生活中常見的腐蝕與研究

馮啟睿

（甘肅省蘭州第一中學 甘肅 730030）

第一次工業革命以后，金屬材料得到了巨大的應用和發展，鋼鐵的年產量甚至代表了一個國家的工業水平。與高分子材料以及陶瓷相比，金屬材料具有導電、導熱、制備工藝簡單、強度高等優點，在經濟社會發展中發揮著越來越重要的作用。然而，易腐蝕一直是金屬材料難以克服的弊端。金屬材料腐蝕帶來的危害是巨大的，不僅損害經濟，對于資源和壞境，甚至公共安全方面都會造成嚴重威脅[1]。數據表明，金屬腐蝕帶來的經濟損耗不可估計，每年我國因金屬材料腐蝕造成的經濟損失，高達數千億美元[2]。不僅如此，金屬材料的腐蝕性嚴重破壞了周邊壞境，威脅了人們的健康。例如，天然氣井蓋的套管，在長期使用過程中因為應力腐蝕容易裂開，造成井噴甚至爆炸；化工廠儲存乙烯原料的罐子因為硫化物質腐蝕而造成大火引起人員傷亡，波音747客機斷裂墜毀等等，因金屬腐蝕而造成的傷亡現象屢見不鮮。

金屬腐蝕是一個復雜的過程，發生腐蝕的本質是金屬材料本身與其所處的環境介質發生不同程度的化學、電化學或者物理作用，從而引起材料失去原有屬性的現象。在不同的環境下，金屬可能發生不同種類的腐蝕[3]。宋海軍在《淺談金屬材料的腐蝕與防護》一書中指出，根據金屬腐蝕的機理不同，可以將金屬腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕，其中電化學腐蝕帶來的危害比化學腐蝕大得多，其實質都是金屬原子被氧化成金屬離子的過程；除了化學腐蝕和電化學腐蝕外，研究者[4]又補充了生物腐蝕和物理腐蝕。同時，由于腐蝕的形態和環境不同，其又可分為濕腐蝕和干腐蝕。按照腐蝕程度劃分，其可為局部腐蝕和全面腐蝕。相比而言，局部腐蝕帶來的危害更大。王金紅對腐蝕速率做了相關研究，她指出，對于不同成分不同濃度的鹽水噴霧，其所造成的金屬材料的腐蝕速度也不相同。當鹽含量過高時，濕度含量會相對降低，此時，倘若鹽分結晶時，反而降低腐蝕速率。馮寧寧也指出，金屬腐蝕速率的重點是水分的產生，當水分過多時，達到或者超過了特定的相對濕度，就會引起電化學腐蝕，加快反應速度。同時，空氣中常見的的污染物大多都是酸性氣體，它們在一定程度上也能夠加速腐蝕速率。

本文在前人研究的基礎上，通過利用生活中易得的實驗器材，構造了干電池除鐵釘銹的實驗，并揭示其原理，分析了金屬腐蝕的機理，產生條件以及影響因素，進而給出了相應的解決措施，希望給后來研究者以啟迪。

一、實驗

（一）實驗材料

干電池、導線、生銹的鐵釘、碳棒、小碗、10%的食鹽水。

（二）實驗方法

配置10%的食鹽水，放到小碗里，分別將生銹的鐵棒、碳棒連接到電源的正極和負極，并插入到食鹽水中，通電幾分鐘后，取出鐵釘，觀察鐵釘表面的形貌變化，其結果如圖1所示：

圖1:電池除銹實驗前后鐵釘的外觀圖片，其中a：實驗前；b：實驗后

（三）結果與討論

通電幾分鐘后，我們可以觀察到鐵釘大量氣泡冒出，鐵釘表面的銹附著在鐵釘上，很容易擦掉，而且擦掉后，漏出鐵釘基體，鐵銹被除掉。

由實驗裝置可知，干電池、電極、電解液構成了電解池。其中，生銹的鐵釘與電池的正極相連，通電時，發生氧化反應：

由反應方程式可知，鐵銹下的鐵元素發生氧化反應，由鐵原子氧化成二價鐵離子，從而進入到溶液中，使得原本附著在表面鐵元素上的鐵銹與內部鐵元素的結合力變軟，因此很容易被擦掉，漏出內部未發生生銹的鐵。與此同時，由于電子守恒，電池的陰極發生還原反應：

因此，我們可以看到電池正極有氣泡冒出。

二、影響金屬腐蝕的因素

材料發生腐蝕，是由于材料本身受到周圍環境的作用，進而發生有害的化學、電化學、物理反應，使其失去固有性能的過程。因此，影響材料發生腐蝕過程的因素既與材料本身因素有關，也與其所處的環境相關。

（一）內因

1.金屬的化學穩定性

金屬的耐腐性好壞首先與金屬的本性有關。我們可以用標準平衡電極電位來評定，也等同于材料本身的熱力學穩定性。熱力學穩定性越高，金屬越不易與周圍環境發生反應，從而能夠保證金屬原子不被還原為離子，使其不容易受到腐蝕。然而，部分熱力學穩定性低的金屬與空氣中的氧氣發生反應，使其表面能生成致密的氧化膜，進而阻礙金屬本身與外界壞境的接觸，使其具有良好的耐腐蝕性，如金屬鋁，金屬鈦。

2.合金成分的影響

在生活和工業中，純金屬很少能夠滿足復雜的工業要求，因而大部分使用的都是合金。和純金屬相比，合金具有優良的性能，在耐蝕性上，也與純金屬有不同的地方，具體表現在：

（1）單相合金。單相合金都具有較高的熱力學穩定性，耐蝕性較好，如生活中常見的不銹鋼、鋁合金、鈦合金。

（2）兩相或多相合金。由于各相之間存在化學和物理上的不均勻，導致同一合金不同相之間標準平衡電極電位不同，使得合金表面不同相之間容易形成腐蝕微電池，加快金屬腐蝕，所以兩相或多相合金比單向合金更容易腐蝕。例如，普通的鋼。然而，也有例外，如鑄鐵，由于各相之間原本比較穩定，當加入了一些穩定的合金成分，如硅元素，其形成的多相結構仍比較穩定，較耐腐蝕。

（3）熱處理。不同的熱處理狀態，得到的材料的組織結構不同。因此，這也決定了其具有不同的耐腐蝕性。

（4）金屬的表面狀態。當金屬邊、面具有擦傷、縫隙、漩渦等損傷時，其會使金屬表面比較粗糙，增大金屬與環境的接觸面積。這些損傷部位都是腐蝕產生的源頭，使金屬更容易受到腐蝕。

（二）外因

1.環境的PH值對腐蝕的影響

我們知道，生活中使用的大部分金屬，如不銹鋼，鈦合金都能與酸發生反應。因此，一般在酸性溶液中，金屬都容易受到腐蝕，而且腐蝕速率隨著PH值的增加而減小[5]，在堿性溶液中，金屬常有鈍化的情況發生，腐蝕速度下降，但對于兩性金屬，如鋁合金，其在強堿性溶液中，腐蝕速度會再次增加。

2.溶液成分的影響

當金屬處于溶液環境下時，當溶液的成分、濃度不同時，金屬會形成不同的腐蝕速率。例如，一般在高濕、高鹽的海洋壞境下，金屬極容易產生電化學腐蝕，從而加快腐蝕速度，這也是金屬在高濕、高鹽環境下難以保護的原因。

3.介質壓力對腐蝕的影響

不同壓力條件下，金屬所處的壞境也不同。壓力越大時，一方面很容易產生金屬內部的晶格畸變，使原子的活動性增加，擴散加速，促使金屬發生電化學腐蝕；另一方面，壓力增加時，能夠加快金屬與周圍介質的化學反應速率，也能促使腐蝕速率增加。

4.溫度對腐蝕的影響

金屬發生電化學腐蝕時，其腐蝕速率一般隨著溫度的升高而增加。當溫度的升高，電極反應擴散過程速度增加，從而使電化學反應的控制步驟速度增加，提高電化學反應速度。在許多大陸性氣候，由于晝夜溫差比較大，白天溫度較高，加速電化學反應，晚上溫度降低時，空氣中的水分以凝露的形式聚集在金屬表面，從而為金屬生銹提供了良好的條件。因此，晝夜溫差大的地方，金屬都容易產生腐蝕。

5.介質的流動速度對腐蝕的影響

對于同一種金屬來說，當其所處的壞境介質不同時，其腐蝕速率也不同；同樣，同種介質流速下，不同的金屬，其腐蝕行為也不相同。例如，在靜態海水環境中，碳鋼的腐蝕速率遠遠高于不銹鋼。當流速為10米每秒時，銅合金的腐蝕敏感性要遠遠高于鋼，主要原因是銅合金表面成膜速度很慢，使其長時間與海水接觸，易發生腐蝕。

三、材料腐蝕的防護措施

金屬材料腐蝕是材料表面以及界面與環境發生作用而引起的破壞，因此目前對于金屬材料防護主要從金屬材料本身、壞境以及材料界面三方面進行考慮[6-7]。主要的防護手段有以下幾種方式。

（一）緩蝕劑

加入緩蝕劑是常用的金屬材料防護的方法[8]。緩蝕劑是一種加入少量，就能顯著減緩或阻止金屬材料發生腐蝕的物質，具有用量較少、見效迅速、成本低廉、使用方便等優點。目前市面常用的緩蝕劑種類繁多、機理復雜。按照緩蝕劑作用區域不同，其可以分為陽極型緩蝕劑、陰極型緩蝕劑、混合型緩蝕劑。然而，其作用機理均為根據實際情況抑制某極反應來增加另一極的反應。按照作用機理來講，部分緩蝕劑能在金屬表面生成致密而附著力良好的氧化膜；部分能夠與金屬的腐蝕產物或者與陰極反應的產物，生成沉淀，從而有效修補金屬表面的破損處，阻礙內部金屬與環境的接觸，減緩腐蝕速度。目前緩蝕劑主要應用領域是在石油工業以及工業循環水等液體環境下，而且有時單獨使用一種緩蝕劑達不到良好效果時，可使用多種緩蝕物質協同使用。

（二）電化學保護

電化學保護是目前金屬防護效果較為理想的一種保護方法。其實質是根據金屬電化學腐蝕原理，對金屬進行保護。按照電極作用原理不同，我們可以將電化學保護分為陰極保護與陽極保護兩大類。陰極保護是將金屬構件作為電極反應的陰極，通過陰極反應來消除金屬表面的電化學不均勻性，從而達到保護金屬的目的。通常的作用方式是，將被保護的金屬設備與直流電源的負極相連，依靠外加陰極電流而使金屬無法失去電子，從而得到保護。還有一種陰極保護的方式，當需要保護某種金屬時，把某種電位比較負的金屬與被保護電位相對較正金屬構件相連接，從而使保護的金屬構件成為腐蝕電池中的陰極，進而實現被保護的目的。陽極保護是利用金屬在電解質溶液中依靠陽極極化，建立鈍態的特性而實施的保護方法。與外加電流陰極保護一樣，陽極保護也使用外加直流電源供電。所不同的地方，被保護設備接的的電源正極。保護原理是當金屬與電源正極相連接時，處于腐蝕區的金屬將進行陽極極化，使其電位向正移至鈍化區，從而使金屬由腐蝕狀態變為鈍化狀態。其在金屬表面生成一層鈍化膜，使內部金屬與外部環境隔離，從而金屬腐蝕速度降低而得到保護。陽極保護的關鍵，是使被保護金屬與環境能建立起可鈍化的體系。因此，對于陽極保護來說，得知被保護金屬的致鈍電流密度，維鈍電流密度，鈍化區電位范圍是至關重要的。

（三）表面涂層保護

工業生產和生活中的大部分金屬既沒有在液態環境下，也沒有與其他金屬或者電源相連接。因此，表面涂層保護是目前最為常用的金屬材料防護方法。金屬表面形成保護性覆蓋層，可避免金屬與腐蝕介質直接接觸，或利用覆蓋層對機體金屬的電化學保護或緩蝕作用，從而達到減緩金屬腐蝕速率的目的。目前，常用的金屬表面形成涂層的方法包括電鍍、陽極氧化、化學氧化、噴漆等途徑。不同的金屬材質采用不同的途徑，如一般鋼鐵制品大多采用電鍍，鋁合金材料、鈦合金材料則采用陽極氧化、化學氧化的方法。然而，無論何種方式得到的涂層，均有結構致密，完整無孔，與機體有較好的結合力，在整個被保護面上分布均勻等特性。