材料的腐蚀倾向由其热力学稳定性决定,热力学上不稳定的材料具有腐蚀自发性。然而,造成的破坏状况和程度大小则取决于腐蚀动力学。定量评定材料的耐蚀性和腐蚀程度的大小需要科学的方法。腐蚀的类型不同,所采用的评定方法也不同。
一、均匀腐蚀程度的评定方法
对于全面腐蚀情况下的均匀腐蚀,通常采用下面介绍的质量法、深度法和电流密度法来表征腐蚀的平均速率。
1. 质量法
质量法具有灵敏、有效、用途广泛的特点,是最基本的定量评定方法之一。通过腐蚀前后的质量变化(增加或减少)来表示腐蚀的平均速率。若腐蚀产物全部牢固地附着于试样,或虽然有脱落但易于全部收集,则常用增重法来表示。反之,如果腐蚀产物完全脱落或易于全部清除,则往往采用失重法。平均腐蚀速率(单位时间单位面积的质量变化)的计算公式为:
式中,为腐蚀速率,g/(m²・h); Aw 为试样腐蚀前后质量的变化量, g;S 为试样的表面积,m²;t为试样腐蚀的时间,h。
需要注意的是,按式(1-1)计算腐蚀速率是假定整个试验周期内腐蚀始终以恒定的速度进行,而实际中常常并非如此。当采用失重法时,应按有关标准规定的方法去除试样表面的残余腐蚀产物。公式中的S通常是利用试样腐蚀前的表面积。当试验周期内腐蚀导致试样的表面积变化比较明显时,将会影响数据的真实性。
2. 深度法
从工程应用角度上看,影响设备寿命和安全的重要指标是腐蚀后构件的有效截面尺寸。因此,用深度法表示腐蚀程度更有实际意义,特别是衡量不同密度的材料的腐蚀程度,目前该方法已被纳入有关标准(如我国国标GB10124—1988《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》,美国材料试验协会标准 ASTM G1、ASTM G31等)。通过直接测量腐蚀前后或腐蚀过程中某两时刻的试样厚度,就可以得到深度法表征的腐蚀速率(失厚或增厚)。可选择具有足够精度的工具和仪器直接测量厚度变化,也可以采用无损测厚的方法,如涡流法、超声法、射线照相法和电阻法等,破坏法中以金相剖面法最为实用。深度法表征的腐蚀速率可以由质量法计算出的腐蚀速率换算得到,换算公式为:
式中,分别为深度法和质量法表示的腐蚀速率,单位分别为mm/a和g/(m²·h)。
对于腐蚀减薄情况,p为腐蚀材料的密度;对于增厚情况,p为腐蚀产物的密度。但实际中腐蚀产物密度的准确值难以确定,因而式(1-2)一般仅适用于减薄情况,p的单位为g/cm²。深度法和质量法表征的腐蚀速率也可以用其他的量纲单位。
根据深度法表征的腐蚀速率大小不同,可以将材料的耐蚀性分为不同的等级,表1-2给出了 10 级标准分类法。该分类方法对有些工程应用背景而言显得过细,因此还有低于10 级的其他分类法。但不管按几级分类,其仅具有相对性和参考性,科学地评定腐蚀等级还必须考虑具体的应用背景。
3. 电流密度表征法
金属的电化学腐蚀是由阳极溶解导致的,因而电化学腐蚀的速率可以用阳极反应的电流密度来表征。法拉第定律指出,当电流通过电解质溶液时,电极上发生电化学变化的物质的量与通过的电量成正比,与电极反应中转移的电荷数成反比。设通过阳极的电流为I,通电时间为t,则时间内通过电极的电量为 It,相应溶解掉的金属的质量 Am 为
前面所介绍的腐蚀速率表征方法均适用于均匀腐蚀情况。而对于非均匀腐蚀,即使是全面腐蚀,上述方法也不适用,这时需要借助其他方法来评定腐蚀程度。
二、局部腐蚀程度的评定方法
包括应力作用下的腐蚀在内的广义局部腐蚀的特点是材料的质量损失很小,但是,材料的局部腐蚀可能会很严重。例如,点腐蚀可能造成容器穿孔,应力腐蚀会导致构件断裂,晶间腐蚀和选择性腐蚀虽然通常不会引起材料质量和尺寸的明显变化,但却会使材料的强度显著下降。因此,评价局部腐蚀程度不能简单地采用前面介绍的适用于均匀腐蚀的方法,这时需要根据具体腐蚀类型,以及对材料或结构安全可靠性的影响等来选择适用的评定方法。例如,对于点腐蚀的评定,可以采用点蚀密度、平均点蚀深度、最大点蚀深度等指标进行综合评价。断裂寿命或断裂时间法适用于应力作用下的腐蚀,电阻率的改变适用于多数局部腐蚀。测定腐蚀前后试件力学强度或断裂延伸率的变化,不仅适用于评定全面腐蚀(均匀的或不均勻的),更有利于评定各类局部腐蚀。针对不同类型的局部腐蚀还有特定的评定方法。
