corrosion of metals

   金属材料与周围环境发生化学、电化学和物理等作用而引起的变质和破坏。金属的锈蚀是最常见的腐蚀形态。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化（离子）状态。这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加转动件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用寿命，甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故。美国1975年由于金属腐蚀造成的经济损失为700亿美元，占当年国民经济生产总值的4.2％。据工业发达国家的统计，每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的10～20％。至于金属腐蚀事故引起的停产、停电等间接损失就更无法计算。
   金属腐蚀研究的发展  早在公元前3世纪,中国已采用金汞齐鎏金术在金属表面镀金以增加美观并可防腐蚀。在秦始皇陵墓中发掘出来的箭镞有的迄今仍毫无锈蚀，在这些箭镞表面上有一层致密的黑色氧化层，其中含铬2％左右,而青铜基体本身并不含铬。这一现象尚待研究（见彩图[秦始皇陵陪葬坑的青铜镞，埋藏地下两千多年仍不生锈（陕西临潼出土）]、[西汉青铜鎏金长信宫灯。宫女的头和手是分铸的（河北满城出土）]）。1830～1840年间英国法拉第(.Faraday)确立了阳极溶解的金属量与所通过电量的关系，提出了关于铁的钝化膜生长和金属溶解过程的电化学本质的假设。后来又有人在锌溶解于硫酸的研究中，明确地提出了微电池理论。这些研究对电化学腐蚀理论的发展都极为重要。
   20世纪以来,石油工业、化学工业等的蓬勃发展,促进了不锈耐酸钢、镍基耐蚀合金的研究和应用。英国埃文斯(U. R.Evans)及他的同事揭示了金属腐蚀的电化学基本规律,奠定了金属腐蚀的理论基础。50年代以来,随着金属学、金属物理、物理化学、电化学、力学等基础学科的发展，在核能、航空、航天、能源、石油化工等工业技术迅猛发展的推动下，金属腐蚀学逐渐发展成为一门独立的综合性边缘学科。
   金属腐蚀学科的研究内容包括两个方面：①金属腐蚀过程的基本规律和机理的研究；②防腐蚀技术的探索和实施，以及金属腐蚀试验方法和检测。
   耐蚀性  金属材料在腐蚀性环境中抗腐蚀的能力叫做耐蚀性它们在一些条件下,即在一定和介质组分、浓度、温度、流速等条件下，可能是耐蚀的；而在另外一些条件下，则可能是不耐蚀的。例如，铝在动水和空气中是耐蚀的；而在碱性溶液，许多酸性溶液及海水中是不耐蚀的。金在许多强腐蚀性环境中（例如在高温下的盐酸、硫酸、硝酸溶液中）是非常耐蚀的；而在盐酸和硝酸的混合溶液中是不耐蚀的。一些黄铜在静海水中是耐蚀的；而在流速快的海水中则不够耐蚀。
   通常用腐蚀速度来评价金属在某一定环境和条件下的耐蚀性。腐蚀速度常用在单位时间（小时）内从单位表面积金属上转变为腐蚀产物所引起的金属重量的变化（增加或减少）来表示；也可用单位时间内金属腐蚀深度来表示。为便于比较提出了6类 10级评定金属材料耐蚀性级别的标准(表1[ 金属材料耐蚀性分类评级标准])。在表2[ 按10级评定标准金属材料在20的水溶液中的耐]的水溶液中的耐" class=image>[蚀性等级]中根据10级标准列出了一些常用金属材料在化工仪表、机械制造、造船工业、工业及民用建筑中的耐蚀性。应当指出，这种评定金属材料耐蚀性的方法只适用于均匀腐蚀，对局部腐蚀是不适用的。
   分类  金属腐蚀可按产生的机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀；也可按产生腐蚀的环境分为大气（乡村大气、工业大气、海洋大气等）腐蚀海水腐蚀淡水腐蚀、土壤腐蚀、生物和微生物腐蚀、工业介质（如酸、碱、盐、工业水、熔盐、燃气等）的腐蚀；还可按腐蚀的破坏形态分为全面腐蚀和局部腐蚀，前者包括均匀的全面腐蚀和不均匀的全面腐蚀，后者常见的类型有电偶腐蚀（异金属接触腐蚀）、点腐蚀和缝隙腐蚀、晶间腐蚀应力腐蚀(见应力腐蚀断裂和氢脆)、腐蚀疲劳(见疲劳)、冲蚀、磨蚀、选择性腐蚀、杂散电流腐蚀、空泡腐蚀等。这些分类方法，虽然不够完备，但能相辅相成，对研究腐蚀机理及其防护措施有一定的作用。
   化学腐蚀  金属在不导电的液体（非电解质）如汽油、苯、润滑油等或干燥的气体中的腐蚀称为化学腐蚀。这种腐蚀遵循多相反应的化学热力学和化学动力学基本规律，金属的高温氧化即属此类。在化学腐蚀的过程中，由于界面反应在金属表面上形成氧化膜，它把环境和金属隔开,氧化的速度就受反应物通过膜的扩散所控制,扩散速率主要取决于膜的结构(见金属的氧化和热腐蚀)。
   电化学腐蚀  金属与电解质溶液作用所发生的腐蚀叫做电化学腐蚀，它是由于金属表面产生原电池作用而引起的。如果我们把铜和锌两块金属直接接触在一起并浸入电解质溶液中(如硫酸中)，将发生类同原电池的变化(图1[ 直接接触的锌与铜在硫酸中溶解的示意])。此时，锌和铜可视为电池的两极，锌为阳极，所失的电子流到与锌相连接的铜（阴极）并在其表面上为溶液中的H离子所接受,于是锌不断地变成Zn离子转入溶液中去而遭受腐蚀。这种原电池叫做腐蚀原电池或腐蚀电池。
   同一块金属，不与其他金属相接触，单独置于电解质溶液中也会产生腐蚀电池。例如，工业锌中含有少量杂质（如杂质Fe以FeZn的形式存在）,杂质的电位较锌的电位高。此时，锌为阳极，杂质为阴极，于是形成腐蚀电池（图2[工业锌在HSO溶液中溶解示意]SO溶液中溶解示意" class=image>）。结果锌遭受腐蚀，氢则成为气泡在杂质（阴极）表面上逸出。金属在电解质溶液中于其表面上形成的这种微小的原电池称为腐蚀微电池。引起这类微电池的原因是化学成分、金属组织结构、金属表面膜和金属物理状态的不均匀性等。
   即使同一块金属置于同一电解质溶液中，由于溶液浓度温度、流速不同也能产生腐蚀电池。电位可由能斯脱（Nernst）公式求出：
              [318-01]式中 为溶液中的该金属离子的浓度，为标准电极电势,[kg2]为气体常数,[kg2]为法拉第常数,[kg2]为电子迁移数。可以看出，金属的电位与溶液中金属离子浓度有关，如果电解质溶液是含有金属本身离子的溶液，那么溶液愈稀，金属的电位愈低；溶液愈浓，电位也愈高，从而构成腐蚀电池。
   氧浓差电池是金属腐蚀中最有意义的腐蚀电池，它是由金属与含氧量不同的溶液相接触而形成的。溶液中氧的浓度愈大，氧电极电位愈高。因此，如果溶液中的各部分的含氧量不同，在氧浓度较小的地方，金属的电位较低,成为腐蚀原电池中的阳极,此处金属常遭受腐蚀。
   综上所述，电化学腐蚀是由于腐蚀电池引起的；而腐蚀电池的驱动力是存在于阴、阳极间的电位差；腐蚀过程的继续进行，是因为有适当的去极化剂。电化学腐蚀过程包括三个环节：①阳极过程，在阳极上金属溶解，变成金属离子进入溶液e─→e＋e；②电子由阳极流到阴极；③阴极过程，去极化剂在阴极上接受从阳极流过来的电子发生阴极反应,如2H＋2e─→H。这三个环节是相互联系着的，三者缺一不可。控制上述任何一个环节都可以控制或阻止腐蚀。