工程材料长期抵抗各种内外破坏因素或腐蚀介质的作用，保持其原有性质的能力称为工程材料的耐久性。工程材料的耐久性是工程材料的一项综合性质，一般包括耐磨性、耐水性、耐热性、耐光性、抗老化性、耐蚀性、耐沾污性等。工程材料的组成和性质不同，所处的工作环境不同，所制成的部件的重要性不同，则对工程材料耐久性项目及耐久性时间的要求也不同。如在潮湿环境下工作的材料则要求材料具有一定的耐水性；北方地区在室外工作或使用的材料须具有一定的抗冻性和耐光性；地面用的装饰材料须具有一定的硬度和耐磨性。耐久性寿命的长短是相对的，如花岗石要求其耐久性寿命为数十年至数百年以上，而对质量好的外墙涂料则要求其耐久性寿命为10～15年。
1.影响工程材料耐久性的主要因素
（1）外部因素 是影响耐久性的主要因素，外部因素主要有：
1）化学作用，包括环境中及工作时接触的各种酸、碱、盐及其水溶液，还有大气中各种腐蚀性气体，对工程材料都有化学腐蚀作用。
2）物理作用，包括光、热、电、温度差、湿度差、干湿循环、冻融循环、溶解等，可使材料的结构发生变化，如内部产生微裂纹或孔隙率增加。
3）生物作用，包括菌类、昆虫等，可使材料产生腐朽、虫蛀等而破坏。
4）机械作用，包括冲击、疲劳载荷、各种气体、液体及固体引起的磨损与磨耗等。
实际工程中，工程材料受到的外界破坏因素往往是两种以上因素同时作用。金属材料常由化学和电化学作用引起腐蚀和破坏；无机非金属材料常由化学作用、溶解、冻融、风蚀、温差、湿差、摩擦等某种因素或综合作用而引起破坏；有机材料常由生物作用、溶解、化学腐蚀、光、热、电等作用而引起破坏。
（2）内部因素 也是造成材料耐久性下降的根本原因。内部因素主要包括材料的组成、结构与性质。当材料的组成易溶于水或其他液体，或易与其他物质发生化学反应时，则材料的耐水性、耐化学腐蚀性较差；无机非金属脆性材料在温度剧变时，易产生开裂，即耐急冷急热性差；晶体材料较同组成的非晶体材料的化学稳定性高；当材料的孔隙率，特别是开口孔隙率较大时，则材料的耐久性往往较差。
下面将金属和非金属的老化（锈蚀）原理分别加以介绍：
材料腐蚀是一种自然现象，有其客观规律。金属是导体，腐蚀时多以金属离子溶解进入电解液的形式发生，因此在多数情况下可以用电化学原理加以解释。
1）金属锈蚀的基本原理：金属锈蚀是指金属与周围介质接触，发生化学作用或电化学作用引起的破坏现象。按照金属锈蚀的机理，锈蚀可分为化学锈蚀与电化学锈蚀两种类型。一般的金属制品主要是电化学锈蚀。
①金属化学锈蚀：化学锈蚀是指金属在干燥气体或无电解质存在的环境中，受外界介质作用直接发生化学反应而引起的腐蚀。它的特点是腐蚀过程中无电流产生，腐蚀产物直接生成于反应的表面区域。这种腐蚀产物薄膜即氧化膜盖住金属的表面之后，能在一定程度上降低金属与介质的反应速度。如果形成的膜很紧密、很完整，能把金属和介质隔开，阻碍它们互相接触，保护金属不遭受进一步的腐蚀，例如铝和氧化合成Al2O3，薄膜紧密完整，保护性好，形成了一层表面保护膜，降低了金属的腐蚀速度，金属在高温下的氧化和在常温下干燥环境中受气体如O2、SO2、H2S、HCl等的作用，都属于化学腐蚀。在高温时，化学腐蚀比较明显，在常温下化学腐蚀就不是主要的了。
②金属的电化学锈蚀：金属与电解质溶液或潮湿空气作用，发生原电池或微电池作用，有电流产生的腐蚀过程称为电化学腐蚀（锈蚀）。
当两种金属置于电解液中，表面形成不同的双电层，组成了电池的正、负极，其电极电位不同，负电性较强的金属离子从阳极进入溶液，金属阳离子就与电解质溶液中的阴离子结合，阳极金属即被腐蚀。而溶液中的阳离子趋向正电性较强的阴极，与电子结合而放电。类似的这种形式称之为腐蚀原电池。
形成腐蚀原电池应具备三个条件，即：不同金属或金属不同部位存在电位差；具有电位差的金属处于相连通的电解质溶液中；不同电位的两部分金属间要有导体相接。
当一种金属置于电解液或潮湿空气中，并未与其他金属相接触也会发生锈蚀现象。这是因为金属并非绝对纯净，有其他成分或杂质，当有电解液时，就形成了腐蚀电池，称为微电池。它是由金属表面的电化学不均匀性引起的。在潮湿空气中，金属的破坏主要是在极薄的水膜下发生的。这时金属表面电解液膜的形成，主要是水蒸气在金属表面的凝聚，空气中的SO2、H2S、HCl、CO2、NH3等均可溶于水膜中形成电解液，加剧金属锈蚀。
大气腐蚀的特点：空气中氧通过金属表面的水膜，比完全浸于水中容易得多，水膜越薄，氧越易通过它达到阴极，金属越易锈蚀，以铁为例，其腐蚀的反应式为：
生成物氢氧化铁和氢氧化亚铁的混合物即铁锈。
2）影响金属锈蚀的外界因素：金属锈蚀是金属与环境互相作用发生电化学腐蚀的结果。因此，金属本身的特征和环境中的因素两方面共同影响金属的腐蚀过程。由于本书在此讨论的是材料的应用，故不研究金属本身的特征对腐蚀的影响，只讨论大气因素对金属腐蚀的影响。
①空气的相对湿度和温度的影响：空气的相对湿度对腐蚀的影响较大，当相对湿度较低时，金属腐蚀很慢，随着湿度的增加，腐蚀速度增加得并不快，但当相对湿度逐渐增加到一定值（称临界相对湿度，简称临界湿度）时，金属的腐蚀速度急剧加快。
温度对金属腐蚀的影响不是孤立的，同时也受到相对湿度的影响，一般当相对湿度低于临界湿度，或低于65％时，温度对金属腐蚀的速度影响不大。无论在什么温度下金属腐蚀的速度都很小；但当相对湿度在临界湿度以上时，温度对腐蚀的影响就相当大。在温差变化大的情况下，温度对腐蚀的影响更显著。由于温度大幅度下降，在金属制品表面产生凝露，这将加速金属腐蚀。因此，对于昼夜温差大，室内外温差大或炎热多雨的场合，金属产品最易生锈。
②氧气对金属腐蚀的影响：氧气和水一样，是金属在大气中腐蚀的必要因素，缺少其中之一，金属就不会被腐蚀。
3）其他因素对金属腐蚀的影响：大气中除氧和水分外，其他因素如海洋盐雾、工业烟尘等均会加速金属的腐蚀。
大气环境中燃烧及工业生产中产生的SO2对金属腐蚀的影响极大，尤其对钢铁腐蚀影响更大。如果铁的表面十分清洁，并且空气也很清洁，其临界相对湿度就接近100％，但如果空气中含有万分之一的SO2，其临界湿度就下降到70％。SO2与铁反应生成硫酸铁，使铁腐蚀，而腐蚀产物生成的水解物硫酸，又能继续腐蚀铁，可见大气中的SO2对金属的腐蚀是相当严重的。
氯化物来自工业大气污染、手汗及海洋盐雾。由于氯离子的体积很小，能穿透金属表面的保护膜，同时取代保护膜中的氧，使钝化的保护膜变为可溶性的氯化膜，加速金属腐蚀。
大气中的尘埃、微粒落在金属表面，由于它们吸湿能力很强，会形成水滴或水膜，且还会进一步吸附其他物质从而加剧金属腐蚀。
一般金属在工业大气、城市大气与海洋大气中腐蚀较快，而在农村大气中腐蚀就较慢。因此，在设计金属制品时，应充分考虑金属产品流通区间的气象条件和环境特点。
4）非金属材料的老化：非金属材料是非导体（个别除外），其腐蚀规律很难用电化学原理来说明。对于非金属材料而言，无论是无机非金属材料，还是有机高分子材料，其腐蚀特征都是环境介质向材料内部扩散渗透，同时非金属材料的某些组分由其内部向外扩散迁移，进而发生材料组分的溶出，有时还生成溶胀性物质，使非金属材料劣化变质。
硅酸盐玻璃在常压下，气体和液体都可通过扩散渗透而浸入玻璃，并通过化学反应破坏硅氧骨架，同时玻璃组分中的某些阳离子也通过迁移扩散而与外界进行交换，进而引起玻璃的化学腐蚀。硅酸盐水泥制品在侵蚀性的酸、强碱、硫酸盐和水作用下，使水泥制品的组分溶出（包括物理和化学的）或生成溶胀性物质，进而使水泥制品结构发生破坏。
塑料常以耐腐蚀性优良而著称，但塑料并不是不腐蚀的。塑料的腐蚀有化学侵蚀、溶解、渗透和老化四类。化学侵蚀导致聚合物分子键的不可逆断开，如20％硝酸对尼龙66的化学侵蚀；溶解虽属物理作用，不会改变聚合物链状结构的化学组成，但溶解却使塑料性质发生变化，如丙酮溶解有机玻璃；渗透是塑料吸收液体、气体或蒸汽的能力，这种吸收可能是物理或化学的作用，结果引起塑料的溶胀，如聚酰胺类塑料吸水会发生溶胀，影响其电性能等；高聚物的老化是由于环境中各种物理、化学及生物因素的作用，致使聚合物结构发生变化，使性能劣化或失效。导致老化的环境介质有物理因素如阳光、紫外线或其他辐射。化学因素如空气中氧、臭氧、水、酸、碱、盐及有机溶剂等，生物因素（微生物）以及加工成型时的热和机械力作用。老化造成的结构变化之一是相对分子质量下降，称为“降解”，这时聚合物变粘、变软、力学性能大为劣化；之二是分子链发生交联，这时聚合物变硬、变脆、开裂、丧失弹性，其他性能也随之劣化失效。
木材、植物纤维、天然橡胶、亚麻布、纸张以及含纤维素的塑料等有机材料，在潮湿环境介质中常因真菌、昆虫、细菌等作用引起微生物腐蚀。据报道，东南亚地区从电气绝缘材料中分离出670种不同霉菌，其中较多的是黑曲霉、黄曲霉、杂色曲霉、球毛壳菌及青霉菌等。它们在一定温度、湿度和养料下，就可以赖以生存和繁殖，由这些非金属材料制成的设备就会出现故障或受到损坏。此外，某些非金属材料在空气中由于物理和化学的作用而发生风化变质，如硅酸盐水泥在储存中常因风化而结块，降低其水硬性。对于多孔性材料，如水泥制品和木材等，当处在冻融循环和干湿循环的介质条件下，常使材料体积发生变化，性能下降。
2.材料的腐蚀防治
金属中常用的防治腐蚀的方法主要是通过使用防锈剂，品种主要有以下几种：
（1）防锈水 将一定量的水溶性防锈剂溶解于水中所制得的具有防锈能力的水溶液称防锈水。
防锈水对金属的保护原理，大致可分为以下三种情况：
1）防锈剂与金属作用，在表面生成不溶性的、致密的氧化膜，抑制了金属的腐蚀，但在使用这类防锈剂时，要注意防锈剂的用量要足，要使其在金属表面能形成完整的氧化物膜，否则，未被遮盖的部分腐蚀电流密度增大，会引起局部腐蚀加剧。所以这类防锈剂又称危险防锈剂。亚硝酸钠、重铬酸钠等就属于这类防锈剂。
2）金属与防锈剂作用生成难溶性盐类，将金属与腐蚀介质隔开，从而达到保护金属的目的。碱金属的磷酸盐、碱金属的硅酸盐对铁的防护作用就属于此类型。(www.xing528.com)
3）金属与防锈剂生成难溶性络合物，覆盖于金属表面，达到防锈的目的。苯骈三氮唑对铜的保护即属此类型。
用于制造防锈水的无机水溶性防锈剂常用的有亚硝酸钠，用于铁的防锈；铬酸盐及重铬酸盐，用于铜、铝、锌、镁及合金制件的防锈；水溶性磷酸盐如六偏磷酸钠、磷酸钠、磷酸二氢钠等，它们对钢、铸铁和铝有防锈作用，但对铜等却有促进腐蚀的作用；硅酸钠用于钢、铸铁、锡、锑、铝等金属及其焊接、铆接制件。以上几种无机防锈剂若几种混合使用，可以达到多功能防锈的作用，效果会更好。此外，偏铝酸钠也可以作为铸铁防锈剂，但它在50℃以上使用时，是危险防锈剂。
大多数无机防锈剂只有在碱性介质中才能保护金属，在酸性介质中将成为腐蚀促进剂。所以，应在水溶液中加入少量碳酸钠，以调节防锈水的pH值。
有机水溶性防锈剂有苯甲酸钠和苯甲酸铵，适用于钢、铁和铜的防锈；单乙醇胺和三乙醇胺适用于钢铁防锈；尿素也适用于钢铁的防锈，它们也可互相配合或与无机防锈剂配合使用。此外，苯骈三氮唑可用于铜及铜合金制件的防锈。
（2）防锈油、乳化型防锈液及防锈脂
1）防锈油是在矿物油中加入油溶性防锈剂及其他助剂制得的一种防锈材料。防锈油取材较容易，防锈效果较好，成本也低，是使用最广的一种防锈材料。
防锈油的防锈作用是由防锈剂和基体油两部分共同贡献的。油溶性防锈剂的分子是由两部分组成的，一部分是长链烃基，它能使整个分子溶于油，另一部分是使化合物具有保护性的官能团，如硝基、磺酸基、氨基、羧基、酯基等。油溶性防锈剂的保护性基团在金属表面被吸附，吸附后金属的离子化倾向下降，从而减少了电化学腐蚀。另外，吸附层能使侵蚀介质与金属表面隔离，而基体油在油溶性防锈剂吸附少的区域也进行物理吸附，并进入到油溶性防锈剂中间去与之一起形成完整的吸附膜，使吸附不牢的防锈剂分子不易脱落，基础油还能与防锈剂一起形成缔合物，保障膜具有一定的厚度。
防锈油所使用的油溶性防锈剂主要有石油磺酸盐，如石油磺酸钡、钙类；硬脂酸、环烷酸及它们的皂类；羊毛脂、单油酸季戊四醇酯等酯类以及油酸二环己胺、磺酸胺盐等胺类，它们可单独使用或互相配合使用。
基体油则根据防锈油的用途选择，通常选择矿物油，如机油、变压器油、高速机油、某些型号的汽油等。轻质油属低粘度油，凝固点在-60℃左右，多用于精密仪器的防锈；中质油最低使用温度为-200℃，多用于一般仪器及武器的防锈；重质油属高粘度油，用于大型设备的防锈，在常温下使用。
防锈油中还可加入粘度调节剂来使基体油具有适当的粘度。加入降凝剂，用来降低油的凝固点，使其适应于产品所处的环境。
2）将防锈油用水稀释，并加入乳化剂、水、油溶性防锈剂及助剂就可制得乳化型锈液。
乳化型防锈液常用低、中粘度的基础油，所用的乳化剂有各种磺酸盐类，如十二烷基磺酸钠、十四烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十二醇磺酸钠等；三乙醇胺；脂肪酸与多羟基醇所生成的醚，如聚氧乙烯辛烷基酚醚、聚氧乙烯壬烷基酚醚等。
乳化液中加入的水油溶性防锈剂有石油磺酸钡、十二烯基丁二酸、环烷酸锌等，它们具有足够长的烃基，使之能溶于矿物油，又因有极性大的基团，而具有良好的亲水性和乳化性。为提高防锈能力，还可加入一些水溶性防锈剂，如亚硝酸钠，三乙醇胺等。
当用动、植物作乳化剂原料时，高温或长期使用易于生霉，此时可加入防霉剂。为保证生产、储存、使用时的方便，还可加入稳定剂、助溶剂、消泡剂等助剂。
3）若将油溶性防锈剂加入到工业凡士林中，再加以适当抗氧剂、分散剂，用一定的润滑油稀释混合均匀即可制成防锈脂。
（3）溶剂稀释型防锈油 这是一种挥发性溶剂稀释的防锈油或油脂。它施涂方便，可以直接喷涂、刷涂或浸涂。刷涂后，当其中的溶剂挥发后，可在金属表面获得比普通的防锈脂和防锈油都薄的油膜。
根据油膜的材料不同，可将溶剂稀释型防锈油分成软膜型和硬膜型两种，油膜由油、油脂或蜡、蜡状物构成的叫软膜溶剂稀释型防锈油，所用防锈剂为一般油溶性防锈剂，溶剂可用石油溶剂、石脑油、石油醚、二甲苯等。
由沥青、松香、乙基纤维素、酚醛树脂等构成油膜的叫硬膜溶剂稀释型防锈油，所用防锈剂与软膜相同，常用溶剂有石油溶剂、甲苯、二甲苯及混合溶剂。
软膜油的特点是在金属表面易成膜，流失少但不易除去，防锈期较短；硬膜油的成膜保护性好，膜层薄，表面光滑不粘，夏不流冬不裂，施工方便。使用前可用汽油、煤油、二甲苯等除去金属表面的油膜。所以这一类油还有一个施工时污染环境、使用时要除膜的缺点。
另一类溶剂稀释型防锈油是人汗置换型防锈油，它所用的溶剂主要是低粘度的煤油或汽油，这样可以形成较薄的油膜，所使用的防锈剂主要是磺酸盐类，其特点是具有比水强的吸附能力，因而具有水置换性，能置换出已粘附在金属表面的手汗。一般在金属制品封存之前，先用置换型防锈油置换掉金属表面的水、人汗及污物，以防构成腐蚀电池。
（4）气相防锈剂 是具有气化性的液体或固体的金属腐蚀抑制剂的总称，又叫挥发性缓蚀剂。
气相防锈剂具有很高的饱和蒸汽压，在常温下能慢慢挥发，挥发出来的气体对金属表面起保护作用。因此，使用时无须与被保护物直接接触即可起到防锈效果。气相防锈剂挥发出来的气体无孔不入，可到达一般防锈剂不易涂到的缝隙、不通孔、死角等处，且包装起封后不需去掉防锈剂即可使用，故用于异型复杂的零部件及设备尤其合适。气相防锈剂应用时要求包装的密封性要好，否则有效防锈成分会散失，达不到预期的防锈效果。
气相防锈剂应具备下列条件：
1）常温下要有一定的蒸汽压，以保证适当的挥发速度。
2）蒸汽要有一定的扩散速度，能较快地充满包装空间。
3）化学稳定性好，在使用时不分解、不变质；能溶于油、有机溶剂或水，以适应不同包装技法的要求。
气相防锈剂的种类很多，如有机酸、有机胺和无机胺的胺盐等，其中后两类最有效，如尿素、单乙醇胺、苯甲酸胺、二环己胺、六次甲基四胺、环己基苯甲酸胺、亚硝酸二环己胺等，它们对钢有较好的防锈效果。邻硝基酚二环己胺等对铸铁有防锈效果，苯骈三氮唑可用于铜的防锈。
气相防锈剂对金属的保护作用，主要表现在：在金属表面起阳极钝化作用，阻滞阳极的电化学过程；带有较大非极性基的有机阳离子，如亚硝酸二环己胺的阳离子的定向吸附，在金属表面形成疏水性膜，起到了阻隔腐蚀介质、降低金属电化学反应能力的作用；与金属表面结合成稳定的络合物，增加金属表面电阻而保护金属；与水作用后能提高介质的pH值，降低腐蚀速率；使包装空间的相对湿度降到临界值以下。
气相防锈剂的主要使用形式有：
1）固体形式，将气相防锈剂直接洒于金属表面后密封包装；将粉末盛于有透气性的布袋或纸袋内，或将粉末压成片剂，置于包装内金属制品周围。一般与金属表面距离不大于30cm。用量一般每立方米不低于30g。
2）浸渍或涂覆形式，将气相防锈剂制成水溶液或将其溶于有机溶剂中，然后用此溶液浸渍或涂刷在纸、布表面，干燥后即制得气相防锈纸或布。使用时将涂有防锈剂的一面向内包装金属制品，外层再用石蜡纸、金属箔、塑料袋或复合材料密封包装；若包装空间过大，可添加适量防锈纸片或粉末。
3）制成气相防锈塑料薄膜，可以在气相缓蚀剂溶液中加入塑料用粘合剂，然后将其涂覆在塑料薄膜上，或将气相防锈剂与树脂一起成型制成气相防锈薄膜或包装容器。它们的特点是透明、美观、使用方便，可热焊封，有长期稳定的防锈效果。
无论何种气相防锈方法，都必须配以密封性较高的外包装材料。包装时包装内相对湿度要低，必要时可辅以干燥剂，并防止光、热作用或与酸、碱接触，以免防锈剂分解失效。
（5）可剥离防锈涂料 又叫临时封存涂料。使用时将这种涂料涂到金属制品的表面，形成一层完整的透明薄膜。这种膜使金属表面与外界隔绝，并起到防腐蚀作用，还能防止金属表面受到机械损伤。塑料薄膜不直接粘附金属表面，而被析出的一层油膜隔开，待完成防护作用后，可将这层薄膜剥掉，不影响金属产品的使用。
可剥离防锈涂料与上述几种防锈材料比，具有涂膜柔韧性好，机械强度高。耐磨性好、防锈期长、耐候性好、使用方便等优点。
可剥离防锈涂料是以高分子树脂为成膜材料，并配以矿物油、防锈剂、增塑剂、稳定剂等。常用的成膜树脂有过氯乙烯、乙基纤维素、醋酸丁酸纤维素、聚苯乙烯等。
（6）非金属材料的腐蚀防治 从广义上讲，非金属材料如陶瓷、玻璃、塑料等都具有较好的化学稳定性。某些陶瓷、塑料甚至比贵金属或不锈钢的耐蚀性还好。但是由于环境介质的多样性和非金属材料组成结构与构造的复杂性，致使非金属材料不可能在任何环境介质下都能具有耐腐蚀的性能。目前，对非金属材料腐蚀的研究无论在深度和广度上远不及金属。为提高非金属材料在环境介质下的稳定性，今后应加强非金属材料的腐蚀研究。
鉴于非金属材料腐蚀的防治方法很多，大多数的腐蚀防治是从内因和外因两个方面着手。如硅酸盐玻璃在组分上降低碱金属氧化物的含量，则可提高玻璃的化学稳定性；硅酸盐水泥在矿物组成上降低铝酸三钙的含量，就可改善水泥的抗硫酸盐侵蚀性能，木材在使用和储存中，使其处于干燥（或饱水）状态下，可以有效防止菌类对木材的腐蚀和昆虫的蛀蚀。木材防腐还可采用化学防腐剂（如五氯酚钠、CCA防腐剂等）；有机高分子材料在组成上通过添加稳定剂等手段可以提高聚合物在环境介质条件下的稳定性。了解材料劣化变质的内外原因及其变化规律，对提高材料的使用价值，保证工程的耐久性都具有一定的意义。
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