大气腐蚀：定义与分类

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：金属在大气条件下发生腐蚀的现象，是最普遍的一种环境腐蚀形式。根据大气腐蚀的发生情况，我国大致可分为5种区域类型。多数情况下，大气腐蚀是由于潮湿的气体在物体表面形成一薄层液膜而引起的。金属材料在不直接被雨淋时发生的腐蚀破坏就是潮大气腐蚀的例子。

大气环境是金属材料最常遇到的暴露环境，据统计，80%的金属构件在大气环境中使用。工程设备、机械设备、武器装备、电子装备及历史文物等经常暴露于腐蚀性的大气环境中。大气腐蚀是金属材料设备最主要的腐蚀破坏形态之一。腐蚀还会污染人类的生存环境，造成资源和能源的严重浪费，甚至引发灾难性事故。例如，轮船由于腐蚀而沉没、飞机由于腐蚀而坠毁、石油管线由于腐蚀穿孔而引发爆炸等事故，都可能导致人员伤亡。因此，金属与合金的防大气腐蚀保护工作，在国民经济、国防建设和历史文化遗产保护等领域都占有极其重要的地位。

1.大气腐蚀的定义

材料的腐蚀破坏是从材料与电解液接触的固⁃液界面开始的，然后逐步往材料内部发展。广义的腐蚀指材料与环境间发生的化学或电化学反应而导致材料受到损伤的现象。狭义的腐蚀是指金属与环境间发生物理⁃化学反应，从而使金属性能发生变化，导致金属、环境及其构成的系统功能受到损伤的现象。

大气腐蚀是指材料与它所处的大气环境之间，通过化学或电化学作用而引起的腐蚀破坏。金属腐蚀是一个十分复杂的过程，它不仅与环境介质因素（如介质的组成、pH、腐蚀性成分的浓度、温度等）有关，也与金属材料本身属性（如材料的化学成分、组织结构、表面状态、热处理状态、受力状态等）有关。由于昼夜温度、湿度的波动和气候变化的影响，液膜层内处于连续变化状态，随着金属表面上干—潮—湿的交替并呈周期性变化，大气电化学腐蚀一般受氧的去极化过程控制，其腐蚀产物多滞留在金属表面上，又会进一步加速大气腐蚀。金属在大气条件下发生腐蚀的现象，是最普遍的一种环境腐蚀形式。金属材料从原材料储存、工件加工到装配和储存过程中都会发生不同程度的大气腐蚀。大气腐蚀最为普遍，因为金属制品无论在加工、运输和储存过程中都与大气接触，时刻都有发生大气腐蚀的条件。

根据大气腐蚀多层区的概念，如气体区（G）/界面区（I）/液层区（L）/沉积区（D）/电极区（E）/固体区（S）的模型，可以看出大气腐蚀的复杂性。

根据大气腐蚀的发生情况，我国大致可分为5种区域类型。

（1）微腐蚀区相对湿度小于60%，Q235钢平均腐蚀速率<8.0μm/a，包括新疆、西藏、青海、宁夏、甘肃、内蒙古等广大地区，占国土面积50%左右。

（2）弱腐蚀区相对湿度为60%～70%，平均腐蚀速率为8～10μm/a，黄河以北广大地区，占国土面积15%左右。

（3）轻腐蚀区相对湿度为70%～75%，平均腐蚀速率为10～15μm/a，黄河以南、长江以北广大地区，占国土面积14%左右。

（4）中腐蚀区相对湿度为75%～80%，平均腐蚀速率为15～20μm/a，长江以南广大地区，占国土面积20%左右。

（5）较强腐蚀区相对湿度大于80%，平均腐蚀速率为20～30μm/a，海南岛、雷州半岛及西双版纳热带湿润地区，占国土面积1%左右。

大气腐蚀具有多元性，除了要了解全国的腐蚀等级分布图外，还需要了解特定地区的腐蚀性等级图，在重点工业区域还需要做专门的腐蚀评估。与此同时，还要评估出经济高速发展区域的腐蚀趋势。在评估的基础上，选用合适的金属材料，采用合理的防护方法。

2.大气腐蚀的分类

大气腐蚀指的是暴露在空气中金属的腐蚀，是金属材料在大气环境中发生的一种特殊的电化学腐蚀过程。多数情况下，大气腐蚀是由于潮湿的气体在物体表面形成一薄层液膜而引起的。所处环境湿度不同，在金属表面所形成液膜厚度也不同，因而所发生的大气腐蚀形式也就有所不同。在干燥的大气环境下或干燥的氧化环境中，液膜实际不存在，干燥氧化环境中铜或银失去光泽是干的大气腐蚀的实例，当大气湿度提高时，大气腐蚀速率加大，当湿度超过某一临界值后，暴露于大气中的金属表面便会形成肉眼看不见的薄电介质液膜，此时的腐蚀称为潮的大气腐蚀；在金属表面形成可见液膜时的腐蚀称为湿的大气腐蚀；当液膜进一步加厚时，相当于金属全浸于溶液中，为水溶液全浸腐蚀。大气腐蚀速率与金属表面液膜厚度的关系如图1⁃1所示。

区域Ⅰ：金属表面只有薄薄的一层吸附液膜，约1～10n（几个水分子厚），没有形成连续的电解液，相当于干大气腐蚀，腐蚀速率很小。

区域Ⅱ：由于金属表面液膜厚度增加，液膜厚度约为几十或几百个分子层，形成连续电解液膜层，开始了电化学过程。又由于液膜很薄，氧气容易扩散进入界面，相当于潮大气腐蚀，腐蚀速率急剧增加。

区域Ⅲ：当金属表面液膜继续增厚（几十到几百微米），进入到湿大气腐蚀区，氧气通过液膜向金属表面扩散难度加大，腐蚀速率下降。

图1-1 大气腐蚀速率与金属表面液膜厚度的关系

区域Ⅳ：金属表面的液膜变得更厚（大于1mm），相当于全浸在电解液中的腐蚀情况。腐蚀速率基本不变。

大气腐蚀的分类方法很多，根据金属试样表面的电解液膜厚度与大气腐蚀速率的关系，可把大气腐蚀分成三类。

（1）干大气腐蚀指在非常干燥空气中表面不存在液膜层时的腐蚀。在非常干燥的大气环境中，金属表面完全没有吸附液膜层时的大气腐蚀称为干大气腐蚀，对应于图1⁃1中的Ⅰ区。由于金属表面上没有形成可发生电化学腐蚀的液膜，因此，它的腐蚀速率很慢。例如，将钢材长时间暴露在干燥的沙漠中，其表面仍然保持金属光泽。由于大气腐蚀比较简单，破坏性也小得多，主要是由纯化学反应引起的腐蚀。

干大气腐蚀的特点是在金属表面形成不可见的氧化物膜，某些金属（如铜、银等非铁金属）在被硫化物等所污染的空气中发生失色反应。

（2）潮大气腐蚀当金属在相对湿度小于100%，而大于临界相对湿度^[1]时发生的大气腐蚀称为潮大气腐蚀，例如铁在没有被雨、雪淋到时的生锈，对应于图1⁃1中的Ⅱ区。在潮大气腐蚀的情况下，相对湿度足够高，金属表面存在着肉眼看不见的薄液膜层，这层液膜是通过吸附凝聚、毛细凝聚和（或）化学凝聚作用在金属表面上形成的。金属材料在不直接被雨淋时发生的腐蚀破坏就是潮大气腐蚀的例子。这时，金属表面上有一层连续的电解液膜，因此，在这种情况下，金属会发生电化学腐蚀，腐蚀速度会急剧提高。

金属表面上存在的薄电解液膜层及阴极去极化剂（如氧气等）是影响金属潮大气腐蚀的重要因素。此外，空气中所含的大气悬浮粒子（包括可溶性粒子、不可溶性粒子、惰性粒子等）和污染性气体等也对潮大气腐蚀有很大的影响。

（3）湿大气腐蚀在金属表面存在着肉眼可见的凝结液膜时的腐蚀。在这种情况下，水分在金属表面上已凝聚成液滴，金属表面上存在着肉眼可见的液膜。当空气的相对湿度达到100%时或者当雨水直接落在金属表面上时，就发生这类腐蚀，对应于图1⁃1中的Ⅲ区。此时，氧气通过液膜到达金属表面变得困难，因此，腐蚀速率也逐渐下降。

图1⁃1中区域Ⅳ相当于金属完全浸入电解质溶液中（如液膜的厚度大于1mm以上时）。以电化学机理进行的大气腐蚀一般都是在区域Ⅱ和区域Ⅲ中进行的。当水分以雨、雪等形式直接落于金属表面时，便发生湿大气腐蚀。

应该指出，在实际大气腐蚀情况下，由于环境条件的变化，各种腐蚀形式可以相互转换。当金属试样表面的液膜厚度达到一定程度以上时，就不是大气腐蚀过程了，而是属于本体溶液中的腐蚀过程。而通常所说的大气腐蚀是指在常温下潮湿空气中的腐蚀，也就是只考虑潮大气腐蚀和湿大气腐蚀这两种主要的腐蚀形式。

大气腐蚀：定义与分类

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