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金属腐蚀实验指导书
金属腐蚀与防护实验
陈颖敏 编
华北电力大学
2006年6月
目 录
实验部分
实验1腐蚀试样的制备电化学试样的制备………………………………………2
实验2恒电位法测定阳极极化曲线…………………………………………………3
实验3塔菲尔直线外推法测定金属的腐蚀速度……………………………………5
实验4失重法测定金属的腐蚀速度…………………………………………………7
实验5线性极化法测定金属的腐蚀速度……………………………………………10
实验6电位-pH图的应用………………………………………………………………12
实验7动电位扫描法测定金属的阳极极化曲线……………………………………14
实验8电偶腐蚀速度的测定…………………………………………………………15
实验9闭塞电池腐蚀模拟实验………………………………………………………17
演示实验部分
实验1腐蚀原电池……………………………………………………………………18
实验2原电池的极化…………………………………………………………………19
实验3钢在硝酸中的钝化……………………………………………………………20
实验4缓蚀剂的缓蚀效果……………………………………………………………21
实验5阴极保护——牺牲阳极法……………………………………………………22
附录1CR-3型多功能腐蚀测量仪的使用方法……………………………………………23
附录2PS-1型恒电位/恒电流仪的使用方法……………………………………………26
综合实验部分
锈蚀碳钢磷化及磷化膜性能检验试验………………….……………………………………….30
附录一……………………………………….………………………………………….34
附录二…………………………………………………………………………………………….42
附录三…………………………………………………………………………………………….45
附录四…………………………………………………………………………………………….46
实 验 部 分
实验1 腐蚀试样的制备电化学试样的制备
一、目的
学会一种用树脂镶制电化学实验用的金属试样的简易方法和焊接金属样品的方法。
二、材料和药品
金属试样
具有塑料绝缘外套的铜管
塑料套圈
金属砂纸
电烙铁
焊油
焊锡丝
玻璃板
玻璃棒
烧杯
托盘天平
乙二胺
环氧树脂
三、实验步骤
1．焊接金属样品
将金属试样的所有面金属都用砂纸打磨光亮，用水冲洗干净后待用。
2．给电烙铁通电加热，待电烙铁尖端呈红色时，蘸少许焊油且接触焊锡丝待焊锡丝熔化后，将带塑料套圈的铜杆焊在金属试样上。
3．将锯好的5mm厚的塑料套圈打磨平整待用。
4．称取100g环氧树脂于烧杯中，再称取5～8g固化剂乙二胺也倒入该烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后把塑料圈放在光滑的玻璃板上，将金属试样放在塑料圈内中央部分。
5．把配制好的环氧树脂倒入摆好金属试样的塑料圈内。
6．24h固化好金属试样可以进行磨制、抛光。
四、注意事项
1．焊接金属试样时，因电烙铁尖端部位的温度最高，要用尖端部位进行焊接。
焊接时，要先在金属试样上焊上点焊锡丝，再将铜杆尖端也焊上些锡丝，然后把2个锡点进行焊接，这样，即容易焊上又容易焊牢。
2．不要触摸电烙铁及金属部分，以免烫伤。
实验2 恒电位法测定阳极极化曲线
一、目的
1．了解金属活化、钝化转变过程及金属钝化在研究腐蚀与防护中的作用。
2．熟悉恒电位测定极化曲线的方法。
3．通过阳极极化曲线的测定，学会选取阳极保护的技术参数。
二、基本原理
测定金属腐蚀速度、判断添加剂的作用机理、评选缓蚀剂、研究金属的钝态和钝态破坏及电化学保护，都需测量极化曲线。
测量腐蚀体系的极化曲线，实际就是测量在外加电流作用下，金属在腐蚀介质中的电极电位与外加电流密度（以下简称电密）之间的关系。
阳极电位和电流的关系曲线称为阳极极化曲线。
为了判断金属在电解质溶液中采用阳极保护的可能性，选择阳极保护的三个主要技术参数–––致钝电密、维钝电密和钝化电位（钝化区电位范围）。
必须测定阳极极化曲线。
测量极化曲线的方法可以采用恒电位和恒电流两种不同方法。
以电密为自变量测量极化曲线的方法叫恒电流法，以电位为自变量的测量方法叫恒电位法。
一般情况下，若电极电位是电密的单值函数时，恒电流法和恒电位法测得的结果是一致的。
但是如果某种金属在阳极极化过程中，电极表面壮态发生变化，具有活化/钝化变化，那么该金属的阳极过程只能用恒电位法才能将其历程全部揭示出来，这时若采用恒电流法，则阳极过程某些部分将被掩盖，而得不到完整的阳极极化曲线。
在许多情况下，一条完整的极化曲线中与一个电密相对应可以有几个电极电位。
例如，对于具有活化/钝化行为的金属在腐蚀体系中的阳极极化曲线是很典型的。
由阳极极化曲线可知，在一定的电位范围内，金属存在活化区、钝化过渡区、钝化区和过钝化区，还可知金属的自腐蚀电位（稳定电位）、致钝电密、维钝电密和维钝电位范围。
用恒电流法测量时，由自腐蚀电位点开始逐渐增加电密，当达到致钝电密点时金属开始钝化，由于人为控制电密恒定，故电极电位突然增加到很正的数值（到达过钝化区），跳过钝化区，当再增加电密时，所测得的曲线在过钝化区。
因此，用恒电流法测不出金属进入钝化区的真实情况，而是从活化区跃入过钝化区。
碳钢在NH4HCO3-NH4OH中就是在阳极极化过程中由活化态转入钝态的。
用恒电位法测定其阳极极化曲线，正是基于碳钢在NH4HCO3-NH4OH体系中有活化/钝化转变这一现象，并可对设备进行阳极保护。
三、仪器及用品
恒电位仪
极化池
饱和甘汞电极
铂金电极
A3钢电极
粗天平
量筒1000mL；100mL
烧杯1000mL
温度计
电炉
NH4HCO3及NH3·H2O,无水乙醇棉，水砂纸。
四、实验步骤
1．溶液的配制
（1）烧杯内放入700mL去离子水，在电炉上加热到40℃左右，放入160gNH4HCO3，搅拌均匀，然后加入65mL浓NH3·H2O。
（2）将配制好的溶液注入极化池中。
2．操作步骤
（1）用水砂纸打磨工作电极表面，并用无水乙醇棉擦试干净待用。
（2）将辅助电极和研究电极放入极化池中，甘汞电极浸入饱和KCl溶液中，用盐桥连接二者，盐桥鲁金毛细管尖端距离研究电极1～2mm左右。
按图1连接好线路并进行测量。
（3）测A3钢在NH4HCO3-NH4OH体系中的自腐蚀电位约为-0.85V,稳定15min，若电位偏正，可先用很小的阴极电流（50μA/cm2左右）活化1～2min再测定。
图1恒电位极化曲线测量装置
1盐桥；2辅助电极；3研究电极；4参比电极；极化池
（4）调节恒电位（从自腐蚀电位开始）进行阳极极化，每隔2min增加50mV，并分别读取不同电位下相应的电流值，当电极电位达到+1.2V左右时即可停止试验。
五、结果及数据处理
1．求出各点的电密，添入自己设计的表格。
2．在半对数坐标纸上用所得数据作E—lgi曲线。
3．指出碳钢在NH4HCO3-NH4OH中进行阳极保护的三个基本参数。
六、思考题
1．阳极极化曲线对实施阳极保护有何指导意义？
2．极化曲线测量对研究电极、辅助电极、参比电极和盐桥的要求是什么？
实验3 塔菲尔直线外推法测定金属的腐蚀速度
一、目的
1．掌握塔菲尔直线外推法测定金属腐蚀速度的原理和方法。
2．测定低碳钢在1MHAc+1MNaCl混合溶液中腐蚀电密ic、阳极塔菲尔斜率ba和阴极塔菲尔斜率bc。
3．对活化极化控制的电化学腐蚀体系在强极化区的塔菲尔关系加深理解。
4.学习用恒电流法绘制极化曲线。
二、实验原理
金属在电解质溶液中腐蚀时，金属上同时进行着两个或多个电化学反应。
例如铁在酸性介质中腐蚀时，Fe上同时发生反应：
Fe→Fe2++2e
2H++2e→H2
在无外加电流通过时，电极上无净电荷积累，即氧化反应速度ia等于还原反应速度ic,并且等于自腐蚀电流Icorr,与此对应的电位是自腐蚀电位Ecorrr。
如果有外加电流通过时，例如在阳极极化时，电极电位向正向移动，其结果加速了氧化反应速度ia而拟制了还原反应速度ic,此时，金属上通过的阳极性电流应是：
Ia=ia-|ic|=ia+ic
同理，阴极极化时，金属上通过的阴极性电流Ic也有类似关系。
Ic=-|ic|+ia=ic+ia
从电化学反应速度理论可知，当局部阴、阳极反应均受活化极化控制时，过电位（极化电位）η与电密的关系为：
ia=icorrepx（2.3η/ba）
ic=-icorrexp（-2.3η/bc）
所以Ia=icorr[exp（2.3η/ba）-exp（-2.3η/bc）]
Ic=-icorr[exp（-2.3η/bc）-exp（2.3η/ba）
当金属的极化处于强极化区时，阳极性电流中的ic和阴极性电流中的ic都可忽略，于是得到：
Ia=icorrexp（2.3η/ba）
Ic=-icorrexp（-2.3η/bc）
或写成：
η=-balgicoor+balgia
η=-bclgicorr+bclgic
可以看出，在强极化区内若将η对lgi作图，则可以得到直线关系[见《热力设备腐蚀与腐蚀》p257Fig.14—12（a）]。
该直线称为塔菲尔直线。
将两条塔菲尔直线外延后相交，交点表明金属阳极溶解速度ia与阴极反应（析H2）速度ic相等，金属腐蚀速度达到相对稳定，所对应的电密就是金属的腐蚀电密。
实验时，对腐蚀体系进行强极化（极化电位一般在100～250mV之间），则可得到E–lgi的关系曲线。
把塔菲尔直线外延至腐蚀电位。
lgi坐标上与交点对应的值为lgic,由此可算出腐蚀电密icorr。
由塔菲尔直线分别求出ba和bc。
影响测量结果的因素如下：
（1）体系中由于浓差极化的干扰或其他外来干扰；
（2）体系中存在一个以上的氧化还原过程（塔菲尔直线通常会变形）。
故在测量为了能获得较为准确的结果，塔菲尔直线段必须延伸至少一个数量级以上的电流范围。
三、仪器和用品
恒电位仪
数字电压表
磁力搅拌器
极化池
铂金电极（辅助电极）
饱和甘汞电极
A3钢电极（研究电极），工作面积1cm2
Zn电极（研究电极）
粗天平
秒表
量筒1000mL,50mL
烧杯2000mL，1000mL
HAc，NaCl，无水乙醇棉，水砂纸
介质为1MHAc+1MNaCl混合溶液
四、实验步骤
1．配制1MHAc+1MNaCl溶液
2．将工作电极用水砂纸打磨，用无水乙醇棉擦洗表面去油待用。
3．将研究电极、参比电极、辅助电极、盐桥装入盛有电解质的极化池，盐桥毛细管尖端距研究电极表面距离可控制为毛细管尖端直径的两倍。
4．按附录2“PS-1型恒电位/恒电流仪使用方法”连接好线路进行测量。
5．测量时，先测量阴极极化曲线，然后测量阳极极化曲线。
6．开动磁力搅拌器，旋转速度为中速，进行极化测量。
7．先记下i=0时的电极电位值，这是曲线上的第一个点，先进行阴极极化。
分别以相隔10s的间隔调节极化电流为-0.5、-1、-2、-3、-4、-5、-10、-20、-30、-40、-50、-60mA，并记录对应的电极电位值，迅速将极化电流调为零，待电位稳定后进行阳极极化。
此时应分别调节极化电流为0.5、1、2、3、4、5、10、20、30、40mA，并记录对应的电极电位值。
应注意，极化电流改变时，调节时间应快，一般在5秒之内完成，实验结束后将仪器复原。
五、结果处理
1．将实验数据绘在半对数坐标纸上。
2．根据阴极极化曲线的塔菲尔线性段外延求出锌和碳钢的腐蚀电流，并比较它们的腐蚀速度。
3．分别求出腐蚀电密ic、阴极塔菲尔斜率bc和阳极塔菲尔斜率ba。
六．思考题
1．从理论上讲，阴极和阳极的塔菲尔线延伸至腐蚀电位应交于一点，实际测量的结果如何？
为什么？
3．如果两条曲线的延伸线不交于一点，应如何确定腐蚀电密？
实验4 失质法测定金属的腐蚀速度
一、目的
1．掌握某些因素如介质及其浓度、缓蚀剂等对金属腐蚀速度的影响。
2．掌握质量法测定金属腐蚀速度的方法。
二．原理
使金属材料在一定条件下（温度、压力、介质浓度等）经腐蚀介质作用一定时间后，比较腐蚀前后该材料的质量变化从而确定腐蚀速度。
对于均匀腐蚀，根据腐蚀产物易除去与否可分别采用失质指标和增质指标来表示腐蚀速
度。
失质指标V-为：
增质指标V+为：
式中：
S试样面积，m2；
t试验时间,h；
m0腐蚀前试样的质量,g；
m1腐蚀后试样的质量（清除腐蚀产物后），g；
m2腐蚀后试样的质量（清除腐蚀产物前）,g；
对于均匀腐蚀，很易将以上腐蚀速度指标换算成以深度指标Vt表示的腐蚀速度：
式中：
ρ金属的密度，g/cm3
质量法适于室内外多种腐蚀实验，可用于材料的耐蚀性能评定、选择缓蚀剂、改变工艺条件时检查防腐效果等。
本实验是碳钢在敞开的酸溶液中的全浸实验，用质量法测定其腐蚀速度。
金属在酸中的腐蚀一般是电化学腐蚀。
酸类对金属的腐蚀规律主要取决于酸的氧化性。
非氧化性酸，如盐酸，其阴极过程是氢去极化过程；氧化性酸，其阴极过程则主要是氧化剂的还原过程。
但我们不可能把酸类截然分成氧化性酸和非氧化性酸，例如，当HNO3比较稀时，碳钢的腐蚀速度随酸浓度的增加而增加，是氢去极化腐蚀，当HNO3浓度超过30%时，碳钢的腐蚀速度迅速下降，HNO3浓度达到50%时，碳钢的腐蚀速度最小，此时碳钢在HNO3中腐蚀的阴极过程是：
NO3-+2H++2e→NO2-+H2O
酸中加入适量缓蚀剂能阻止金属腐蚀或降低金属腐蚀速度。
三、仪器与药品
钢印、锒头、游标卡尺、毛刷、干燥器、分析天平、烧杯、量筒、搪瓷盘、温度计、电炉、玻璃棒、镊子、滤纸、尼龙丝。
丙酮、去离子水、20%H2SO4、20%H2SO4+硫脲10g/L、20%NHO3、60%NHO3、
12%HCl+1%～2%六次甲基四胺。
四、实验步骤与内容
1．试样的准备
（1）A3碳钢试样，其尺寸为50×25×（2～3）mm。
且打磨试样。
（2）用钢印给试样编号，以示区别。
（3）用游标卡尺准确测量试样尺寸，计算出试样面积，记录数据。
（4）试样表面除油，先用毛刷、软布在流水中清除其表面残屑、油污，再用丙酮清洗后用滤纸吸干。
如此处理的试样避免再用手摸，应用干净纸包好，于干燥器中干燥24h。
（5）将干燥后的试样放在分析天平上称重，精确到0.1mg，称重结果记录在表1内。
2．腐蚀实验
（1）分别量取800mL下列溶液；
20%H2SO4
20%H2SO4+硫脲10g/L
20%NHO3
60%NHO3
将其分别放在4个1000mL干净烧杯中。
（2）将试样按编号分成四组（每组2片），用尼龙丝悬挂，分别浸入以上4个烧杯中。
试样要全部浸入溶液，每个试样浸泡深度要求一致，上端应在液面以下20mm。
（3）自试样进入溶液时开始记录腐蚀时间，半小时后，把试样取出，用水清洗。
3．腐蚀产物的去除
腐蚀产物的清洗原则是应除去试样上所有的腐蚀产物，而只能去掉最小量的基本金属。
去除腐蚀产物的方法有机械法、化学法及电化学法。
该实验采用机械法和化学法。
（1）机械法去除腐蚀产物。
若腐蚀产物较厚可先用竹签、毛刷、橡皮擦净表面，以加速除锈过程。
（2）化学法除锈。
化学法除锈常用的试剂很多，对于铁和钢来说主要有以下几种配方：
a.20%NaOH+200g/L锌粉，沸腾5min,直至干净。
b.HCl+50g/LSnCl2+20g/LSnCl3。
c.12%HCl+0.2%As2O3+0.5%SnCl2+0.4%甲醛，50℃，15～40min。
d.10%H2SO4+0.4%甲醛,40～50℃，10min。
e.12%HCl+1%～2%乌洛托品，50℃或常温。
f.饱和NH4Cl+NH3H2O，常温，直至干净。
本实验采用试剂为配方e，该法空白小，除锈快，经除锈后样品表面稍发黑。
（3）除净腐蚀产物后，用水清洗试样（先用自来水后用去离子水），再用丙酮擦洗、滤纸吸干表面，用纸包好，于干燥器内干燥24h。
将干燥后的试样称重，结果记录在表2中。
五、实验结果的评定
1．定性评定方法
（1）观察金属试样腐蚀后的外形，确定腐蚀是否均匀，观察腐蚀产物的颜色、分布情况及其与金属表面结合是否牢固。
（2）观察溶液颜色是否变化，是否有腐蚀产物的沉淀。
2．定量评定方法
若腐蚀是均匀的，可依上述公式计算V-，并可换算成腐蚀深度。
根据下式计算20%H2SO4加硫脲后的缓蚀率G：
式中：
V未加缓蚀剂时的腐蚀速度；
V’’加缓蚀剂时的腐蚀速度
六、思考题
1．为什么试样浸泡前表面要经过打磨？
2．试样浸泡深度对实验结果有何影响？
表1 试样称重结果记录
编号
长（mm）
宽（mm）
厚（mm）
孔径（mm）
面积（mm2）
1
2
3
4
5
6
7
8
表2试样测试结果记录
组别
腐蚀介质
编号
腐蚀时间（h）
试样原重（g）
腐蚀后重（g）
失重（g）
腐蚀速度（g/m2h）
腐蚀深度（mm）
缓蚀率（%）
一
1
2
二
3
4
三
5
6
四
7
8
实验5线性极化法测定金属的腐蚀速度
一、目的
1．掌握线性极化仪的使用方法。
2．掌握几种求塔菲尔常数的方法。
3．了解线性极化技术测定金属腐蚀速度的原理。
二、实验原理
对于活化极化控制的腐蚀体系，当自腐蚀电位Ecorr相距两个局部反应的平衡电位甚远时，极化电流ic外与电极电位E关系方程为：
对上式微分并经数学处理，可得到：
式中：
Rp极化阻力（Ω）；
icorr金属的腐蚀电密（A/cm2）；
ic外极化电密（A/cm2）；
Ecorr金属的腐蚀电位（V）；
dη极化电位（V）；
ba、bc阳、阴极塔菲尔常数（V）
则
此式为线性极化方程式。
由此可知，腐蚀速度icorr与极化电阻Rp成反比，只要测得Rp和bc、ba后，就可求出金属的腐蚀速度。
三、仪器和药品
线性极化仪、碳钢电极、烧杯、电极架、砂纸等，
若丁（二邻甲苯基硫脲）、乌洛托品、丙酮、酒精棉、硫酸
四、实验步骤
1．三电极体系准备
（1）焊接
（2）打磨
（3）计算面积
（4）清洗
2．CR-3型多功能腐蚀测量仪使用方法见附录1。
3．实验溶液配制
（1）0.5MH2SO4800mL
0.5MH2SO4分别加0.2,0.5,0.6,0.8,1.0,1.2g乌洛托品溶液。
（2）0.5MH2SO4
0.5MH2SO4+1mg（NH2）2CS（硫脲）
0.5MH2SO4+若丁
0.5MH2SO4+0.5%乌洛托品溶液。
4.分别测定各电极电位，选择电位差小于2mV的二个电极为工作电极和参比电极，另一电极为辅助电极。
5．加极化电位±5mV，记录Δi5或Rp
加极化电位±10mV，记录Δi10或Rp
五、结果处理
1．计算或作图求出Rp
2．选用以下ba、bc数据计算icorr
塔菲尔常数（20℃，mV）babc
0.5MH2SO454.4112.1
0.5MH2SO4+1mg（NH2）2CS91.1121.2
0.5MH2SO4+若丁76.3157.4
0.5MH2SO4+0.5%乌洛托品溶液96.0132.0
3.比较几种缓蚀剂的缓蚀率。
六、思考题
1．在什么条件下才能应用线性极化方程式计算金属腐蚀速度？
2．确定塔菲尔常数的方法有那些？
实验6 电位—pH图的应用
一、目的
1．学会应用电位—pH图。
2．了解铁在0.1MNaHCO3溶液中的腐蚀情况，并对铁在此条件下进行阳极保护和阴极保护。
二、原理
利用电位—pH图可直接判断在给定条件下氧化反应进行的可能性或进行反应所必须的电位—pH范围。
铁水体系的电位—pH图给出了铁及其氧化物稳定存在的平衡区域，也可用以估计铁在不同pH水溶液中进行阳极保护和阴极保护的条件。
如果对铁进行阳极极化，使其电位提高到钝化区，该区处在Fe2O3的稳定区，此种条件下铁表面生成一层Fe2O3膜，铁由腐蚀状态进入钝化态，使铁的腐蚀速度大大减小而受到保护。
如果对铁进行阴极极化，即将电位降到免蚀区，金属铁由腐蚀态转变为热力学稳定状态，使铁的腐蚀停止而得到保护。
三、仪器和试剂
直流稳压电源1台
数字稳压表1台
毫安表1个
极化池2个
铂金电极2个
饱和甘汞电极2个
铁丝电极（φ=1.6mm,L=300mm）8根
N2,O2
烧杯250～300mL（细长的）1个
NaHCO3（0.1M,pH=8.4）2L
H2SO4（1M）
无水乙醇棉，乳胶管，弹簧夹，吹风机
四、实验步骤
1．制作电极
将L=40cm,φ=1.6mm的铁丝绕在φ=10mm金属棒上，尾部留出4mm用于与外线路连接，抽出金属棒后将铁丝圈拉成14cm长的弹簧形状。
2．处理铁丝电极
将铁丝电极放入盛有1MH2SO4的细长烧杯中，待铁丝表面镀锌层全部溶解后（气泡析出量骤减）取出，用去离子水冲洗2次，再用酒精棉擦净待用。
3．阳极腐蚀与保护
（1）在两个极化池中分别注入500mL0.1MNaHCO3（pH=8.4）,将4根处理好的铁丝电极编号并放入两个极化池
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