金属材料大气腐蚀研究进展概要.docx

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金属材料大气腐蚀研究进展概要

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北京化工大学

研究生课程论文

课程名称：

材料保护学

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＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

金属材料大气腐蚀研究进展

摘要：

本文对金属大气腐蚀研究做了简介，综述了我国的大气腐蚀研究进展，并比较了国内外的发展水平。

得出我国的大气腐蚀研究已经进入了世界强国之列，但是总体上与美国等发达国家有着20-30年的差距。

对以后的大气腐蚀研究方面提出了展望。

关键词：

金属，大气，腐蚀

大气腐蚀是指大气中的腐蚀性气体溶解在水中作用于金属表面所引起的腐蚀[1]。

大气腐蚀是金属腐蚀的基本类型，几乎所有与大气接触的金属材料都会受到大气腐蚀，大气腐蚀所造成的损失约占腐蚀总损失的一半以上[2]，因此，开展大气腐蚀与防护的研究具有重要的意义。

1.金属大气腐蚀研究简介

2.

金属的大气腐蚀是自然界中存在的最普遍的腐蚀现象，因此人们在很早以前就已经开始对它进行研究。

特别是基于自然环境中的大气腐蚀现场曝晒试验直观、可靠的特点，世界各国对其都格外重视。

尤其是像美国、英国和日本等工业发达的国家，早在上个世纪初就开始通过现场曝晒试验研究多种材料在自然大气环境中的腐蚀行为。

相比之下，我国开展自然环境的大气腐蚀研究起步较晚，始于20世纪50年代中期，即1955年开始建立大气腐蚀曝晒试验站，但由于历史原因，发展迟缓，不具系统性，期间由于“文革”影响还中断了十几年，直到1980年才在全国范围内恢复自然环境腐蚀试验网站的建设工作[3]。

我国在大气腐蚀基础研究方面在国内外发表了大量的论文，这些系列论文的发表极大的提高了我国在大气腐蚀方面的研究地位，标志着我国已经进入大气腐蚀研究强国之列，而且这方面还保持着很好的发展势头[4]。

3.大气腐蚀行为与规律若干研究进展

4.

（1）金属材料自然环境腐蚀幂指数规律的建立和金属大气腐蚀初期行为与规律研究[5]。

以黑色金属和有色金属材料在我国典型大气环境中的长期现场腐蚀试验为基础，通过数据采集、评价和综合分析，获得了金属材料在我国典型大气环境中的腐蚀速率幂函数规律和相关参数以及拟合曲线，由此建立的幂函数模型可以表征我国典型大气环境下金属材料的腐蚀规律，这一规律的确认与获得是我国材料大气腐蚀学科领域的重要进展。

其模型为：

其中，D——腐蚀深度（mm）；

t——暴晒试验时间（a）；

A——第一年的腐蚀深度（与环境及材料有关）；

n——代表腐蚀发展趋势（随钢种和环境变化极大，数值一般小于1）；

对Q235和09CuPCrNi耐候钢在模拟潮湿和湿热大气环境中的腐蚀初期行为；铝合金AZ91D镁合金在模拟大气环境中的腐蚀初期行为与机理；Q235、09CuPCrNi耐候钢、铝合金AZ91D镁合金在单一SO2、CO2、NaCl沉积污染状况下和SO2、CO2、NaCl沉积复合污染下的腐蚀初期行为与机理等进行了系统研究，得到了一系列结果，发表在国内外学术刊物上。

（2）薄液膜下的腐蚀电化学规律研究[6]。

对典型铝合金7A04在0.6mol/L氯化钠和1mol/L硫酸钠溶液（pH5）不同厚度薄液膜下的电化学规律进行了系统研究。

阴极极限电流密度都接近或高于其在本体溶液中的电流密度，表明阴极极化曲线没有受到电流密度分布不均匀的影响；薄液膜下的阴极极化曲线与标准的扩散控制阴极极化曲线存在偏离，表现为氧的还原电流在极限区随阴极过电位的增大而增大[7]。

铝合金7A04在0.6mol/L氯化钠和1mol/L硫酸钠溶液（pH5）薄液膜下的电化学阻抗谱测试过程中电流分布比较均匀，测试结果没有受到电流密度分布不均匀的影响。

在腐蚀初期（2—24h），在110

液膜厚度下的腐蚀速率最高；随浸泡时间的延长，不同液膜厚度下的腐蚀速率开始变化，浸泡后期腐蚀速率由大到小依次为：

bulkolution（2000

）>500

>170

>235

>110

>60

铝合金7A04电极在1mol/L硫酸钠溶液（pH5）薄液膜下的阻抗谱结果表明：

随腐蚀时间的延长，铝合金7A04的腐蚀速率增加；在腐蚀前期（0—96h），在110

液膜厚度下腐蚀速率最大；腐蚀后期（96—168h），在110

液膜厚度下电极的腐蚀速率趋于稳定，本体溶液中铝合金7A04腐蚀速率继续增大并达到最大[8]。

采用扫描电化学显微镜技术（SECM）原位测试研究铝合金1060、2A12和7A04在含0.6mol/LNaCl（含5mmol/LKI，KI为氧化还原剂）溶液和1mol/LNa2SO4（含5mmol/LKI）溶液（pH5）中的氧化还原电流，模拟研究了铝合金在NaCl和含SO2环境中的初期腐蚀行为[9]。

（3）大气腐蚀的计算机模拟与仿真研究[10,11]。

采用概率型元胞自动机模型对金属在湿大气条件下的初期腐蚀过程进行了模拟，并与实际耐候钢在实验室湿热大气环境下的腐蚀形貌图进行了对比。

分析了元胞自动机机模型中两类重要参数对腐蚀过程的影响，其取值决定了腐蚀的速度控制步骤是电化学活化过程还是扩散过程。

模拟得到了腐蚀过程主要离子的浓度分布图，并结合大气腐蚀过程的机理进行了分析。

虽然与实际的腐蚀过程相比，建立的元胞自动机模型还是比较理想化和简单的，为了得到更加真实的腐蚀过程模拟，还需要进一步在模型的建立过程进行更加细致的模拟与研究，这项研究是一个良好的起步。

（4）利用激光电子散斑研究金属局部腐蚀早期腐蚀行为及机理[12]。

在模拟大气腐蚀的溶液中，对碳钢和不锈钢的早期腐蚀过程，尤其是点蚀过程进行了早期原位测试与观察，研究结果表明利用激光电子散斑能够在秒级时间范围内早期原位观察到碳钢和不锈钢的点蚀行为[13]，这在世界范围内是一个创新的研究工作，并与腐蚀电化学测量同时进行，对早期腐蚀机理进行了较系统研究。

3大气腐蚀国内外研究差距分析

虽然我国近年来在大气腐蚀方面取得了较大的进展，与美日等国的总体研究差距在明显缩小，但是在以下方面尚有明显差距。

（1）大气腐蚀试验场站建设国外的试验场站呈现出向全球化、标准化、典型化和大型化方向发展。

以美国气候试验公司为例，该公司的试验站点已经拓展到全球所有的典型气候区域，且试验标准已经达到4000种以上，并将美国几十个站点缩减到佛罗里达州和亚利桑那州两个典型气候区域，而且试验以大型构件和实物为主，材料试样试验已经成为辅助试验方法。

我国试验场站建设近年来虽然取得较大进展，明显缩小了与美日等发达国家的差距，但是我们还不能实现大规模正规化的中国以外的材料环境试验，试验还处于以试样为主的试验阶段，涉及构件和实物试验很少。

在试验观测设备方面，也缩小了与美日等发达国家的差距。

在试验标准建设方面，我国则处于刚刚起步阶段。

（2）实验室研究手段方面。

在大气腐蚀实验室研究手段方面，与国外相比，总体看我国尚有较大的差距。

近年来[14]，Leygraf、Zakipour等开始使用石英晶体微天平并结合XPS等研究电镀Ni、Sn在薄液膜下的大气腐蚀动力学，目的在于开发基于石英晶体微天平技术的传感器测量体系，从而使原来无法在短期内进行的大气腐蚀监测变为现实。

Aastrup和Leygraf对金属大气腐蚀的原位动态研究做过一些尝试，如利用QCM和红外光谱原位研究了Cu在85%RH、25℃下含SO2的空气界面反应，得到了大气/Cu界面上CuO2形成的动力学，并将试验结果和理论计算与以前的阴极还原测量做了比较，二者吻合得很好[15]。

他们又将红外光谱、石英晶体微天平和原子力显微镜结合起来对暴露在不同湿度（60%、80%）大气中铜的氧化膜的生长和氧化膜上水膜的动力学规律进行了实时动态研究，以更深入地了解在铜表面上发生的反应[16]。

Itoh等[17]人也几乎同时开展了金属大气腐蚀的原位动态研究工作，他们将石英晶体微天平和红外光谱有机组合，研究体系为Cu在80%相对湿度下，含有拼10

SO2的腐蚀性气体体系。

从质量损失变化和峰高分析中发现表面腐蚀层的生长遵守抛物线规律。

目前应用较多的是将石英晶体微天平、红外光谱仪和原子力显微镜结合起来。

石英晶体微天平（QCM）可检测的质量的微小变化（ng级），从而得出金属在大气中腐蚀的动力学变化，但它不能对腐蚀产物进行定量的分析；而红外光谱仪可分析金属表面化学成分的变化，可以提供化学健、对称性、分子或晶体配位等信息，定性的检测微量组分的组成，可以利用某一波数的峰强度的变化对金属大气腐蚀产物的组成进行定量或半定量分析；原子力显微镜可获得金属大气腐蚀表面的形貌（原子级分辨率的图像）。

这样就可以同时得到金属表面的化学组成、形貌变化和质量改变的信息，从而知道金属是如何与大气中的腐蚀性组分（如SO2、CO2、NaCl等）相互作用的，并把宏观信息与微观信息结合起来，从而从深层次对金属大气腐蚀机理进行探索和研究。

另外，Stratmann及其合作者首先将Kelvin探头参比电极技术应用到金属腐蚀的研究中，对大气腐蚀的电化学研究测试带来了突破性进展，可不接触测定体系而对薄液层乃至吸附液层下的金属腐蚀进行电化学测量[18]。

用Kelvin探头参比电极技术进行了以下几个方面的工作：

（1）蒸发过程中腐蚀电位随时间的变化；

（2）薄液层下金属腐蚀电位分布的测量；（3）薄液层下极化曲线的测量；（4）液层厚度对氧还原速度影响的研究。

在表面分析方法方面，环境扫描电镜（ESEM）可对自然状态下的材料（比如湿润或干燥）直接成像，不要求样品表面导电，在进行连续观察样品时可对样品温度（从-20℃到1000℃），润湿程度和气体环境都进行控制，从而有效地记录大气腐蚀的动态过程。

环境扫描电镜克服了一般SEM对高真空度要求的局限，允许样品室在高大气压下（大于20torr）工作。

环境扫描隧道显微镜（ESTM）和原子力显微镜（AFM）都有纳米或更好的分辨率，可对单个原子成像。

扫描隧道显微镜和原子力显微镜可以在真空和大气中工作，但由于试样表面的腐蚀产物会阻碍针尖和试样间的遂穿电流，ESTM只适合在腐蚀初期阶段使用。

原子力显微镜（AFM）通过测量试样和针尖悬臂梁之间作用力获得分析表面形貌，因而不要求试样是表面具有导电性，对表面有氧化膜的铝及铝合金来说，原子力显微镜是一个更有用的工具。

在金属大气腐蚀的原位研究中，ESTM和AFM将会起到重要作用。

激光拉曼光谱能在多种环境中对固体、液体和气体进行测试。

拉曼光谱表面增强效应（SERS）可用来观察金属表面的电化学吸附过程，检测电化学反应过程中的中间产物，进而推测反应机理。

以上方面我国与国际有20年以上的差距，严重制约了我国大气腐蚀原创性成果的产生。

（3）理论研究与计算机模拟方面。

基于对金属材料在不同环境条件下的大气腐蚀初期行为和机理的研究基础上，Tidblad和Graedel在Eriksson，Persson，Leygraf等[19]人实验的基础上，利用计算机初步建立了锌、铜和镍在SO2，铜在（NH4）2SO4大气环境中初期腐蚀过程的理论模型，提出了六区域模型，模型将大气腐蚀的焦点集中在薄液层的特性研究上面，并将水立方体系模型应用到碳钢在不同大气腐蚀条件下的腐蚀产物形成机制和腐蚀速度的研究。

P.Cordoba-Torres、Nogueira和V.Fairen等[20]人采用元胞自动机，将金属阳极作为一定网格内的相互关联的元胞进行考虑，用概率因素代替了电化学反应中的反应速率常数作为元胞自动机的演化规则，模拟了金属阳极溶解的发生、发展过程。

研究表明，在模拟过程中出现的元胞孤岛现象，符合阳极溶解中的实际介观形貌概率性的演化规则可以满足模拟电极反应的要求。

通过在不同条件下进行的模拟试验，P.Cordoba-Torres对比了阳极溶解的介观不均匀性与宏观均匀性之间的关系，并引人了分形理论对这种介观不均匀性进行了定量分析。

Pidaparti等[21]人对航天材料中铝合金的点蚀问题进行了模拟，模拟同样采用了概率型元胞自动机，并以VonNeumann邻居确定了一套点蚀发生、发展的演化规则。

其他大部分学者在对腐蚀现象进行模拟时，都是在金属基体的横截面上对腐蚀深度的发展进行模拟；而Pidaparti则独辟蹊径对铝合金表面的形貌进行了模拟，采用255位的灰度值来表示基体表面的腐蚀特征。

Vautrin-UI和Taleb等[22]人根据腐蚀过程中的电化学和扩散机理建立了一种概率型元胞自动机，这种元胞自动机通过演化规则中的概率事件表示了实际电化学反应，通过设置演化规则中的不同参数，模拟了不同控制步骤下腐蚀坑的发展过程。

Vautrin-UI详细分析了模拟过程的数据，统计了模拟过程中腐蚀“孤岛”的产生与不同演化规则参数之间的关系，并模拟了实际溶液中电化学反应与法拉第定律之间产生偏差的原因。

Saunier等人模拟了扩散控制的腐蚀过程中，腐蚀产物膜在金属/溶液界面的生长过程。

模拟中详细研究了阳离子在腐蚀产物膜中的扩散行为，对比了不同反应速率下产物膜的生长厚度、阳离子在产物膜中的浓度分布、以及扩散前锋的强度和位置的变化。

Malki和Baroux对点蚀过程的形貌进行了简单的模拟，模拟分别采用了蒙特卡罗（MonteCarlo，MC）方法和元胞自动机方法建立了不同的点蚀模型[23]。

综上所述，元胞自动机已经在多个腐蚀问题的模拟中得到了成功的应用。

对于腐蚀问题来说，其本质上就是一系列的电化学反应和扩散过程，而这两种物理过程都是可以通过设置元胞自动机中的演化规则来实现模拟的，所以元胞自动机在腐蚀问题的模拟上得到了良好的应用。

我国这方面研究刚刚起步，总体有10年的差距。

（4）在大气腐蚀保护技术基础研究方面，虽然近年来我国新型电化学保护技术、新型涂料和新型耐蚀新钢种不断出现且相关的基础研究时有报道，但是总体上与美、日和欧洲有20—30年的差距。

4展望

对金属大气腐蚀初期行为与机理的实验研究与分析表明，对于金属的大气腐蚀过程，其产生机理、发展过程以及与环境的交互作用相当复杂，表现为控制变量及影响因素众多各变量与腐蚀速率之间具有较强的动态藕合变化过程腐蚀过程呈现随机性、非线性、多变性及突变性[24]。

尽管这样，也没有阻挡人们对其过程认识的步伐。

总体上看，人们对这种复杂过程的认识目前还主要处在实验研究和数据积累阶段，这个阶段的特征是发展各种试验方法、观测腐蚀过程的行为与机理和加强动态、原位检测技术的研究。

随着大气腐蚀理论研究工作的深人，目前建立的大气腐蚀模型主要采用对长时间腐蚀数据进行拟合，模型的建立主要依据经验公式。

但是由于获得的腐蚀数据是不连续、非原位检测的结果，建立的腐蚀模型无法动态、连续描述材料表面随时间发生的变化过程。

因此，有关理论模型的研究仅仅处于起步阶段，尚需要数十代人不断坚持和长期研究才能逐渐取得令人满意的结果，其中非线性非稳态过程研究是关键。

随着宏观腐蚀电化学的不断发展与成熟，与之相对应的微区腐蚀电化学将是大气腐蚀学科发展的一个重要方面。

借助于宏观腐蚀电化学的研究方法与成果，利用微区腐蚀电化学的测试方法，对金属局部腐蚀机理、涂层缺陷处腐蚀机理和金属相结构腐蚀电化学进行系统研究，将获得系统的创新性研究成果，极大地推进对大气腐蚀规律的认识。

随着对大气腐蚀连续变化过程的深人研究，可以通过建立大气腐蚀过程的理论模型，利用计算机仿真实现连续腐蚀变化过程的模拟，模型中各个系数的确立和仿真模拟结果验证都需要结合实验室实验和现场试验数据。

这是金属大气腐蚀研究的一个重要方向。

在不远的将来，实验研究和数据积累、大气腐蚀模型的建立和计算机仿真实现连续腐蚀变化过程的模拟等，将成为人们认识和控制金属大气腐蚀过程的相互依赖相互补充的有机结合三个重要方面。

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