腐蝕機理

老房木板上的生鏽的鐵釘、鐵護欄的生鏽、錫罐頭蓋的生鏽、鋼筋的鏽蝕、輪船設備的鏽蝕、腐蝕的自來水管道流出黃色的水、輸油輸氣管道、開水管道、大雁塔廣場上銅雕塑上的銅綠、秦始皇的銅車馬、兵馬俑、銀首飾的變色、塑料的硬脆、橡膠輪胎的老化、古籍紙質的發黃變脆、絲綢的化絲、朽木、塗料的褪色、脫落、牙齒的壞爛、石頭的風化等等都是一種腐蝕現象。其中腐蝕包括非金屬腐蝕與金屬腐蝕。

金屬材料的腐蝕，是指金屬材料和周圍介質接觸時發生化學或電化學作用而引起的一種破壞現象。對於金屬而言，在自然界大多是以金屬化合物的形態存在。從熱力學的觀點來看，除了少數貴金屬（如金、鉑等）外，各種金屬都有轉變成離子的趨勢。因此，金屬元素比它們的化合物具有更高的自由能，必然有自發地轉回到熱力學上更穩定的自然形態——氧化物的趨勢，所以說金屬腐蝕是自發的普遍存在的一種現象，是不可避免的。

金屬腐蝕給生產生活帶來很多不便，造成了巨大的經濟損失。全世界每年因為金屬腐蝕造成的直接經濟損失約達7000億美元，是地震、水災、颱風等自然災害造成損失總和的6倍。我國因金屬腐蝕造成的損失占國民生產總值（GNP）的4%左右，鋼鐵因腐蝕而報廢的數量約佔鋼鐵當年產量的25%~30%。這些數據只是與腐蝕有關的直接損失數據，間接損失數據有時是難以統計的，甚至是一個驚人的數字。

目前腐蝕問題成為阻礙高新技術發展和國民經濟持續發展的重要制約因素，這樣研究金屬的腐蝕與防護便顯得非常的重要，本報告主要綜合講述了金屬的電化學腐蝕的基本原理和分類，以及討論了有關現實生產生活中具體的防護措施，以更好的指導現實實踐。

材料在和周圍介質接觸過程中，發生物理、化學或電化學反應等而使材料遭受破壞或性能惡化的過程稱作腐蝕。廣義的腐蝕指材料與環境間發生的化學或電化學相互作用而導致材料功能受到損傷的現象。狹義的腐蝕是指金屬與環境間的物理-化學相互作用，使金屬性能發生變化，導致金屬，環境及其構成系功能受到損傷的現象。

出於物理原因造成的破壞不稱為腐蝕，而稱為磨損或磨耗等等。但實際情況下腐蝕和物理損傷是伴隨發生的，物理損傷更是加速了腐蝕的進度。腐蝕現象非常普遍，但卻非常複雜。

由此而誕生的腐蝕科學是一門高度交叉性的綜合學科，涉及化學、電化學、物理學、材料學、表面科學、工程力學、冶金學、生物學等多個學科，它也將隨著這些學科的發展而不斷發展前進。近年來，腐蝕科學的基礎理論研究和應用研究都取得了長足的發展，創造出了巨大的經濟效益和社會效益。

①普遍性和廣泛性：腐蝕無處不在。天上地下、陸上水下；金屬、非金屬。航天器的生物腐蝕、大氣腐蝕；輪船、航空母艦的海水腐蝕。

②持續性：腐蝕無時不在。腐蝕的發生是一個持續、累積過程。有可能在無任何徵兆條件下突然發生破壞。不是不爆，時候未到！腐蝕在我們身邊每時每刻悄悄地發生著，它吞噬著人們的勞動成果，改變了歷史的原貌。《悄悄進行的破壞——金屬腐蝕》曹楚南院士的科普著作。

③非線性：腐蝕的速度並非總是線性過程，會隨外界條件的變化而變化。

④自發性：腐蝕的發生完全是一個自發過程，就像水向低處流一樣。我們控制腐蝕就像要阻止水向低處流。從化學的角度來說就是從不穩定態向穩定態轉化的過程。金屬的腐蝕是金屬提純的逆向過程。危害性和嚴重性：很大。

⑤危害性：腐蝕會影響設備的使用壽命，嚴重的會危及設備安全及人身安全，因而不可等閑視之。腐蝕造成的直接損失，如人員的傷亡、設備的破壞、裝置的損毀等造成直接的經濟損失，大家是有目共睹的。但更為重要的是，腐蝕所造成的相關間接損失也非常驚人。如一個電廠由於腐蝕而導致突然停電，將導致大批的工廠的巨大損失。橋樑、壓力容器、鍋爐、貯有劇毒、放射性物質的金屬容器、貯存核廢料的金屬容器等。腐蝕→停車停產→該廠經濟損失→連鎖反應→其他相關廠經濟損失→國內的經濟損失→國際的經濟損失→總的經濟損失。

⑥複雜性：腐蝕過程是一個非常複雜的物理、化學過程，涉及化學、電化學、物理學、材料學、表面科學、工程力學、冶金學、生物學等多個學科。現在儘管取得了長足的進步，但還有相當一部分仍舊不明了，還只能靠經驗、事後總結。

⑦腐蝕的可利用性：集成電路板工業、玻璃雕刻、乾電池放電等（任何事物都有兩面性）。

腐蝕按材料從大的方面分為金屬腐蝕和非金屬腐蝕。

由於金屬材料具有較高的機械強度、可塑性、良好的導熱性、導電性以及加工成型性等優點，所以在工程材料中得到廣泛應用。

按機理分：

①化學腐蝕特徵：發生化學反應，無腐蝕電流。如金屬和周圍介質如：酸、鹼、鹽、O2、SO2、CO2、水蒸氣等直接接觸而引起的腐蝕、金屬在高溫下形成的氧化皮等。

②電化學腐蝕特徵：發生電化學反應，有腐蝕電流。如乾電池對外供電。實際腐蝕過程絕大多數為電化學腐蝕。

按破壞形式分：

①全面腐蝕（均勻腐蝕）：腐蝕在金屬表面全面展開。如純金屬在強電解液里的腐蝕。一般，全面腐蝕，開始時腐蝕速率較大。一般，全面腐蝕的危害性較局部腐蝕小，而且可以事先預測。如衛星接收天線鍋、暴露在大氣中的金屬管線等。

②局部腐蝕：腐蝕只集中在金屬表面的局部區域，其它部分腐蝕很輕微或幾乎沒有。局部腐蝕的類型很多，如電偶腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、選擇性腐蝕、應力腐蝕、磨蝕、晶間腐蝕、氫損傷等。局部腐蝕的危害較大，應引起足夠的重視。

按腐蝕環境分：

①大氣腐蝕：金屬在大氣及任何潮濕性氣體中發生的腐蝕。最為普遍。

②電解質溶液腐蝕：酸、鹼、鹽。污水處理系統中的腐蝕。

③海水腐蝕：本質還是電解質溶液腐蝕，但是一大類特定類型。海洋工程、海上石油鑽采平台、設備、艦船、潛艇、航空母艦、海水換熱器等都會遭到海水腐蝕。

④非電解質溶液溶液腐蝕：金屬在不導電的溶液中的腐蝕，如金屬在有機液體如酒精、石油中的腐蝕；鋁在CCl4、CHCl3、C2H5OH中的腐蝕；Mg、Ti在CH3OH中的腐蝕。

⑤土壤腐蝕：供水、供氣、供油、供熱管網、設備的地埋部分。

⑥生物腐蝕：硫酸鹽還原菌SRB、腐生菌等對油氣管道的生物腐蝕。

⑦其它環境下的腐蝕：如高溫（>100℃）、高壓、熔融電解質溶液等。高溫氣體腐蝕、發動機、火箭高溫廢氣腐蝕。

金屬腐蝕的危害：金屬腐蝕的危害首先在於腐蝕造成了巨大的經濟損失。這種損失可分為直接損失和間接損失。直接損失包括材料的損耗、設備的失效、能源的消耗以及為防止腐蝕所採取的塗層保護、電化學保護、選用耐蝕材料等的費用。由於腐蝕，使大量有用材料變為廢料，估計全世界每年因腐蝕報廢的鋼鐵設備約為其年產量的30%，造成地球上的有限資源日益枯竭。全世界每90s就有1t鋼被腐蝕成鐵鏽，而煉製1t鋼所需的能源可供一個家庭使用3個月，因此，腐蝕造成了對自然資源的極大浪費。因腐蝕而造成的間接損失往往比直接損失更大，甚至難以估計。這些損失包括因腐蝕引起的停工停產，產品質量下降，大量有用有毒物質的泄漏、爆炸，以及大規模的環境污染等。一些腐蝕破壞事故還造成了人員傷亡，直接威脅著人民群眾的生命安全。

金屬防腐蝕的方法很多，主要有改善金屬的本質，把被保護金屬與腐蝕介質隔開，或對金屬進行表面處理，改善腐蝕環境以及電化學保護等。

(1)改善金屬的本質

根據不同的用途選擇不同的材料組成耐蝕合金，或在金屬中添加合金元素，提高其耐蝕性，可以防止或減緩金屬的腐蝕。例如，在鋼中加入鎳製成不鏽鋼可以增強防腐蝕能力。

(2)形成保護層

在金屬表面覆蓋各種保護層，把被保護金屬與腐蝕性介質隔開，是防止金屬腐蝕的有效方法。工業上普遍使用的保護層有非金屬保護層和金屬保護層兩大類。它們是用化學方法，物理方法和電化學方法實現的。

鋼結構材料存在的另一大問題是容易腐蝕。隨著我國經濟建設的飛速發展以及環境的污染，鋼材等金屬的腐蝕所造成的浪費十分巨大。每年由於腐蝕造成的損失難以估量。據報道，英國每年由於金屬腐蝕造成的損失達幾億英鎊；美國每年因金屬腐蝕造成的損失約佔國民生產總值的4.2%；而我國每年因金屬腐蝕引起的損失約為國民生產總值的2.3%。

金屬防腐蝕的手段很多，如採用耐腐蝕金屬材料、電化學保護法、添加緩蝕劑、塗刷防腐蝕塗料等。其中以採用防腐蝕塗料最為普遍。這主要是由於採用塗料防腐蝕的使用範圍廣、施工方便、成本較低，而效果又較令人們滿意的緣故。防腐蝕塗料作為金屬防腐蝕的主要手段，各國多年來投入了大量的人力物力進行研究。

英國、美國、德國和日本等發達國家目前仍處於領先地位。防腐蝕塗料的品種很多，主要有：酚醛樹脂類、環氧樹脂類、過氯乙烯類、聚氨酯類、呋喃樹脂類、橡膠類等，應用於不同的防腐蝕場合。據報道，日本每年採用防腐蝕塗料所消耗的費用達2萬億日元，占各種防腐蝕措施總費用的65%左右，防腐蝕塗料在國民經濟建設中的地位可見一斑。我國通過幾十年的努力，在防腐蝕塗料領域也已取得了顯著的成果，以環氧樹脂、過氯乙烯、氯磺化聚乙烯、呋喃樹脂、聚氨酯等一大批樹脂為原料的防腐蝕塗料已被開發並成功地用於防腐蝕工程中。