馮啟睿

（甘肅省蘭州第一中學(xué) 甘肅 730030）

第一次工業(yè)革命以后，金屬材料得到了巨大的應(yīng)用和發(fā)展，鋼鐵的年產(chǎn)量甚至代表了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平。與高分子材料以及陶瓷相比，金屬材料具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、制備工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)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(jīng)濟(jì)，對(duì)于資源和壞境，甚至公共安全方面都會(huì)造成嚴(yán)重威脅[1]。數(shù)據(jù)表明，金屬腐蝕帶來的經(jīng)濟(jì)損耗不可估計(jì)，每年我國(guó)因金屬材料腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失，高達(dá)數(shù)千億美元[2]。不僅如此，金屬材料的腐蝕性嚴(yán)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(zhǎng)期使用過程中因?yàn)閼?yīng)力腐蝕容易裂開，造成井噴甚至爆炸；化工廠儲(chǔ)存乙烯原料的罐子因?yàn)榱蚧镔|(zhì)腐蝕而造成大火引起人員傷亡，波音747客機(jī)斷裂墜毀等等，因金屬腐蝕而造成的傷亡現(xiàn)象屢見不鮮。

金屬腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的過程，發(fā)生腐蝕的本質(zhì)是金屬材料本身與其所處的環(huán)境介質(zhì)發(fā)生不同程度的化學(xué)、電化學(xué)或者物理作用，從而引起材料失去原有屬性的現(xiàn)象。在不同的環(huán)境下，金屬可能發(fā)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(hù)》一書中指出，根據(jù)金屬腐蝕的機(jī)理不同，可以將金屬腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，其中電化學(xué)腐蝕帶來的危害比化學(xué)腐蝕大得多，其實(shí)質(zhì)都是金屬原子被氧化成金屬離子的過程；除了化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕外，研究者[4]又補(bǔ)充了生物腐蝕和物理腐蝕。同時(shí)，由于腐蝕的形態(tài)和環(huán)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(duì)腐蝕速率做了相關(guān)研究，她指出，對(duì)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(dāng)鹽含量過高時(shí)，濕度含量會(huì)相對(duì)降低，此時(shí)，倘若鹽分結(jié)晶時(shí)，反而降低腐蝕速率。馮寧寧也指出，金屬腐蝕速率的重點(diǎn)是水分的產(chǎn)生，當(dāng)水分過多時(shí)，達(dá)到或者超過了特定的相對(duì)濕度，就會(huì)引起電化學(xué)腐蝕，加快反應(yīng)速度。同時(shí)，空氣中常見的的污染物大多都是酸性氣體，它們?cè)谝欢ǔ潭壬弦材軌蚣铀俑g速率。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過利用生活中易得的實(shí)驗(yàn)器材，構(gòu)造了干電池除鐵釘銹的實(shí)驗(yàn)，并揭示其原理，分析了金屬腐蝕的機(jī)理，產(chǎn)生條件以及影響因素，進(jìn)而給出了相應(yīng)的解決措施，希望給后來研究者以啟迪。

一、實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)材料

干電池、導(dǎo)線、生銹的鐵釘、碳棒、小碗、10%的食鹽水。

（二）實(shí)驗(yàn)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(fù)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(jié)果如圖1所示：

圖1:電池除銹實(shí)驗(yàn)前后鐵釘?shù)耐庥^圖片，其中a：實(shí)驗(yàn)前；b：實(shí)驗(yàn)后

（三）結(jié)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(shí)驗(yàn)裝置可知，干電池、電極、電解液構(gòu)成了電解池。其中，生銹的鐵釘與電池的正極相連，通電時(shí)，發(fā)生氧化反應(yīng)：

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

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

（一）內(nèi)因

1.金屬的化學(xué)穩(wěn)定性

金屬的耐腐性好壞首先與金屬的本性有關(guān)。我們可以用標(biāo)準(zhǔn)平衡電極電位來評(píng)定，也等同于材料本身的熱力學(xué)穩(wěn)定性。熱力學(xué)穩(wěn)定性越高，金屬越不易與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，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(xué)穩(wěn)定性低的金屬與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，使其表面能生成致密的氧化膜，進(jìn)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(yè)中，純金屬很少能夠滿足復(fù)雜的工業(yè)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(yōu)良的性能，在耐蝕性上，也與純金屬有不同的地方，具體表現(xiàn)在：

（1）單相合金。單相合金都具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)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(xué)和物理上的不均勻，導(dǎo)致同一合金不同相之間標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定，當(dāng)加入了一些穩(wěn)定的合金成分，如硅元素，其形成的多相結(jié)構(gòu)仍比較穩(wěn)定，較耐腐蝕。

（3）熱處理。不同的熱處理狀態(tài)，得到的材料的組織結(jié)構(gòu)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(tài)。當(dāng)金屬邊、面具有擦傷、縫隙、漩渦等損傷時(shí)，其會(huì)使金屬表面比較粗糙，增大金屬與環(huán)境的接觸面積。這些損傷部位都是腐蝕產(chǎn)生的源頭，使金屬更容易受到腐蝕。

（二）外因

1.環(huán)境的PH值對(duì)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(fā)生反應(yīng)。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(fā)生，腐蝕速度下降，但對(duì)于兩性金屬，如鋁合金，其在強(qiáng)堿性溶液中，腐蝕速度會(huì)再次增加。

2.溶液成分的影響

當(dāng)金屬處于溶液環(huán)境下時(shí)，當(dāng)溶液的成分、濃度不同時(shí)，金屬會(huì)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(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，從而加快腐蝕速度，這也是金屬在高濕、高鹽環(huán)境下難以保護(hù)的原因。

3.介質(zhì)壓力對(duì)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(shí)，一方面很容易產(chǎn)生金屬內(nèi)部的晶格畸變，使原子的活動(dòng)性增加，擴(kuò)散加速，促使金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕；另一方面，壓力增加時(shí)，能夠加快金屬與周圍介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，也能促使腐蝕速率增加。

4.溫度對(duì)腐蝕的影響

金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，其腐蝕速率一般隨著溫度的升高而增加。當(dāng)溫度的升高，電極反應(yīng)擴(kuò)散過程速度增加，從而使電化學(xué)反應(yīng)的控制步驟速度增加，提高電化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)，晚上溫度降低時(shí)，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(chǎn)生腐蝕。

5.介質(zhì)的流動(dòng)速度對(duì)腐蝕的影響

對(duì)于同一種金屬來說，當(dāng)其所處的壞境介質(zhì)不同時(shí)，其腐蝕速率也不同；同樣，同種介質(zhì)流速下，不同的金屬，其腐蝕行為也不相同。例如，在靜態(tài)海水環(huán)境中，碳鋼的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不銹鋼。當(dāng)流速為10米每秒時(shí)，銅合金的腐蝕敏感性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼，主要原因是銅合金表面成膜速度很慢，使其長(zhǎng)時(shí)間與海水接觸，易發(fā)生腐蝕。

三、材料腐蝕的防護(hù)措施

金屬材料腐蝕是材料表面以及界面與環(huán)境發(fā)生作用而引起的破壞，因此目前對(duì)于金屬材料防護(hù)主要從金屬材料本身、壞境以及材料界面三方面進(jìn)行考慮[6-7]。主要的防護(hù)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(hù)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(fā)生腐蝕的物質(zhì)，具有用量較少、見效迅速、成本低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前市面常用的緩蝕劑種類繁多、機(jī)理復(fù)雜。按照緩蝕劑作用區(qū)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(jī)理均為根據(jù)實(shí)際情況抑制某極反應(yīng)來增加另一極的反應(yīng)。按照作用機(jī)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(chǎn)物或者與陰極反應(yīng)的產(chǎn)物，生成沉淀，從而有效修補(bǔ)金屬表面的破損處，阻礙內(nèi)部金屬與環(huán)境的接觸，減緩腐蝕速度。目前緩蝕劑主要應(yīng)用領(lǐng)域是在石油工業(yè)以及工業(yè)循環(huán)水等液體環(huán)境下，而且有時(shí)單獨(dú)使用一種緩蝕劑達(dá)不到良好效果時(shí)，可使用多種緩蝕物質(zhì)協(xié)同使用。

（二）電化學(xué)保護(hù)

電化學(xué)保護(hù)是目前金屬防護(hù)效果較為理想的一種保護(hù)方法。其實(shí)質(zhì)是根據(jù)金屬電化學(xué)腐蝕原理，對(duì)金屬進(jìn)行保護(hù)。按照電極作用原理不同，我們可以將電化學(xué)保護(hù)分為陰極保護(hù)與陽極保護(hù)兩大類。陰極保護(hù)是將金屬構(gòu)件作為電極反應(yīng)的陰極，通過陰極反應(yīng)來消除金屬表面的電化學(xué)不均勻性，從而達(dá)到保護(hù)金屬的目的。通常的作用方式是，將被保護(hù)的金屬設(shè)備與直流電源的負(fù)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(hù)。還有一種陰極保護(hù)的方式，當(dāng)需要保護(hù)某種金屬時(shí)，把某種電位比較負(fù)的金屬與被保護(hù)電位相對(duì)較正金屬構(gòu)件相連接，從而使保護(hù)的金屬構(gòu)件成為腐蝕電池中的陰極，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被保護(hù)的目的。陽極保護(hù)是利用金屬在電解質(zhì)溶液中依靠陽極極化，建立鈍態(tài)的特性而實(shí)施的保護(hù)方法。與外加電流陰極保護(hù)一樣，陽極保護(hù)也使用外加直流電源供電。所不同的地方，被保護(hù)設(shè)備接的的電源正極。保護(hù)原理是當(dāng)金屬與電源正極相連接時(shí)，處于腐蝕區(qū)的金屬將進(jìn)行陽極極化，使其電位向正移至鈍化區(qū)，從而使金屬由腐蝕狀態(tài)變?yōu)殁g化狀態(tài)。其在金屬表面生成一層鈍化膜，使內(nèi)部金屬與外部環(huán)境隔離，從而金屬腐蝕速度降低而得到保護(hù)。陽極保護(hù)的關(guān)鍵，是使被保護(hù)金屬與環(huán)境能建立起可鈍化的體系。因此，對(duì)于陽極保護(hù)來說，得知被保護(hù)金屬的致鈍電流密度，維鈍電流密度，鈍化區(qū)電位范圍是至關(guān)重要的。

（三）表面涂層保護(hù)

工業(yè)生產(chǎn)和生活中的大部分金屬既沒有在液態(tài)環(huán)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(hù)是目前最為常用的金屬材料防護(hù)方法。金屬表面形成保護(hù)性覆蓋層，可避免金屬與腐蝕介質(zhì)直接接觸，或利用覆蓋層對(duì)機(jī)體金屬的電化學(xué)保護(hù)或緩蝕作用，從而達(dá)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(xué)氧化、噴漆等途徑。不同的金屬材質(zhì)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(xué)氧化的方法。然而，無論何種方式得到的涂層，均有結(jié)構(gòu)致密，完整無孔，與機(jī)體有較好的結(jié)合力，在整個(gè)被保護(hù)面上分布均勻等特性。