編寫人：左禹，熊金平
基本要求：
熟悉常用工程材料的效能，試驗方法及其選用；
了解常用工程材料的種類及應用；
了解常用工程材料，特別是非金屬材料的合成與製備，正確選擇和使用工程材料。
考核知識點：
熟悉工程材料的主要效能，力學效能，物理效能，化學效能和工藝效能；
熟悉常用工程材料的效能的檢測與分析方法；
熟悉常用工程材料合成、製備、選擇和使用。
第一部分金屬材料及其耐腐蝕性
4.1金屬材料耐蝕性特點和分類
腐蝕環境型別千變萬化，條件複雜苛刻，同一種金屬材料在一些環境中耐腐蝕，在另外一些環境中則不耐腐蝕。根據使用環境正確地選擇材料是提高材料服役可靠性和延長使用壽命最基本、最重要的環節。
純金屬耐腐蝕的原因可以歸結於以下三個方面：一是由於自身的熱力學穩定性而耐蝕；二是由於鈍化而耐蝕；三是由於形成有保護作用的腐蝕產物膜而耐蝕。工程材料絕大多數是合金，合金的耐蝕性仍然決定於上述三方面的因素。
加入適當的合金化元素，可以進一步提高材料的熱力學穩定性，或提高材料鈍化能力及形成表面保護膜的能力，從而大大地提高材料的耐蝕性。
4.1.1金屬的熱力學穩定性
金屬在水溶液中的腐蝕反應是由金屬氧化為金屬離子和溶液中去極化劑還原這一對共軛電化學反應構成的，即：
m≒mn++ne （4-1）
o+ne≒r (4-2)
式中，o和r分別代表去極化劑的氧化態和還原態。上述兩反應的傾向性由有關物質的化學位決定，根據化學位可以匯出反應的平衡電極電位為
ee=eo+rtlnαmn+／nf (4-3)
ee』=eo』－ rtlnαo/nf (4-4)
共軛反應式（4-1）和式（4-2）發生的熱力學條件是去極化劑o的還原反應的平衡電位e／e高於金屬m的氧化反應的平衡電位ee，二者差值越大，腐蝕反應的熱力學傾向就越大。金屬在水溶液中發生腐蝕時，大多數情況下去極化劑是溶液中的氫離子或氧，陰極反應為
h++e≒1/2h24-5)
或o2+2h2o+4e≒4oh－ (4-6)
根據式（4-4）可以得到上述二反應的平衡電位隨溶液ph值變化的關係，在每條平衡線上方，反應沿氧化方向進行，在平衡線下方，反應沿還原方向進行。因此，如果某種金屬氧化反應的平衡電位位於吸氧反應（或析氫反應）平衡線下方，就可以發生金屬氧化與氧還原（或氫原子還原）的共軛反應而導致金屬腐蝕。
根據式（4-3），金屬氧化的平衡電位和溶液中金屬離子活度amn+有關，當amn+=1時,ee=e0。e0稱標準平衡電極電位,可以表徵不同金屬溶解為金屬離子的傾向，e0值越高，式（4-1）反應越不容易向右方進行，金屬的熱力學穩定性就越高。
根據上述析氫反應和吸氧反應的平衡電位與溶液ph值的關係可以得到三個特徵值：中性水（ph=7）中的標準氫電極電位是－0.414v，在酸性水（ph=0）中為0v，中性水中吸氧反應的平衡電位＋0.
815v。根據這三個特徵值可以將金屬分為以下四類：
（1）不穩定類金屬
標準電位低於－0.414ｖ。這類金屬在中性水中就能發生析氫或吸氧腐蝕，包括li, na, k, be, mg, ca, ba, al, ti, zr, v, mn, nb, cr, zn, fe等。
（2）不夠穩定類金屬
標準電位在－0.414～0v之間。這類金屬在中性水中不會發生析氫腐蝕，當溶液含氧時會發生吸氧腐蝕，在酸性溶液中則會發生析氫腐蝕，包括cd、 in、tl、 co,、ni、 mo、 sn、pb。
（3）較穩定類金屬
標準電位位於0～0.815v之間。這類金屬在不含氧的中性和酸性溶液中都不能腐蝕，只是在含氧溶液中會發生吸氧腐蝕，包括bi、 sb、 as、 cu、 rh、 hg、 ag等。
（4）穩定類金屬
標準電位高於＋0.815v。這類金屬在含氧的中性水中也不會腐蝕，僅在含氧酸性溶液中有可能腐蝕，包括pd、 ir、 pt、 au、 ta等。
工程用的金屬材料絕大多數是合金，固溶體合金的電極電位一般位於其組成金屬的電極電位之間。因此，在電位較負的金屬中加入電位較正的金屬進行合金化後，合金的熱力學穩定性將介於兩組成金屬之間。
耐腐蝕性主要取決於材料自身熱力學穩定性的常用金屬材料有鑄鐵、碳鋼和普通低合金鋼、銅與銅合金、鎳與鎳合金等。鑄鐵和碳鋼耐蝕性較差；銅、銅合金及鎳屬於比較穩定的材料，在海水、鹽溶液和中等腐蝕性的非氧化介質中有良好耐蝕性；鎳銅合金（蒙乃爾合金），鎳鉬鐵合金（哈氏合金b）等穩定性更高，有很強的耐還原性酸腐蝕的能力，但仍然不耐強氧化性介質腐蝕。***鉭，鉑，金是穩定性最高的金屬材料。
4.1.2金屬的鈍化
很多金屬材料自身的熱力學穩定性並不高，但在腐蝕介質中表面能夠形成鈍化膜而使耐蝕性大大提高。常用的可鈍化金屬材料有鎂與鎂合金，鋁與鋁合金，不鏽鋼，鈦與鈦合金，鋯合金等，其中用量最大的是奧氏體不鏽鋼。根據含鉻量的多少，奧氏體不鏽鋼可以分為三個等級：
18cr-8ni型不鏽鋼（304型）、18cr-12ni-2mo型不鏽鋼（316型）和20cr-25ni-4.5mo-cu型。含鉻量越高，鈍化能力越好，耐腐蝕性越強。
後兩種型別不鏽鋼中由於ni、mo、cu等元素含量增多，耐非氧化性介質和氯離子腐蝕的能力也有所提高。
金屬的鈍化發生在氧化性或含氧介質中，在非氧化性或還原性介質中由於鈍化膜不穩定，耐蝕性不佳。當介質中含有能破壞鈍化膜的滷離子時，耐蝕性也會大大降低。
4.1.3金屬表面的腐蝕產物膜
有些金屬材料不能夠鈍化，但在腐蝕介質中表面能夠形成緻密的腐蝕產物薄膜層，從而阻礙進一步的腐蝕。例如鉛在稀硫酸溶液中，鐵在磷酸溶液中，鉬在鹽酸溶液中，鎂在氫氟酸或鹼液中，鋅在大氣中等。這類材料在特定環境中通常有較好耐蝕性，但如果介質條件改變，表面不能維持保護性良好的腐蝕產物膜層，耐蝕性就會明顯降低。
4.2腐蝕介質的類別
腐蝕介質種類繁多，腐蝕性差別很大，常見的材料服役環境有大氣、土壤、水環境與海水、酸、鹼、鹽溶液和有機化合物等幾大類。
4． 2。1 大氣金屬的大氣腐蝕與金屬表面附著的一層薄水膜有關，腐蝕的陰極反應是水膜中的溶解氧的還原。通常金屬表面的潮濕程度越大，大氣腐蝕速度越高。
大氣腐蝕的速度也與大氣的組成有關，當大氣中存在二氧化硫、三氧化硫、硫化氫、氯化物、氨和固體懸浮顆粒時，都會明顯促進腐蝕。因此，工業性汙染大氣腐蝕性最強，其次是城市和沿海地區的大氣，內陸農村地區的大氣腐蝕性最弱。
4． 2。2 海水海水是含鹽量很高的電解質溶液，金屬在海水中發生氧去極化腐蝕，氧含量和海水流速等因素對腐蝕速度有影響。由於海水中的氯離子會破壞鈍化膜，不鏽鋼不適用於海水，碳鋼在海水中腐蝕速度也很高，必須採用塗層或電化學保護等措施。
銅和鈦在海水中相對耐蝕性叫較好。
4．2． 3 土壤土壤是一種多孔性的無機、有機膠質顆粒體系，土壤的孔隙由空氣、水和鹽類所充滿，因此是一種電解質，金屬在土壤中的腐蝕通常是氧去極化腐蝕，土壤的含水量、含氧量和導電性對腐蝕速度有著直接的影響。
4．2．4 酸包括無機酸和有機酸。無機酸，又可分為非氧化性酸和氧化性酸兩類。金屬在非氧化性酸中腐蝕的陰極反應是氫離子還原反應，由於酸中不含氧化劑，不能使金屬鈍化，金屬在非氧化性酸中主要依靠其熱力學穩定性來抵抗腐蝕。
鹽酸和氫氟酸是典型的非氧化性酸。
氧化性酸中除了可以發生氫離子還原反應以外，腐蝕反應的陰極過程主要是氧化劑的還原，例如在硝酸中腐蝕的陰極反應是硝酸根離子還原為亞硝酸根離子。金屬在氧化性酸中能夠鈍化，因此可選用能夠鈍化的金屬材料用於氧化性酸介質，如鋁、不鏽鋼、鈦合金等。濃硫酸、濃磷酸、鉻酸等都是氧化性酸，稀硫酸則表現為非氧化性酸的特性。
有機酸與無機酸相比一般酸性較弱，如乙酸、丙酸、酒石酸、蘋果酸等在室溫下腐蝕性都不強，但隨溫度公升高腐蝕明顯增強。沸騰的甲酸和乙酸有很強的還原性，因此對不鏽鋼具有較強的腐蝕性，這種環境可以選用銅合金或鈦合金。
4．2．5 鹼金屬在鹼溶液中的腐蝕是氧去極化腐蝕。碳鋼在常溫下各種濃度的鹼液中，由於表面形成氫氧化鐵膜而耐蝕性優良，但在80℃以上的高溫鹼液中不耐蝕。奧氏體不鏽鋼有較好的耐高溫鹼腐蝕性能。
鎳和各種鎳基合金耐鹼性最佳。
4．2．6 鹽溶液常見的無機鹽溶液的腐蝕特性見表4-1。
表4-1 無機鹽溶液的腐蝕特性
4．2．7 有機化合物
有機化合物在水溶液中的離子化傾向很低，一般不具有氧化性。大多數有機化合物如醇、醚、酮，各種烴類等對金屬的腐蝕性很微弱少數有機物如酸酐、醛類、酚、有機氯化物、有機硫化物等具有腐蝕
性，隨溫度公升高腐蝕性增強。
4.3耐腐蝕材料的選用
4．3．1腐蝕環境調查
腐蝕環境的主要特徵引數包括介質組成、溫度、流速、壓力、固體顆粒種類與含量、介質迴圈量、介質組成的變化、氣液介面狀況、蒸發與濃縮條件等，其中最重要引數是介質組成和溫度。
（1）介質組成介質組成決定其氧化性或還原性、酸鹼性，除了要搞清楚介質的主要成分以外，還必須了解主要侵蝕性雜質的種類與含量。例如：微量的氯、氟離子即可破壞鈍化，重金屬離子會加速腐蝕，氧和氧化劑的存在能促進可鈍化金屬發生鈍化；也可能加
速非鈍化金屬的腐蝕。在有機介質中，水含量和介質導電性對腐蝕也有重要影響。
（2）溫度大多數介質的腐蝕性隨溫度公升高而顯著增大，例如在有機酸或稀無機酸體系中，金屬材料在沸騰溫度下的腐蝕速度比在室溫下要高乙個數量級以上。在室溫下耐蝕性良好的材料，在高溫下可能完全不耐蝕。
4．3．2一般選材原則
（1）在強還原性或非氧化性環境中，由於材料不易鈍化或鈍化膜不穩定，因此不宜使用可鈍化材料，應選擇依靠自身熱力學穩定性耐腐蝕的材料，如銅與銅合金，鎳與鎳合金等。
（2）在氧化性環境中應選擇可鈍化材料，如不鏽鋼、鋁與鋁合金等，氧化性很強的環境可選用鈦與鈦合金、鋯合金等。
（3）在氯離子環境中不宜使用鈍化金屬材料，普通18-8型不鏽鋼和鋁合金在氯離子環境中容易發生孔蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕破裂。高鎳鉬型不鏽鋼有一定的耐孔蝕能力，但在受力狀態下存在應力腐蝕傾向，在低氯離子介質中應慎重使用。鈦合金有較強的耐氯離子侵蝕能力。
（4）按允許的腐蝕速度使用不同型別的材料和構件，耐蝕性相對較低的通用材料一般可允許有較高腐蝕速度，表10.1-2可作參考。
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