金属腐蚀学讲义试验概要.docx
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金属腐蚀学讲义试验概要
金属腐蚀学试验讲义
实验一重量法测定金属腐蚀速度
一、目的要求
1、通过实验进一步了解金属腐蚀的基本原理及各种因素（如温度、介质及其浓度、缓蚀剂）对它的影响；加强对金属腐蚀与环境条件密切相关的认识。
2、通过实验掌握重量法测定金属腐蚀速度的方法。
3、初步了解缓蚀剂对金属腐蚀的抑制作用。
二、实验原理
测定金属腐蚀速度的方法很多，如重量法、电阻法、极化曲线法等等。
重量法是一种古典方法，然而重量法得到的数据比较真实可靠。
所以使用快速测定法如电阻法、线性极化法等得到的数据一般都要与重量法得到的加以对照，并以重量法为依据。
但是，这种方法主要只能用于全面腐蚀，不宜用于晶间腐蚀、孔蚀等局部腐蚀。
重量法分为增重法和失重法。
前者只限于腐蚀产物不脱落而且附着牢固的情况，如高温氧化及耐蚀金属的大气腐蚀等。
失重法应用范围较广，但测定精度因试片大小、实验时间、腐蚀程度而异。
重量法一般采用分析天平，精确到0.1mg。
酸在工业上广泛使用，金属在酸中的腐蚀属于电化学腐蚀，其腐蚀严重，规律复杂。
酸对金属的腐蚀规律在很大程度上取决于酸的氧化性质。
非氧化性酸如盐酸，其阴极过程纯粹是氢去极化过程，而氧化性酸如浓硝酸，其阴极过程主要是氧化剂的还原过程，在金属表面生成一层耐蚀的氧化膜。
但是我们不可能把酸类截然分为氧化酸与非氧化酸，如硝酸的浓度较稀时，腐蚀随浓度增加而增加，属氢去极化腐蚀，当浓度超过30%，则腐蚀速度迅速下降，浓度达到50%时，腐蚀速度降到最小，此时硝酸成为氧化性的酸，如碳钢在浓硝酸中腐蚀的阴极过程。
NO3-+2H++e→NO2+H2O或NO3-+4H++3e→NO+2H2O
缓蚀剂是添加到腐蚀介质中能阻止金属腐蚀或降低腐蚀速度的物质，在用化学法除锈时，酸中加入少量的硫脲或乌洛托品就是起该种作用，它们能抑制金属的腐蚀，但却并不妨碍氧化皮层及锈层的溶解和脱落。
有的缓蚀剂还能减小氢脆。
三、实验内容及步骤
（一）试片的准备
1、准确测量碳钢试片的尺寸（每组十二片）
2、试片的除锈、脱脂
a、脱脂配方：
洗衣粉60g/L
操作步骤：
将配好的脱脂溶液倒入1000mL的烧杯中，放在电炉上加热到65±5℃。
将试片挂在钩上再放入溶液中，用夹子翻动试片，观察脱脂情况，待油除去后，取出用大量自来水冲洗，之后放入除锈剂溶液中（脱脂完全标准为自来水冲洗后，试片表面的水膜没有破裂情况）。
b、除锈配方：
浓硫酸20mL/L
硫脲5~10g/L
操作步骤：
将配好的除锈溶液倒入1000mL的烧杯中，放在电炉上加热到60±5℃。
将试片挂在钩上再放入溶液中，用夹子翻动试片，观察除锈情况，待锈、氧化皮除净后，取出放入0.1mol/LNaCO3溶液中中和，然后用大量自来水冲洗，用滤纸吸干，再用电吹风吹干，放入干燥器中待用。
试片如果锈蚀严重，在化学法除油除锈之前应用砂纸打磨。
3、将除油除锈的试片称重
（二）腐蚀试验
1、配制腐蚀液
a、将98%的硫酸（C、P）配制成
20%硫酸
20%硫酸＋10g/L硫脲
b、将浓硝酸（C、P）配制成
浓硝酸
3%稀硝酸
2、将配好的溶液分别置于四个编好号的聚丙烯槽内，每个槽内挂三片。
3、记录腐蚀时间和室温，1小时后取出。
（三）腐蚀产物的去除
采用化学法除锈
除锈配方：
12%HCL＋1~2%乌洛托品
操作温度：
室温
操作步骤：
将腐蚀完成的试片用自来水冲洗至中性，挂在钩上放入除锈溶液中，观察除锈情况，待腐蚀产物除净后，用大量自来水冲洗，然后放入0.1mol/LNaCO3溶液中中和，用滤纸吸干，再用电吹风吹干，放入干燥器中恒重，称重。
四、实验结果处理
（一）定性评定方法
1、观察试片腐蚀后的处形，确定是均匀腐蚀还是局部腐蚀，观察腐蚀产物的颜色、分布情况及与金属表面的结合牢固与否。
2、观察腐蚀液的变化，有否腐蚀产物的沉淀。
（二）定量评定方法
如果是均匀腐蚀，而腐蚀产物可以完全除去，可按下式计算腐蚀速度：
（g/m2·h）
（g/a）
其中：
m0——试片原重（g）
m1——腐蚀后试片重（g）
s——试片表面积（m2）
t——腐蚀时间（h）
K——试片腐蚀速度（g/m2·h）
K深度——试片腐蚀速度（g/a）
d——试片比重（碳钢比重为7.85g/cm3）
求缓蚀率采用如下公式计算：
其中：
K——未加缓蚀剂的腐蚀速度
Kˊ——加了缓蚀剂的腐蚀速度
（三）实验记录
表一
长（mm）
宽（mm）
厚（mm）
表面积（m2）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
表二
腐蚀介质
腐蚀时间
试片原重
腐蚀后重
失重
腐蚀速度
腐蚀深度
实验现象
缓蚀率
备注
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
五、讨论思考题
1、分析失重法测量腐蚀速度的优缺点。
2、硫脲和浓硝酸均能阻滞腐蚀速度，分析各自缓蚀的原因。
3、为使实验结果平行，实验过程中应该注意什么？
实验二电位——时间曲线的测量
一、目的要求
通过本实验加深对自然腐蚀电位概念的理解
二、实验原理
如果把金属浸入某种溶液中，那么就会在金属相与溶液相之中发生离子的转移，因而在两相界面上建立起电位差，并使两相间的离子转移达到某些平衡。
当电极与界面上既不通过外电流，也不发生净反应的情况下，此时在两相界面上建立起的电位差便为电极的平衡电位。
平衡电位与溶液中这种金属离子浓度的关系符合能斯特关系式：
但如果在金属与溶液的界面上，除了发生这种金属离子的转移之外，还发生某种杂质离子的转移，电极上失去电子主要依靠某一过程，而得到电子却依靠另一过程，当无外电流通过体系时，对于反应
O+ne===R
（1）
O﹡+ne===R﹡
（2）
应满足关系式：
（3）
式中ia、ic、ia﹡、ic﹡分别表示金属和杂质组分的氧化电流和还原电流。
即：
反应体系中，参与反应各组分的还原电流之和氧化电流之和应相等。
这种情况在现实中很普遍，例如铁浸在酸溶液中，至少发生两个反应过程：
Fe→Fe2++2e；
H2→2H++2e
电极上失电子过程主要是铁的溶解，而H+则借助这个过程在阴极上还原。
由（3）式知，电极失去电子和得到电子的速度相等，因而电极上的电子数不会随时间的变化而变化，这时电极电位将建立起一个稳定值，但应注意，此时的电极与溶液界面未达到物质的平衡仍有净化学反应产生，宏观上表现为金属的腐蚀，腐蚀学上把该稳定电位叫自然腐蚀电位。
综上所述，平衡电位和稳定电位（或自腐蚀电位）是两个截然不同的概念，前者是一个热力学平衡值，只与温度、浓度等因素有关，后者则是一个与动力学因素有关的值，它不但与温度、浓度等因素有关，而且凡能影响电极过程的因素都会对其产生影响。
例如电极的表面状况、真实表面积、溶液的传质过程等。
三、实验内容及步骤
（一）实验内容
本实验分别测定碳钢、黄铜、不锈钢电极在5%NaCl溶液中的电位——时间曲线以及碳钢在5%NaCl+5%NaNO2溶液中的电位——时间曲线。
（二）实验步骤
1、配制5%NaCl溶液和5%NaCl+5%NaNO2溶液若干
2、准备碳钢、黄铜、不锈钢电极各一支，用金相砂纸打磨至镜面，用乙醇（或丙酮）洗净、吹干后放入干燥器中备用。
3、按图2-1接好线路，装好待测溶液，研究电极不要插入溶液。
（注意：
数字电压表通电，预热15分钟后再使用，其两极的夹子在未测量时一定保持短路。
）
4、分别将数字电压表的夹子夹住参比电极及研究电极，在电压表上选择好测量档位，研究电极插入溶液后立即记录电位值并记下时间而后每隔1分钟记录一个电位值至10分钟后，每5分钟记录一次电位值至半小时。
然后搅动溶液，记录搅动后的电极电位值，停止实验，取出电极。
同上重复实验一次，然后改换体系重复之。
四、实验结果处理
1、将所测电位换算成氢标电位值，并做出各自相应的电位——时间曲线图。
2、对实验结果和现象进行解释和讨论。
五、讨论与思考题
1、试用EVANA极化图讨论引起各体系自腐蚀电位随时间变化的原因。
2、比较碳钢在5%NaCl溶液及5%NaCl+5%NaNO2溶液中的自腐蚀电位值及变化趋势，说明NaNO2的作用，并能否由此判断NaNO2属于哪类缓蚀剂？
为什么？
实验三局部腐蚀原理演示
一、实验目的
通过实验了解充气不均及杂散电流引起的局部腐蚀的原理。
二、原理
大气与中性水介质中金属（尤其是钢铁）的腐蚀，主要是吸氧腐蚀，即氧去极化腐蚀，如果说在金属表面氧的供应是不均匀的，则在氧供应充足的地方易形成阴极，而缺氧处形成阳极，于是造成了局部腐蚀现象，如缝隙腐蚀、孔蚀等。
而杂散电流是由直流电源（如电气火车，电焊机等）设备漏失出来的电流，它常进入其它金属设备。
然后再从该设备的别处流出。
直流电流流出的地方成为腐蚀电池的阳极区，腐蚀就发生在这些地方，而电流流入的地方则为腐蚀电池的阴极区。
其接线图如3-1所示：
图3-1杂散电流腐蚀原理演示接线图
E为直流电源，R1为可变电阻，R2为电阻丝，培养皿中盛有琼脂胶体，胶体中还加入了指示剂。
当直流电流流过电阻丝时，由于琼脂导电，会有一部分电流漏出，进入铁丝的一端，再从铁丝的另一端流回电阻丝。
通过指示剂的显色反应，就可直观显示出腐蚀电池的阳极区与阴极区。
本实验就是用简单直观的方法演示这个原理。
三、实验内容与步骤
1、盐水滴实验
A、用180#砂纸将一方形碳钢片的一面打磨至光亮，然后用丙酮擦洗干净，晾干待用。
B、用一个50mL烧杯取约15mL5%NaCl溶液，加入2滴1%酚酞溶液和2滴1N铁氰化钾溶液搅拌均匀制成“试液A”待用。
C、用滴管将试液A滴一滴于打磨干净的碳钢试片上，仔细观察并记录液滴的变化，在钢片的不同部位可同时滴3~5滴作平行试验。
进行观察记录，大约15~20分钟后，可将钢片清洗，停止实验。
2、盐水压片试验
A、将方形碳钢片按盐水滴实验A步处理。
B、将试液A用滴管并排滴两滴于碳钢片上，然后用一干净玻璃棒（其上绕有细铜丝以造成一定的缝隙）压在液滴上，仔细观察并记录注滴的变化，在一个方形钢片上可以做两个上述压片实验，平行观察记录。
15~20分钟后，停止实验，将钢片清洗。
3、杂散电流腐蚀
A、在200ml的烧杯中，加入100ml5%NaCl溶液，再加入2克琼脂。
煮沸后加入2ml1N铁氰化钾和10滴1%酚酞，搅拌均匀保温待用。
B、取一根60cm镍铬电阻丝，绕成直径约为1cm线圈，用丙酮擦干净待用，取一根20cm铁丝用砂纸打磨后，再用丙酮擦干待用。
C、将铁丝与电阻丝线圈平行放于培养皿中，两者相距约1cm，然后将煮好的琼脂液倒入培养皿中，待其凝固后，按图3-1接好线路。
D、打开直流电源使输出电压为6~12V，接通开关，调节滑线电阻使电流约为0.5A。
观察并记录电阻丝和铁丝周围颜色的变化，约10分钟切断电路，关闭电源。
清洗电阻丝和铁丝，记录它们和实验前有何变化。
四、实验结果处理
1、详细列出盐水滴实验中盐水滴各部分的颜色变化，并解释其原因。
2、详细列出盐水压片实验中盐水滴各部分的颜色变化，并解释其原因。
3、详细列出杂散电流腐蚀实验中琼脂中电阻丝各部分的颜色变化，并解释其原因。
实验四金属阳极钝化曲线的测量（实验方法参照721型电化学工作站使用方法）
一、目的要求
1、了解钝化体系阳极极化曲线的基本特征和几个电位区间的意义。
2、掌握阳极保护的原理、应用条件和保护参数测量方法。
二、基本原理
1、金属的溶解和钝化过程
当电极电势高于热力学平衡电势时，金属作为阳极将发生下面电化学溶解过程：
（1）
这种电极电势偏离其热力学电势的现象称为极化。
当金属上超电势不大时，阳极过程的速率随电极电势而逐渐增大，这是金属的正常溶解。
但当电极电势正到某一数值时，其溶解速度达到最大，而后随着电极电势的变正，阳极溶解速度反而大幅度降低，这种现象称为金属的钝化现象。
CD段－钝化区DE段－过钝化区
研究金属的阳极溶解及钝化过程通常采用控制电位法。
对于大多数金属来说，其阳极极化曲线大都具有图4-1所示的形式。
从恒电位法测定的极化曲线可以看出，它有一个“负坡度”区域的特点。
具有这种特点的极化曲线是无法用控制电流的方法测定的。
因为同一个电流I可能相应于几个不同的电极电势，因而在控制电流极化时，体系的电极电势可能发生振荡现象，即电极电势将处于一种不稳定状态。
控制电位技术测得的阳极极化曲线（图4-1）通常分为四个区域：
①活性溶解区（AB段）电极电位从初值开始逐渐往正变化，相应极化电流逐渐增加，此时金属进行正常的阳极溶解。
②过渡钝化区（BC段）随着电极电势增加到B点，极化电流达到最大值ip。
若电极电位继续增加，金属开始发生钝化现象，即随着电势的变正，极化电流急剧下降到最小值。
通常B点的电流Ip称为致钝电流，相应的电极电位Ep称为致钝电位。
在极化电流急剧下降到最小值的转折点（C点）电位称为Flade电位。
③稳定钝化区（CD段）在此区域内金属的溶解速度维持最小值，且随着电位的改变极化电流基本不变。
此时的电流密度称为钝态金属的稳定溶解电流密度,这段电位区称钝化电位区。
④过钝化区（DE段）此区域阳极极化电流随着电极电势的正移又急剧上升。
2、金属阳极溶解和钝化机理
金属的阳极极化过程是一复杂过程，包括活化溶解过程、钝化过程和过钝化过程等。
它的机理还不是很清楚，以下描述可能对分析结果有所帮助。
金属Me活化溶解是
（2）
（3）
它的电流决定于中间物
形成速度。
将快速转变为
。
同时，
阳极溶解可能同时发生
（4）
产物
按以下反应发生钝化过程。
（5）
（6）
钝化过程与反应
（2）和（3）的活化溶解过程不同。
它的双单电子串联过程，反应速度决定于表面
的形成速度。
随后快速转变为MeO,形成钝化层，阻滞
继续溶解。
溶液中H+离子会与钝化层物质产生化学反应，发生过钝化过程，即
（7）
溶液中阴离子
（如
离子）也能与钝层发生化学反应
（8）
产生可溶性
破坏钝化层，促使
的活化溶解。
3、控制电位阳极极化曲线的测量方法
控制电位方法测量阳极极化曲线，一般采用三电极体系－研究电极、辅助电极和参比电极。
该方法是将研究电极的电势恒定地维持在所需值，然后测量对应电势下的电流。
由于电极表面状态在未建立稳定状态之前，电流会随时间而变化，因此实际测量时又有稳态技术和动态技术的区别。
①稳态技术：
将电极电势较长时间地维持在某一定恒定值，测量该电势下电流的稳定值。
如此逐个测量各个电极电势的稳定电流值，即可得到完整的极化曲线。
②动态技术：
控制电极电势以一定的速度连续地扫描，记录相应电极电势下瞬时电流值，以瞬时电流值与相应的电极电势作图，得到阳极极化曲线。
所采用的电极电势扫描速度需要根据体系的性质选定。
一般来说，电极表面建立稳态的速度逾慢，这样才能是测定的动态极化曲线与使用稳态技术接近。
阳极钝化曲线的主要试验数据是致钝电流
电位或致钝电位
钝化电位等。
一般来说，致钝电流
与硫酸浓度和温度有关，而且动态测量时，
还与电极电位扫描速度有关。
三、实验内容和步骤
1、实验内容
用恒电位法测量铬镍不锈钢在1N稀硫酸溶液中的阳极极化曲线，分析体系的钝化性能，并从极化曲线上确定实施阳极保护的基本参数。
2、实验步骤（实验方法参照721型电化学工作站使用方法，以下方法不用写）
A、接好电路。
阅读HDV－7恒电位仪使用说明书，掌握其操作方法。
先将HDV-7恒电位仪“工作选择”置于“恒电位”，“电位测量”置于“给定”，“电流量程”置于“1A”，“电位量程”置于“3V”，然后将“电源开关”置于“自然”，此时，指示灯亮，电源接通，预热10分钟。
B、配制适量1N硫酸溶液装入四口烧瓶，安放在恒温水浴内，控制溶液温度50±2℃。
C、将研究电极磨光、清洗去油、干燥。
然后将研究电极WE、辅助电极RE（铂电极）插入四口烧瓶。
将盐桥毛细管插入四口烧瓶，并使其尖端靠近研究电极的工作表面（2mm左右）。
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