金屬材料腐蝕

1-4鋼鐵的腐蝕

在金屬材料中，鋼鐵的腐蝕無疑是其中最重要的，因為它使用的范圍很廣，影響也很大；舉凡橋樑、機械、結構物或關系公共工程的建設，無不與鋼鐵材料有關。

基本上，鋼鐵材料的腐蝕現象，主要也是由于化學及電化學因素所引起，而其常見的形式有：直接氧化腐蝕、均勻腐蝕、伽凡尼腐蝕、穿孔腐蝕、間隙腐蝕、應力腐蝕、延晶腐蝕、浸蝕腐蝕、空洞腐蝕和磨擦腐蝕等，由于形式很多包含范圍很多，包含均勻腐蝕、伽凡尼腐蝕、穿孔腐蝕、間隙腐蝕、應力腐蝕、和延晶腐蝕等。

1-4-1直接氧化腐蝕

高溫或缺乏水份的情況下，鐵的腐蝕型態將不同于常溫下的反應，而直接與氧結合，其反應式：

4Fe＋3O2  à 2Fe2O3  氧化鐵

由于氧化鐵并不夠細緻，因此氧氣仍可滲入，并形成FeO（氧化亞鐵）和Fe3O4（四氧化三鐵）等氧化物，這樣的情況在鋼的熱軋或是熱處理時常會發生，稱為鱗皮。

1-4-2均勻腐蝕(Uniform attack corrosion)

當一種金屬置于電介質(或電解質)中，金屬的某部分區域會比其他區域更為"陽極"，而且這些區域的位置會不時移動，有時也會週而復始，這樣的現象使得腐蝕現象在各處均勻發生，稱為均勻腐蝕。這種型態如平常我們所見的鐵生銹即屬之，金屬的高溫氧化或是鎳的成霧狀(fogging)也都是均勻腐蝕的例子。

1-4-3-1 均勻腐蝕的量測

均勻腐蝕的速率，通常可以用幾種單位表示。國內外常用的有：每年侵蝕的公厘mm數、密爾mil數(mpy，mils penetration per year，1mil=1/1000吋=0.025mm)、和英寸數(ipy，inches penetration per year)，但有時由于不易量度，也以損失的重量mdd (milligrams per square decimeter per day)或每年損失的重量再來推估mpy等其它各種數值。以鋼為例，在海水中的腐蝕速率約為25mdd，相當于5mpy。

一般來說，腐蝕的初始速率常較最終速率為大，因此測定腐蝕速率時，要記錄整個過程，以外插法可能會產生很大的錯誤。而材料如果腐蝕速率在1mpy以下為抗蝕性犟(outstanding)，50mpy以上防蝕性轉劣(poor)，在200mpy以上則是無法接受(unacceptable)。

1-4-4 伽凡尼腐蝕(Galvanic corrosion)

這種腐蝕發生于兩種不同金屬或是合金接觸，而能產生伽凡尼電池(Galvanic cell)的情況，常用金屬材料在海水中的伽凡尼電位序。

較具陽極的金屬易受到腐蝕。例如：在海洋工程中，以銲錫（鉛-錫合金）銲接黃銅配件，因為黃銅的電位序較具陰極性，所以銲錫較易受腐蝕。再從合金的觀點來比較，如果電池效應發生在兩相合金上，例如：鋼中具有肥粒鐵相和雪明碳鐵相，則因為肥粒鐵相較陽極性，雪明碳鐵相較陰極性，就會產生電化學腐蝕，因此可以說，幾乎所有的兩相合金其腐蝕抵抗力都較單相金屬為差。

1-4-5 穿孔腐蝕(Pitting corrosion)

金屬元件處于腐蝕環境中，由于位置的不同而使含氧量有濃淡之分，此時含氧濃度高之處為陰極，而含氧濃度低的地方為陽極，因而發生了腐蝕現象，這種電池效應又稱為氧濃差電池（oxygen concentration cell）。而穿孔腐蝕是屬于一種局部腐蝕，它發生的起始位置就都是在含氧濃度不均或是材質不均的位置。金屬置于充氣水中的孔蝕成長情形，它的發生首先是由于孔洞的底部氧不容易補充，缺氧的結果使得金屬發生分解反應MàM++e-，而在孔洞上方的周圍有較高濃度的氧，而發生還原反應O2+2H2O+4e-à4OH-，因此孔洞四周受到保護，而不會腐蝕。這樣的現象如果發生在酸性的溶液中（例如：HCl），溶液中所含的Cl-離子便會向孔洞的位置集中，使得孔洞中的H+濃度增加，而增加陽極的反應速率：

M+Cl-+ H2OàMOH + H+Cl-

結果整個穿孔腐蝕的過程變成為自動催化的現象，而加速了整個腐蝕。

1-4-6間隙腐蝕(Crevice corrosion)

間隙腐蝕特別容易發生在機械元件接合的地方，例如金屬埝圈或是鉚接處。它也是屬于一種電池效應，但是隙縫一般需在特定程度大小的范圍內才會發生，例如：有足夠的寬度可使容易進入，足夠窄使容易可以停滯等，所以在應用上或工程上必須要小心，避免發生足以產生間隙腐蝕的環境。

間隙腐蝕的機構很類似穿孔腐蝕的情況，首先是均勻腐蝕，然后因氧濃淡電池會引起陽極反應(缺氧區)和陰極反應(富氧區)，由于間隙內氧的并無法補充，因此陽極反應會繼續在同一個位置進行，因此產生了嚴重的腐蝕結果。

在不銹鋼發生間隙腐蝕的現象中，有氯離子Cl-存在是一個非常重要的因素，例如：在NaCl溶液中，不銹鋼的間隙腐蝕，是先由于氧濃淡電池所產生，陽極反應在此時生成正離子M+。

Mà M++e-

接著因為缺氧，所以陽極反應持續進行，形成高濃度的M+，并與NaCl溶液中的Cl-，形成M+Cl-。

1-4-7 應力腐蝕(stress corrosion)

應力腐蝕是一種應力與腐蝕相互作用的結果，因為再材料受到局部應力或應力作用不平均時，受到高應力作用的區域會形成陽極，而受較低應力作用的區域則形成陰極，因此作用應力會使得腐蝕作用更為加速稱謂應力電池(stress cells)。

應力腐蝕發生在冷加工的材料時，高度冷加工的區域會較低度冷加工的區域更具陽極性，另外在材料存在裂縫的情況下，也會造成應力腐蝕。所以材料在制造加工的過程，必須藉由熱處理來降低其應力避免腐蝕，或是選用抗應力腐蝕的材料，例如：在海水環境中可以鈦合金以取代不銹鋼。在日常生活中，汽車板金經過敲擊修整后會發生應力不均的現象，因而冷加工的部份較容易腐蝕，此部份必須由降低加工量或確實退火來防范。

1-4-8 延晶腐蝕(Intergranular corrosion)

又稱為粒間腐蝕，是在金屬晶界處發生局部腐蝕的現象。就電化學的觀點來看，由于材料的晶粒為陰極，而晶界一般為陽極，因此在均勻腐蝕的情況下，晶界處的腐蝕性仍稍大于晶粒處，如果在特殊情況下，材料的晶界抗蝕元素又相對減少，延晶腐蝕的現象就會發生。

最顯著的例子莫過于304不銹鋼在銲接過程常發生的情況，這種不銹鋼如果如果加熱或冷卻于450℃~900℃之間(又稱為敏感化溫度)，在晶界就容易析出碳化鉻(Cr23C6)，而使得附近的鉻量不足，發生"貧鉻區"的現象，由于鉻是不銹鋼防蝕的主要元素，加上晶粒與晶界的電池效應，因此可以在短時間內就發生延晶腐蝕的現象。

1-5防蝕的方法

防止腐蝕最有效的方式是藉由暸解腐蝕機構與腐蝕的成因，再找出適當的防蝕方法。如前所述，發生腐蝕的主要原因包括電化學及化學作用，因此如果能阻止或抑制腐蝕的發生，諸如：選用耐蝕或適當處理的材料，使用涂料、腐蝕抑制劑將金屬表面和其環境隔開，大量使用陰極防蝕以防止化學電池的發生，或是使陽極形成鈍化層以保護內部金屬，均是有效的方法。

1-5-1 材料的選擇和處理

選擇適當的材料是防蝕的基本方法，例如：在適當成本考慮下使用不銹鋼或是其他耐蝕材料。

但是這樣的材料也并不一定能防止腐蝕的發生，例如：沃斯田鐵系的不銹鋼料如果經由銲接或高溫緩冷的過程，到達425℃附近，會在其晶界析出碳化鉻，此后此區域將因缺乏鉻而迅速發生腐蝕的現象（此種現象又稱為不銹鋼敏化現象），因此如果使用在這樣的場合，配合適當的處理是必要的。此外，鑄件在冷卻過程發生的偏析現象會形成局部伽凡尼電池作用、材料經過冷加工所亦產生的應力腐蝕現象，都必須經由均質化退火、弛力退火等處理來防治腐蝕的發生。