什么是金属材料的耐久性?

[拼音]：jinshu cailiao de naijiuxing

[外文]：durability of metallic material

金属材料在使用过程中经受环境的作用，而能保持其使用性能的能力。由于工程中大量使用的金属，如钢材等都易受腐蚀，所以讨论耐久性时，应该着重研究金属腐蚀及其防护方法。金属的腐蚀使工程构筑物的使用期限缩短，并常导致其功能失效而引起事故和造成损害。金属的腐蚀主要是由于电化学作用的结果，在某些条件下，化学以及机械、微生物等因素也能促进腐蚀。

在电化学反应中，电介质液中的阳极是处于较低电位（贱电位），发生氧化反应，金属离子进入液中，产生腐蚀；电子则由导线流向阴极。阴极是处于较高电位(贵电位)，发生还原反应。以铁为例，其阳极反应为Fe→Fe2++2e;阴极反应为;





综合反应为


Fe(OH)1继续与O1反应生成4Fe(OH)3，可能脱水成Fe1O3。上述反应产物的混合物即为铁锈。

金属的电位决定于金属的本性和所处介质的状况。因此，不但不同的金属在相同的介质中具有不同电位，即或同一金属（合金），也由于各部分的化学成分、应力状态等的差异而具有不同电位。而且，同一金属由于各部分所接触的介质的组分和浓度的差异，也使各部分的金属具有不同的电位。所以，建筑金属的腐蚀，在宏观和微观范围内都普遍存在电化学腐蚀的反应。

在金属腐蚀的试验中，常应用电化学方法快速测定相对腐蚀率，如线性极化法就具有较广泛的应用价值，其简化公式为


。由于在腐蚀电位正负10毫伏以内，外加电流Δi1与电极电位ΔE呈线性关系，根据公式可得腐蚀电流i2，进而换算得金属的相对腐蚀率。

（1）均匀腐蚀。金属表面的腐蚀使断面均匀变薄。因此，常用年平均的厚度减损值作为腐蚀性能的指标（腐蚀率）。钢材在大气中一般呈均匀腐蚀。

（2）孔蚀。金属腐蚀呈点状并形成深坑。孔蚀的产生与金属的本性及其所处介质有关。在含有氯盐的介质中易发生孔蚀。孔蚀常用最大孔深作为评定指标。管道的腐蚀多考虑孔蚀问题。

（3）电偶腐蚀。不同金属的接触处，因所具不同电位而产生的腐蚀。

（4）缝隙腐蚀。金属表面在缝隙或其他隐蔽区域部常发生由于不同部位间介质的组分和浓度的差异所引起的局部腐蚀。

（5）应力腐蚀。在腐蚀介质和较高拉应力共同作用下，金属表面产生腐蚀并向内扩展成微裂纹，常导致突然破断。混凝土中的高强度钢筋（钢丝）可能发生这种破坏。

建筑金属大量应用于金属结构、钢筋、管道和板桩等。由于所处环境不同而有不同的腐蚀和防护特点。

（1）大气腐蚀。钢和铸铁大多数是在大气中使用，水汽和雨水会在金属表面形成液膜并溶入O2和CO2而成为电介质液，导致电化学腐蚀。工业大气中含有的各种气体（特别是SO1，常有较高浓度）和微粒也能加剧腐蚀。近海地区的海盐微粒，可在金属表面形成氯盐液膜而具有很强的腐蚀性。铁锈的质地疏松，不能阻止腐蚀的发展。因此，广泛应用有机涂层（主要为油漆）作防护层，也可用金属涂层。在钢中加入少量磷、铜等合金元素，能有效地增强抗大气腐蚀性能。

混凝土中的高碱度环境，有助于钢筋的抗腐蚀能力(pH≥11.5)。如果混凝土存在高渗透性、裂缝、保护层过薄等缺陷，则CO2的侵入可使钢筋周围介质的碱度降低，当pH值降至10以下时，则混凝土的保护作用将失效。Cl-较多时，即使在高碱度的介质中也能导致钢筋腐蚀。常用的防护方法有：提高混凝土的密实性；使保护层的厚度符合规定；不使用对钢筋有腐蚀性的外加剂，或在使用时加入适当的阻锈剂；所使用的水泥和掺合料能使混凝土硬化后保持一定的碱度;采用聚合物浸渍混凝土，或在混凝土表面涂刷如环氧树脂等作防护层。此外，还可采用镀锌钢筋，或在钢筋表面浸涂适当的防护物质。具有耐腐蚀性能的钢筋也在发展中。

铝合金是优良的建筑材料。铝在初期受蚀后形成致密而牢固附着的膜层，从而能有效地阻止腐蚀的发展。应用阳极氧化的处理后，更能形成坚硬、耐磨而有光泽的表面层。

（2）水中腐蚀。碳钢和铸铁在淡水中的腐蚀，因水中所含物质的性质和浓度而有差别。海水是良好的电介质，并含有高的Cl-等物质，故对碳钢和铸铁有很强的腐蚀作用，必须在有效的保护下使用。用于海水中的结构件还常选用不锈钢、铜合金和其他耐腐蚀的金属(合金)。

（3）土壤腐蚀。不同的土壤对建筑金属的腐蚀作用差别很大。土壤对金属腐蚀的性质常用测定其电阻值作为指标，高电阻的干土壤一般腐蚀性不大。地下构筑物，包括管道等，一般都用碳钢和铸铁。

除使用各种涂层外，还常应用极为重要的阴极保护法。

阴极保护法有两种：

（1）用电位比被保护金属(碳钢)为贱的金属，例如镁和锌，作为阳极，与作为阴极的金属构筑物相连接，则阳极受腐蚀，构筑物受保护。此法适用于闸门、地下容器等有限范围的物体。

（2）大体积的构筑物和地下管道，则适宜用外加直流电流进行保护（见图）。以石墨或高硅铁等为隋性阳极接电源正端，以金属构筑物为阴极接电源负端，施加至少与腐蚀电流大小相等、方向相反的电流，构筑物即受到阴极保护。使用时金属构筑物仍应使用保护涂层，以节省费用。

阳极保护法也在发展中，但在土木建筑工程中尚未应用。

参考书目

M.G.方坦纳、M.D.格林著，左景伊译：《腐蚀工程》，第二版，化学工业出版社，北京，1982。(M.G.Fontana，N.D.Greene，Corrosion Enɡineerinɡ，2nd ed.，McGraw-Hill，New York，1978.)NACE，Basic Corrosion Course，NACE，Huston，1970.American Concrete Institute，Corrosion of metals in Concrete，ACI，Detroit，1975.