当金属与周围介质接触时,由于发生化学作用和电化学作用而引起的破坏叫金属腐蚀。金属腐蚀现象十分普遍,所造成的损失也很大。1981年对我国七个部门两百多个工厂、企业进行的调查表明,因腐蚀造成的直接损失占各工厂、企业总产值的4%~5%,相当于基本建设的总投资。
金属的腐蚀,按机理不同和腐蚀过程的特点,可分为物理腐蚀、化学腐蚀与电化学腐蚀。在工程实际应用中的金属腐蚀,绝大多数都属于化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。
①. 化学腐蚀
单纯由化学作用引起的腐蚀叫做化学腐蚀,化学腐蚀是没有电流产生的腐蚀过程。金属在高温下和干燥的气体接触,或在非电解质环境中,一般产生化学腐蚀。例如,在轧制钢筋的过程中,钢筋表面的“铁皮”就是铁在高温下被空气氧化(腐蚀)生成的产物(见图1-1)。由各种氧化物组成的铁锈很疏松,没有保护钢铁不再被腐蚀的能力。
金属在非电解质(如苯、无水酒精、石油等)溶液中也会产生化学腐蚀。例如,在石油中含有多种有机硫化物,它们对金属输油管及容器也会产生化学腐蚀。
②. 电化学腐蚀
当金属和电解质溶液接触时,由电化学作用引起的腐蚀叫做电化学腐蚀。电化学腐蚀是有电流产生的腐蚀过程,它和化学腐蚀不同,这种腐蚀是由于形成原电池(腐蚀电池)引起的。在这种腐蚀电池中,负极上进行氧化反应,通常叫做阳极(在讨论腐蚀问题时,通常称阴、阳极,而不称正、负极);正极上进行还原反应,通常叫做阴极,参见图1-2。
当钢铁暴露在潮湿的空气中时,表面会形成一层极薄的水膜。空气中的CO2、SO2等气体溶解在水膜中,使其呈酸性。而通常的钢铁并非纯金属,常含有不活泼的合金成分(如Fe3C)或能导电的杂质。它们星罗棋布地镶在铁质的基体上,形成许多微小的腐蚀电池(微电池)。铁为阳极,Fe3C或杂质为阴极。由于阴、阳极彼此紧密接触,电化学腐蚀作用得以不断进行。阳极的铁被氧化成FFe2+进入水膜,同时电子移向阴极;H+在阴极(Fe3C或杂质)结合电子,被还原成氢气析出。水膜中的Fe2+和由水离解出的OH-结合,生成Fe(OH)2。Fe(OH)2及其脱水产物Fe2O3是红褐色铁锈的主要成分。这种腐蚀过程中有氢气析出,所以叫做析氢腐蚀。当介质的酸性较强时,钢铁发生析氢腐蚀。
当介质呈中性或酸性很弱时,则主要发生吸氧腐蚀。这是一种“吸收”氧气的电化学腐蚀。此时,溶解在水膜中的氧气是氧化剂。在阴极上,O2结合电子被还原成OH-;在阳极上,铁被氧化成Fe2+。Fe2O3进一步被空气中的O2氧化成Fe(OH)3,所得的产物与析氢腐蚀相似。由于O2的氧化能力比H+强,故在大气中金属的电化学腐蚀一般是以吸氧腐蚀为主。
金属表面常因氧气分布不均匀而引起腐蚀。例如,一段插入水中的钢铁支柱,接近水面的溶解氧的浓度较大(或分压较大),而深入水中的溶解氧浓度较小(或分压较小)。当氧的分压(或浓度)愈大时,相应的电极电位代数值愈大,O2的氧化能力愈强。反之,则O2的氧化能力愈弱。这种腐蚀反应和吸氧腐蚀相同,只是发生的部位不同。这就说明浸入水中的铁柱上的铁锈虽然在近水面处,然而锈蚀却发生在水下的一段上。这种由于氧浓度不同而造成的腐蚀,叫做浓差腐蚀(也称作差异充气腐蚀)。浓差腐蚀是金属腐蚀中常见现象。如埋在地下的金属管道的腐蚀、海水对船坞的“水线腐蚀”等。其中点腐蚀现象有它的特殊性,危害也较严重。
当一块钢板暴露在潮湿的空气中时,总会形成一层Fe2O3薄膜。如果该膜是致密的,则可以阻滞腐蚀过程。若在膜上有一小孔,则有小面积的金属裸露出来,这里的金属将被腐蚀。腐蚀产物(Fe2O3、Fe3O4等)疏松地堆积在周围,把孔遮住。这样O2难于进入孔内,又会产生浓差腐蚀。同时孔内的H+浓度增加,使小孔内的腐蚀不断加深,甚至穿孔。点腐蚀是一种局部腐蚀现象,常常被表面的尘土或锈堆隐蔽,不易发现,因而危害性更大。