材料腐蚀是一个十分复杂的过程。由于服役中的材料构件存在化学成分、组织结构、表面状态等差异,所处环境介质的组成、浓度、压力、温度、pH等千差万别,且处于不同的受力状态,所以材料腐蚀的类型很多,存在各种不同的腐蚀分类方法。
按照不同的概念、标准或方法,在腐蚀科学的发展过程中,出现过多种不同的腐蚀分类方法。腐蚀是材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产生的损坏或变质现象。因此,腐蚀也包括化学、电化学与机械因素或生物因素的共同作用。从广义上讲,任何结构材料包括金属材料及非金属材料都可能遭受腐蚀。下面按腐蚀环境、腐蚀机理和腐蚀形态分别进行阐述。
按环境可以分为大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀及化学介质中的腐蚀。这种分类方法虽然不够严格,但因为大气和土壤中都含有各种化学介质,所以这种分类方法比较实用,它可以帮助人们按照材料所处的典型环境去认识腐蚀规律。
根据产生腐蚀的环境状态,常见的金属在自然环境和工业环境介质中的腐蚀分类如表3-1所示。
表3-1 常见的金属在自然环境和工业环境介质中的腐蚀分类
根据腐蚀过程的特点,金属腐蚀可以按照化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀三种机理分类。具体的腐蚀类型主要取决于金属表面所接触的介质种类(电解质、非电解质和液态金属)。
(1)化学腐蚀:金属表面与周围介质直接发生纯化学作用而引起的破坏。其反应历程的特点是,氧化剂直接与金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物。在腐蚀过程中,电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的,因而没有电流产生,如金属在非电解质溶液中及金属在高温时氧化引起的腐蚀等。
(2)电化学腐蚀:金属表面与离子导电的电介质发生电化学反应而产生的破坏。其反应历程的特点是,反应至少包含两个相对独立且在金属表面不同区域可同时进行的过程,其中,阳极反应是金属离子从金属转移到介质中和放出电子的过程,即氧化过程;相对应的阴极反应便是介质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子的还原过程。腐蚀过程中伴有电流产生,如同一个短路原电池的工作。这类腐蚀是最普遍、最常见又是比较严重的一类腐蚀,金属在各种电解质溶液中,以及在大气、土壤和海水等介质中所发生的腐蚀皆属此类。另外,电化学作用既可以单独造成腐蚀,也可以和机械作用等共同导致金属产生各种特殊腐蚀(应力腐蚀破裂、腐蚀疲劳、磨损腐蚀等)。
(3)物理腐蚀:金属由于单纯的物理作用所引起的破坏。许多金属在高温熔盐、熔碱及液态金属中可以发生此类腐蚀,如盛放熔融锌的钢容器,铁被液态锌溶解而腐蚀。
根据腐蚀形态可将腐蚀分为全面腐蚀、局部腐蚀及在力学和环境因素共同作用下的腐蚀,常见金属腐蚀按腐蚀形态分类的方法如表3-2所示。
表3-2 常见金属腐蚀按腐蚀形态分类的方法
(1)全面腐蚀:腐蚀分布在整个金属表面,它可以是均匀的,也可以是不均匀的。例如,碳钢在强酸、强碱中的腐蚀属于此类。这类腐蚀的危险性相对较小,当全面腐蚀不太严重时,只要在设计时增加腐蚀裕度就能够使设备达到应有的使用寿命而不被腐蚀损坏。
(2)局部腐蚀:腐蚀主要集中在金属表面某一区域,而表面的其他部分则几乎未被破坏。局部腐蚀有很多类型,如电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀等。
(3)力学和环境因素共同作用下的腐蚀:金属构件通常在应力(内应力、负荷)与环境介质的联合作用下工作,因而金属材料会遭受严重的破坏。由于受力状态的不同,与介质作用造成的腐蚀破坏形态是多样的,常见的如氢致开裂、应力腐蚀、腐蚀疲劳和磨损腐蚀等。
据美国的一些统计资料显示,由金属的局部腐蚀引起事故的比例远远高于全面腐蚀。另外,局部腐蚀比全面腐蚀的危险性大得多。例如,由于氢脆与应力腐蚀具有突发性,所以危害性最大,常常造成灾难性的事故。因此,局部腐蚀的研究受到广泛重视。
对于非金属材料,可以将腐蚀分为高分子材料的腐蚀和无机材料的腐蚀两类。
高分子材料的腐蚀包括化学老化与物理老化,涉及介质的渗透、溶胀与溶解、应力腐蚀断裂、氧化降解与交联、光氧老化、高能辐射降解与交联、溶剂分解反应、取代基的反应、与大气污染物的反应、微生物腐蚀、复合材料的腐蚀。
无机材料的腐蚀包括天然岩石、铸石、陶瓷、玻璃、水泥等的腐蚀。