅱ很耐蚀20.001～0.00570.5～1.030.005～0.01Ⅴ欠耐蚀81.0～5.0Ⅲ耐蚀40.01～0.0595.0～10.50.05～0.1Ⅵ不耐蚀1010.01.5腐蚀程度的评定方法1.5.1均匀腐蚀程度的评定方法1.5.1.2电流密度表征法//wcorrvmStAinFnFiAStmvcorrd//1.5腐蚀程度的评定方法1.5.2局部腐蚀程度的评定方法/()/100%bbbK/()/100%fffK1.6课程章节安排本章作业1.1材料的失效形式有哪些？最主要的失效形式是哪几种？1.2根据你对腐蚀的理解，给材料腐蚀下一个你认为比较完善的定义。1.3腐蚀有哪些危害？腐蚀的直接经济损失包括哪些方面？1.4腐蚀控制的主要方法有哪些？控制腐蚀有何意义？腐蚀可否根除？1.6腐蚀的分类方法有哪些？按腐蚀形态可将腐蚀分为哪些类型？请用图示法给以说明。1.7什么叫电化学腐蚀和化学腐蚀？化学腐蚀和电化学腐蚀有何区别？1.8试评述重量法、深度法和电流密度表征法用于腐蚀速度大小表示时的特点，适用条件。为何这些方法不能评定局部腐蚀？局部腐蚀应该如何评定才合理？对于腐蚀速度随时间改变的均匀腐蚀情况，怎样评定腐蚀程度更为科学？请给出你认为合理的方案。1.9试推出公式（1.2）、（1.6）和（1.7）式。/76.8wdvv//wcorrvmStAinFnFiAStmvcorrd//