原來腐蝕發生的原因只是人家元素想要有一個穩定的未來,談金屬腐蝕(1)

(文章取材自網路,作者佚失,但內容經過工作熊整理潤飾)

金屬材料會因為使用、腐蝕、疲勞、時間、環境等種種因素,最終導致不堪使用或稱之為失效(failure)的狀況發生,這樣的結果不但容易造成財損,還可能造成人員傷亡,既增加建造成本,而且還耗費時間。

金屬材料之所以會出現無法再使用的情況,除了肇因於本身強度無法承受負荷所產生的破壞(fracture)之外,其他還有磨耗(wear)、疲勞(fatigue)、腐蝕(corrosion)、輻射損傷(radiation damage)等其他因素,而這其中又以腐蝕對金屬材料的傷害為最大,也最不能預測,影響也最為嚴重,因此認識並防治腐蝕,是學習金屬材料的必備課題之一。







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「生鏽」是專指鐵或鐵合金的腐蝕

「生鏽(rusting)」應該是一種人人熟知的腐蝕現象,它專指鐵(Fe)或鐵合金的腐蝕現象,誰叫人家「鐵」字的中文拆開來是「金、王、哉」呢!金屬中的王者啊!有特權的。

其他的金屬或材料雖然也會發生腐蝕,但不能被稱為生鏽,而腐蝕的過程可以是一種「化學反應(chemical reaction)」,而更多時候則是一種「電化學反應(electrochemical reaction)」,甚至兩種反應同時存在。

何謂「電化學反應」?

所謂電化學反應,簡單的說是金屬間形成了陽極和陰極的電池效應。電化學腐蝕其實與電鍍原理極為相似,都是因為材料本身足以產生電化學反應所導致,兩者的差異,只在於結果的不同。腐蝕是金屬的剝離,電鍍則是金屬的覆層。

冶煉後的金屬會產生氧化只是回歸自然的一種趨勢

就金屬材料的來源而言,金屬材料原本就是從礦石或是金屬氧化物中冶鍊而得,再度轉變為化合物而回歸穩定只是一種自然的趨勢而已,因此金屬材料在某種適當的環境下,不論經由化學或電化學反應方式而發生腐蝕,都只是金屬材料回歸自然的一種現象,而防制腐蝕的積極意義則在於如何提供材料有更長的使用壽命。

在我們的日常生活中,就有許多足以產生電化學反應的環境,例如,不同金屬間本來就具有不同的電位差,如果環境中存在某些電解質溶液,就可以提供其構成迴路的條件,進而發生電化學腐蝕。此外,在高溫、酸鹼等環境因素下,也會加速電化學反應的進行,進而增加腐蝕破壞的程度。

在機械結構的使用上,對金屬材料的選擇不當,或是對腐蝕因素的認識不足,也是助長結構腐蝕的基本因素。因此在探討防腐蝕工程時,必須要了解化學和冶金的基本知識,並且注意防治。

腐蝕現象有時不易被察覺或是不被重視,等到發現已不可收拾

腐蝕通常需要經由一段時間的醞釀才會發生,但是人們往往要等到損害的現象較為顯著時,才會引起注意,而等到破壞造成時,其結果往往已經非常的嚴重。據估計,在美國一年因為腐蝕所造成的直接損失,就約佔其國民生產總額的4%,達到數百億美元之數。在台灣,除了橋梁、建築等公共工程因腐蝕而導致使用壽命降低,近年來在航空器及其他方面,因腐蝕所產生的安全危害與資源、環境的損失也無法估計,絲毫不遜於其他破壞所造成的損失。因此,對於金屬材料的腐蝕機構及防治腐蝕的方法研究,尤其需要特別受到重視。

事實上,除了金屬材料會受到腐蝕外,其他材料也會發生腐蝕,例如塑膠、玻璃、陶瓷材料的化學溶解(chemical dissolution)等,但這裡所討論的腐蝕,主要仍以金屬為範疇,就各種腐蝕現象發生的成因、腐蝕形成、金屬鈍化等加以說明,並提出腐蝕的防治之道。

「腐蝕」的根本原因真的就只是因為人家元素想要回歸自然這麼簡單

自然界中絕大多屬的元素,都有變成氧化物或是形成穩定化合物的傾向,例如,將鐵(Fe)放置於含有水分的大氣環境中,一段時間後就會長出紅棕色的鐵銹,即FeO•OH,這是因為鐵的氧化物所具有的能量比鐵低很多的緣故,所以鐵會由高能量的不穩定狀態趨向於低能量的穩定狀態,自發的進行腐蝕。自然界中除了金、鉑、銀、汞等貴金屬可以單體金屬型態存在外(這點與金屬的活性及氧化還原有關),其他的元素則甚少能以單體金屬的形式存在。

因此當我們從礦石或是氧化物中提煉出所需的工程材料,如鐵、銅、鋁時,它們就開始有了回歸自然穩定的趨勢,在環境許可的情況下,它們就會再度變回金屬化合物,這種現象可說是發生腐蝕的基本原因。再加上環境的因素,例如水氣、高溫、或是酸鹼等化學物質的誘導等,都可能加速引發金屬的腐蝕。如圖一所示鐵礦石經過冶煉成鐵後,與空氣中的氧及水分接觸就會開始有氧化腐蝕的傾向發生。

什麼是元素?原子?分子?

在討論化學時,氧元素、氧原子與氧分子彼此都不同,不能混為一談。

在自然的條件下,原子很少能單獨存在,它們通常會與其他的原子以固定的組成結合成分子,比如氧氣就是由兩個氧原子結合而成,而水分子則是由一個氧原子與兩個氫原子結合而成。


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