引言：金屬為什么會“生銹”？

我們生活中隨處可見金屬材料：橋梁、汽車、船只、輸油管道、電器外殼……金屬堅固、耐用，看起來“無堅不摧”，但其實它們也有一個致命弱點——腐蝕。所謂金屬腐蝕，簡單來說就是金屬在空氣、水或其他介質中發生了化學或電化學反應，被“慢慢吃掉”的過程。最常見的就是鐵生銹，不僅影響美觀，還會導致結構強度下降，甚至造成事故。

更棘手的是，不同的環境會導致不同的腐蝕方式。比如海邊的鋼鐵容易被鹽霧腐蝕、埋在土里的金屬會被濕氣和微生物侵蝕、工廠排出的酸性氣體也可能腐蝕設備。金屬腐蝕不僅關系到產品的使用壽命和安全性，更直接帶來巨大的經濟損失。據統計，全世界每年因腐蝕造成的損失高達數萬億美元！所以，了解金屬在各種環境中的腐蝕情況、掌握防腐知識，不僅是工程人員的必修課，也越來越貼近我們的日常生活。

這篇文章將帶你一起盤點——金屬材料在各種環境中是如何被腐蝕的，又有哪些常見對策，讓我們從源頭了解這個“隱形殺手”。

大氣腐蝕特點是金屬表面處于薄層電解液下的腐蝕過程，腐蝕規律符合電化學腐蝕規律。

當金屬表面形成連續的電解液薄層時,大氣腐蝕的陰極過程主要是氧去極化。

鐵、鋅等金屬全浸在還原性酸溶液中,陰極過程主要是氫去極化，城市污染的大氣所形成的酸性水膜下，這些金屬的腐蝕主要是氧去極化腐蝕。

在薄液膜下,陽極過程受較大阻滯，氧更易到達金屬表面，生成氧化膜或氧的吸附膜，使陽極處于鈍態。陽極鈍化及金屬離子化過程困難造成陽極極化。 

當液膜增厚，相當于濕的大氣腐蝕時，氧到達金屬表面有一個擴散過程，腐蝕過程受氧擴散過程控制。 

潮的大氣腐蝕主要受陽極過程控制； 濕大氣腐蝕主要受陰極過程控制。

大氣腐蝕條件不同，銹層成分和結構是很復雜的。Evans認為大氣腐蝕的銹層處在潮濕條件下，銹層起強氧化劑作用,在銹層內陽極反應發生在金屬/Fe3O4界面上：    

陰極反應發生在Fe3O4/FeOOH界面上:

銹層參與了陰極過程，圖2為Evans銹層模型圖。

•由圖可見，銹層內發生Fe3+→Fe2+的還原反應，銹層參與了陰極過程。 

•銹層干燥時，外部氣體相對濕度下降時，銹層和底部基體鋼在大氣中氧的作用下，銹層重新氧化成Fe3+的氧化物，在干濕交替的條件下，銹層加速鋼腐蝕過程。•碳鋼銹層結構一般分內外兩層： 

•內層緊靠鋼和銹的界面上，附著性好，結構較致密，主要由致密的帶少許Fe3O4晶粒和非晶FeOOH構成； 

•外層由疏松的結晶α-FeOOH和γ-FeOOH構成。

銹層生成的動力學如圖3所示，其曲線遵循冪定律；

P—失重量；K—常數；t—暴露時間；n—常數。

工業大氣中的SO2、NO2、H2S、NH3等都增加大氣的腐蝕作用，加快金屬的腐蝕速度． 

石油、煤等燃科的廢氣中含SO2最多，在城市和工業區SO2的含量可達0.1~100mg/m3。 

常用金屬在不同大氣環境中的平均腐蝕速度。

1)空氣很純時,腐蝕速度很小,隨濕度增加僅有輕微增加。

2)在污染的空氣中，空氣相對濕度低于70%時，即便長期暴露，腐蝕速度也是很慢。但SO2有存在的條件下，當相對濕度略高于70%時，腐蝕速度急劇增加。 

3)被硫酸銨和煤煙粒子污染的空氣加速金屬腐蝕。

圖中A-純凈空氣, B-有(NH4)2SO4, C-0.01%SO2, D-(NH4)2SO4+0.01%SO2,  E-煙粒+0.01%SO2。

•污染Air，低于臨界濕度，金屬表面沒有水膜，金屬受化學作用引起的腐蝕，腐蝕速度很小。高于臨界濕度,水膜的形成,電化學腐蝕,腐蝕速度急劇增加。 

•大氣中SO2對不耐H2SO4腐蝕的金屬，如Fe、Zn、Cd、Ni的影響十分明顯。呈直線關系上升。

SO2促進金屬大氣腐蝕的機制

•SO2的腐蝕作用機制是硫酸鹽穴自催化過程。 

•SO2促進金屬大氣腐蝕的機制，主要有兩種方式：

 •一是部分SO2在空氣中能直接氧化成SO3，SO3溶于水形成H2SO4； 

•二有一部分SO2吸附在金屬表面上，與Fe作用生成易溶的硫酸亞鐵，FeSO4進一步氧化并由于強烈的水解作用生成了H2SO4，H2SO4再與Fe作用，按這種循環方式加速腐蝕。 

•整個過程具有自催化作用，即所謂銹層中硫酸鹽穴的作用。

銹層中硫酸鹽穴的作用

•Schwarz：銹層內FeSO4生成機構如圖下所示的模型。銹層的保護能力受其形成時占主導地位的條件影響。如生成的銹層被硫酸鹽侵蝕，銹層幾乎無保護能力。相反,如最初銹層很少受硫酸鹽污染,其保護性較好。

圖5 銹層內FeSO4生成機構

•濕度 

濕度是決定大氣腐蝕類型和速度的一個重要因素。把大氣腐蝕速度開始劇增時的大氣相對濕度值稱為臨界濕度。對于鐵、鋼、銅、鋅，臨界濕度約在70%~80%之間。由圖可見，濕度小于臨界濕度，腐蝕速度很慢，幾乎不腐蝕。若把濕度降至臨界濕度以下，可防止金屬發生大氣腐蝕。

圖6 鐵在質量分數為0.01%的SO2的空氣中經55天后

•大氣成分

地理環境不同，有SO2、H2S、NaCl及塵埃等雜質。它們不同程度地加速腐蝕。特別是SO2。煤、石油燃燒的廢氣中都含有大量SO2, 冬季燃料消耗多，SO2污染更嚴重，對腐蝕的影響也就更大。 

鐵、鋅等金屬在SO2大氣中生成易溶的硫酸鹽化合物，它們的腐蝕速度和大氣中SO2含量呈直線關系上升。 

海洋大氣中含有較多的微小的NaCl顆粒,它們落在金屬的表面上,有吸濕作用,增大了表面液膜層的電導，氯離子本身有很強的侵濁性,因而使腐蝕變得更嚴重。 

大氣中固體顆粒稱為塵埃。其組成復雜，除海鹽粒外，還有碳和碳化物、硅酸鹽、氮化物、銨鹽等固體顆粒。城市大氣中塵埃含量約2mg/m3，工業大氣中的塵埃甚至可達1000mg/m3以上。

塵埃對大氣的影響有以下幾點：

1)塵埃本身具有腐蝕性，如銨鹽顆粒能镕入金屬表面的水膜，提高電導或酸度促進腐蝕。

2)塵埃本身無腐蝕作用，但能吸附腐蝕物質，如碳粒能吸附SO2和水氣生成腐蝕性的酸性溶液。

3)塵埃沉積在金屬表面形成縫隙而凝聚水分，形成氧濃差引起縫隙腐蝕。

防止大氣腐蝕的方法:

1)提高金屬材料的耐蝕性  在碳鋼中加入Cu、P、Cr、Ni及稀土元素可提高其耐大氣腐蝕性能。例如，美國的Cor-Ten鋼(Cu-P-Cr-Ni系低合金鋼)，其耐大氣腐蝕性能為碳鋼的4~8倍。

2)采用有機和無機涂層及金屬鍍層。

3)采用氣相緩蝕劑。

4)降低大氣濕度, 主要用于倉儲金屬制品的保護。

土壤是由土粒、水溶液、氣體、有機物、帶電膠粒和粘液膠體等多種組分構成的極為復雜的不均勻多相體系。因土壤的組成和性能的不均勻，極易構成氧濃差電池腐蝕，使地下金屬設施遭受嚴重局部腐蝕。埋在地下的油、氣、水管線以及電纜等因穿孔而漏油、漏氣或漏水?；蚴闺娦旁O備發生故障。這些往往很難檢修，帶來很大的損失和危害。 土壤腐蝕是一種很重要的腐蝕形式。先進國家，地下的油、氣百萬公里以上，每年因腐蝕損壞而替換的各種管子費用就有幾億美元之多。隨石油工業的發展，研究土壤腐蝕規律，尋找有效的防蝕途徑具有很重要的實際意義。

1)土壤多相性。土壤是由土粒、水、空氣，有機物等多種組分構成的復雜的多相體系。實際的土壤一般是這幾種不同組分按一定比例組合在一起的。

2)土壤導電性。由于在土壤中的水分能以各種形式存在，土壤中總是存在一定的水分，因此土壤有導電性。土壤也是一種電解質。土壤的孔隙及含水的程度又影響著土壤的透氣性和電導率的大小。

3)土壤不均勻性。土壤中氧氣,有溶解在水中，有存在于土壤的縫隙中。土壤中氧濃度與土壤的濕度和結構都有密切關系，氧含量在干燥砂土中最高，在潮濕的砂土中次之，而在潮濕密實的粘土中最少。這正是造成氧濃差電池腐蝕的原因。

4)土壤的酸堿性。

大多數土壤是中性的，pH值在6.0~7.5之間。 •有的土壤是堿性的,如我國西北的鹽堿土pH值為7.5~9.0; •一些土壤是酸性的，如腐殖土和沼澤土pH值為3~6。一般認為pH值越低，土壤腐蝕性越大。

•大多數金屬在土壤中的腐蝕都屬于氧去極化腐蝕。

金屬在土壤中的腐蝕與在電解液中的腐蝕本質是一樣的。

以Fe為例:

陽極過程：  

•陽極反應速度主要受金屬離子化過程難易程度控制。     

•在pH值低的土壤中，OH-很少。由于不能生成Fe(OH)2，Fe2+離子濃度在陽極區增大。在中性和堿性土壤中生成的Fe(OH)2溶解度很小, 沉淀在鋼鐵表面上，對陽極溶解有一定的阻滯作用。土壤中含有碳酸鹽, 可能在陽極表面生成不溶性沉積物，起保護膜的作用。土壤中氯離子和硫酸根離子能與Fe2+離子生成可溶性的鹽，加速陽極溶解。

陰極過程：

•在弱酸性、中性和堿性土壤中，陰極反應主要是氧的去極化作用。

•土壤中的水溶解氧是有限的，對土壤腐蝕起主要作用的是縫隙和毛細管中的氧。

•土壤中的傳遞過程比較復雜，進行得也比較慢。在潮濕的粘性土壤中，由于滲水能力和透氣性差, 氧的傳遞是相當困難的，使陰極過程受阻。當土壤水分的pH值大于5時，腐蝕產物能形成保護層。

這種腐蝕主要指地下管線穿過不同的地質結構及潮濕程度不同的土壤帶時，由于氧濃度差別引起的宏觀電池腐蝕，如圖7。

圖7 管道在結構不同的土壤中所形成的氧濃差電池

工業生產中的腐蝕環境通常更為嚴苛、多變，且腐蝕因素往往是多因素疊加的結果，包括高溫、高壓、強酸強堿、氣體腐蝕、磨損和微生物等聯合作用。因此，腐蝕在工業中常以更復雜、更劇烈的形式存在。

在化工行業中，腐蝕問題尤其突出。生產過程中使用大量的酸、堿、鹽、有機溶劑和氧化劑，這些化學介質對金屬具有強烈的侵蝕作用。以硫酸、鹽酸和氫氟酸為例，它們對碳鋼具有極強的腐蝕性。在溫度升高或濃度變化時，腐蝕速率通常呈指數級上升，容易造成設備內壁穿孔、焊縫失效或密封失效。例如，在磷肥廠的酸解工段，儲存和輸送系統中常發生鹽酸對碳鋼儲罐底部的局部腐蝕，形成肉眼難以察覺的“蝕坑”，最終可能導致介質泄漏或爆裂事故。此外，不銹鋼雖然能在許多酸性介質中形成鈍化膜而展現出較好的耐蝕性，但在含有氯離子的環境中，如鹽酸或海水混合介質中，仍然可能發生嚴重的點蝕甚至應力腐蝕開裂（SCC），尤其是在焊接熱影響區。

石油和天然氣行業則面臨另一類典型的腐蝕環境問題。原油和天然氣中往往含有一定濃度的二氧化碳（CO?）、硫化氫（H?S）和水分，這些成分在一定溫度和壓力下會形成酸性水膜，對金屬管線造成“甜腐蝕”（CO?腐蝕）或“酸性腐蝕”（H?S腐蝕）。二氧化碳在水中生成碳酸，導致碳鋼設備在內壁形成腐蝕產物FeCO?，如果該產物膜不致密或被高速流體破壞，腐蝕反應會持續加劇，導致穿孔。硫化氫則更具危險性，它能滲入金屬晶界，在應力存在的條件下誘發硫化應力腐蝕開裂（SSC），這是管道和井下設備斷裂的主要誘因之一。因此，許多油田必須采用具有更強抗SCC能力的特殊材料，如13Cr鋼、超級雙相不銹鋼或鎳基合金。此外，注入水中也可能因污染和微生物（如硫酸鹽還原菌SRB）活動，導致嚴重的微生物誘導腐蝕（MIC），這類腐蝕常在管道低點、積水區或停流設備中發生，難以檢測，失效往往是突發性的。

電力工業特別是熱電廠中，腐蝕問題同樣是長期難題。在鍋爐系統中，水蒸汽環境溫度高、氧含量低，但對金屬的氧化能力卻極強。水冷壁管常因高溫氧化皮的周期性脫落而導致局部過熱，進而引發應力集中和管壁破裂。同時，飛灰中含有的堿金屬（Na、K）和硫化物會附著在高溫受熱面上形成低熔點腐蝕產物，加速爐管外壁的高溫硫化腐蝕。在冷凝器系統中，尤其是使用海水或循環冷卻水的系統中，金屬管束容易受到含鹽水的點蝕、縫隙腐蝕或氧濃差腐蝕影響。銅合金在這些環境中雖耐蝕，但其腐蝕產物一旦進入系統也可能造成二次污染。因此，一些新建電站已改用鈦管或不銹鋼管替代銅合金材料，并配合化學加藥系統控制水質的pH和氧含量，從而降低腐蝕速率。

在冶金、水泥、礦山等重工業行業中，腐蝕問題更多體現為“腐蝕+磨損”的復合破壞機制。例如選礦車間的溜槽、泵體、攪拌槽等部位，不僅面臨腐蝕性漿體的侵蝕，還受到高濃度礦漿的高速沖刷，導致腐蝕產物難以形成保護層，材料磨損速率遠高于靜態條件下的實驗數據。此類場合常使用堆焊耐蝕合金層、陶瓷內襯或聚合物復合涂層作為防護手段，但使用壽命仍然有限，維修周期頻繁，運維成本高昂。

相比之下，食品與制藥工業雖然腐蝕條件相對溫和，但其對設備材料的衛生性、表面潔凈度及腐蝕后果控制更為嚴格。許多設備需定期使用酸性或堿性清洗劑（如NaOH、HNO?、ClO?）進行CIP清洗，這種交替的酸堿循環、加上清洗死角內殘液的不徹底清除，容易在焊縫或結構縫隙中形成Cl?富集區，進而導致不銹鋼的點蝕甚至縫隙腐蝕。由于產品對金屬離子的溶出高度敏感，設備一旦腐蝕，不僅影響質量，還可能因金屬污染造成整批產品報廢，損失遠高于一般工業設備的故障。

工業環境中的金屬腐蝕問題遠比表面現象更為深刻，它往往是材料性能、介質成分、溫度壓力、流體狀態、微生物活性及工藝管理等多種因素耦合下的結果。因其“不可見、進展快、危害大”的特點，腐蝕防控必須從系統設計階段就引入綜合策略，包括合理的材料選擇、耐蝕結構設計、防腐蝕涂層、腐蝕監測系統、化學控制與運行維護一體化方案。只有這樣，才能在現代工業生產中實現設備長期穩定運行、延長使用壽命、降低維護成本并提升本質安全水平。

在實際工程中，金屬材料的選擇直接決定了結構的耐久性和腐蝕防護的難度。每種金屬或合金在不同環境中都具有特定的腐蝕敏感性與優勢，其腐蝕行為既與材料本身的化學穩定性有關，也受環境中介質成分、溫度、應力、流速等外部因素影響。

腐蝕特性

碳鋼廣泛應用于結構件、管道、壓力容器等場合，價格低廉、力學性能好，但其化學穩定性差，在大多數含氧、水分或電解質的環境中易發生電化學腐蝕。

在大氣、水、土壤、酸性氣體等環境中，碳鋼表現為均勻銹蝕；若存在縫隙、焊縫、涂層缺陷等結構特點，則極易發生點蝕和縫隙腐蝕。

在輸送CO?或H?S氣體的油氣管線中，碳鋼更可能出現CO?腐蝕（形成FeCO?）或酸性腐蝕下的硫化物應力腐蝕開裂。

工程應用及對策

• 必須結合陰極保護、內防腐涂層、緩蝕劑等系統防護

• 在腐蝕性高的場合需選用低合金鋼（如Cr-Mo鋼、Corten鋼）

腐蝕特性

不銹鋼的耐腐蝕性來自于其表面形成的一層富鉻鈍化膜（Cr?O?），在中性甚至弱酸性環境中具有良好穩定性。然而在含氯離子的環境中（如海水、消毒液、清洗液），鈍化膜會被局部擊穿，形成點蝕。

奧氏體不銹鋼（如304、316）還可能在拉應力+Cl?環境下發生應力腐蝕開裂（SCC）。焊接部位由于元素偏析和晶粒粗化，更易發生晶間腐蝕，尤其在高溫處理后未經固溶退火的不銹鋼。

常見類型與差異

工程對策

• 選擇合適的不銹鋼牌號而非“越貴越好”

• 避免焊縫熱影響區應力集中，實施固溶熱處理

• 適用Cl?場合建議使用雙相鋼或超級不銹鋼

腐蝕特性

鋁的表面自然形成一層Al?O?鈍化膜，使其在大氣、水、弱酸環境中具備良好耐蝕性。但在堿性溶液中（如NaOH清洗液）或氯離子富集區，其鈍化膜極不穩定，易被迅速破壞，造成嚴重點蝕和縫隙腐蝕。

在潮濕+溫熱環境下，部分高強鋁合金還會發生“剝落腐蝕”和“晶間腐蝕”，這是由于材料組織中析出的MgZn?等析出相沿晶界聚集，形成腐蝕通道。

工程應用

廣泛用于航空航天、交通運輸、電子殼體等領域，輕質優勢突出，但對結構設計要求高。

防護措施

• 陽極氧化處理提升鈍化膜穩定性

• 避免使用堿性清洗劑或堿性水冷系統

• 結構設計避免積水和縫隙

腐蝕特性

銅在許多自然環境中具有較好耐蝕性，表面可形成Cu?O保護膜，耐點蝕性能強。但在含氨、硫化物或低pH環境中，銅合金極易發生應力腐蝕開裂，尤其在高溫濕熱或閉合縫隙中。

黃銅、青銅等銅合金中的鋅或錫組分可能因脫鋅/脫錫而引起“選擇性腐蝕”。此外，在含有Cl?和氣泡擾動的水流中，銅還會發生汽蝕腐蝕和沖刷腐蝕。

工程應用

常用于換熱器、冷凝器、建筑管道、儀器接頭等場合，尤其在微生物控制與熱導率方面具有優勢。

防護措施

• 禁止用于含氨介質系統（如冷卻塔）

• 加強流體凈化，避免高流速沖刷

• 適當合金化（加鋁、錫）提升整體耐蝕性

腐蝕特性

鈦具有極強的化學惰性，幾乎在所有氧化性環境中都能形成致密的TiO?鈍化膜，耐酸耐鹽，甚至在王水中也能穩定存在。

然而，在某些強還原性介質（如無氧HF、熔融金屬、干氯氣）中，鈦可能發生局部快速腐蝕。此外，鈦在應力作用下，在特定鹵素介質中可能產生氫脆或氯化應力腐蝕。

工程應用

廣泛應用于海洋工程、航天、化工、醫療植入材料等高端領域。

防護建議

• 避免在高溫Cl?氣氛或濃氫氟酸中使用

• 對于植入用鈦材料應確保表面精細拋光+鈍化

• 航空結構中要考慮鈦的氫脆敏感性

  
  

金屬腐蝕問題自人類工業化以來始終存在，盡管已有大量工程經驗和成熟的防護措施，但隨著材料系統的復雜化、應用環境的極端化、工程設備的精密化，傳統的防腐理論與技術正面臨前所未有的挑戰。與此同時，新材料、新技術和新理念的不斷涌現，也正在為金屬防腐領域注入新的活力。

以下是當前金屬腐蝕研究與技術應用中呈現出的幾個主要熱點方向與未來趨勢。