金属腐蚀及控制Word文档格式.docx

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ε↑=ε0+RT/nFln（aMn↑/1）

C.电阻极化：

阳极形成保护膜，使M→Mn+过程受阻，ηr＞0;

（2）阴极极化原因

电子在阴极堆积，得电子反应速度减慢，导致阴极极带负电荷，电位降低，ηa＜0;

阴极附近得电子物质浓度降低，相对而言，电子在阴极上偏聚，ηc＜0;

总的极化超电压η＝ηa+ηc+ηr

6、简述极化规律，画出相对应的示意图。

极化规律：

η*i≥0

7、画出钝化时的阳极极化曲线，标出相应部位。

ib致钝电流（活化峰电流）、Eb致钝电位;

ip维钝电流、维钝电位范围Ep～Eop；

i0交换电流密度。

8、浓差极化的表达式是什么？

讨论浓差极化的影响因素

id表征浓差控制时的极限电流

9、画出氢活化极化曲线，写出超电压表达式。

析氢，ηα=±

βlog（i/i0）

10、分别画出析氢反应、吸氧反应极化曲线，并讨论其控制因子。

析氢腐蚀：

2H++2e→H2控制因子：

电化学极化（活化极化）

吸氧腐蚀：

O2+4e+2H2O→4OH-

氧输送到阴极，即V输；

扩散、迁移过程浓差控制；

阴极发生去极化反应，即V反；

电化学极化（活化极化）。

V输＞＞V反时（OPG段活化控制）

V输＜＜V反时（BFSN段扩散控制）

V输≈V反时（OPFSN段混合控制）

达到析氢电位时（SQG段析氢吸氧共同控制）

11、简述金属钝化理论。

（1）成相膜理论

表面上生成保护性固体产物膜，将金属和溶液机械隔开。

由于氧化物膜溶解速度很小，使腐蚀速度降低。

（2） 

吸附理论

金属表面（或部分表面）上形成了氧或含氧粒子的吸附层，使金属表面的键化饱和，使阳极反应活化能增大，金属溶解速度降低。

12、简述过钝化的原因。

在强氧化性介质中或电位很高条件下，金属表面的不溶性膜，转变为易溶解的膜，由钝化变为活化。

（1）低电位区，活化反应：

Fe-2e＝Fe2+ 

，E＝-0.44V；

Cr-2e＝Cr2+，E＝-0.74V

（2）电位升高，阳极表面形成不溶性的Fe3O4、γ—Fe2O3、Cr2O3进入钝化状态。

（3）若电位再连续升高1v以上，发生过钝化反应，钝化膜溶解。

Fe3O4+8H+→3Fe3++4H2O+e

Cr2O3+4H2O→Cr2O72-+8H++6e

13、画出典型的伊文思腐蚀极化图，并对其分析。

Pc是阴极极化曲线的斜率，叫阴极极化率，表示阴极反应的阻力。

Pa是阳极极化曲线的斜率，叫阳极极化率，表示阳极反应的阻力。

R是电路的欧姆电阻R，为电阻极化率。

Evans极化图的本质特征：

用极化曲线的斜率来表示腐蚀电池工作的阻力，电极反应的阻力越大，极化曲线的斜率就越大。

14、简述伊文思极化图的控制因子。

阳极极化控制Pa>

>

Pc阴极极化控制Pc>

Pa欧姆电阻控制R>

Pa混合控制Pa≈Pc

15、画出析氢反应依附于Zn、Fe、Pt，比较腐蚀速度大小，阐述原因。

腐蚀速度：

Zn>

Fe>

Pt

原因：

电流密度相同时，析氢超电势依次增大，腐蚀速度依次减小。

16、简述影响腐蚀的内因、外因。

内因：

金属自身，电位，钝性，超电压，形变，应力、表面等；

外因：

介质、浓度、温度、流速等。

（1）金属电极电位E↑+稳定耐蚀，E↓-金属不稳定。

（2）超电压对腐蚀影响电极电位可判断稳定性，但不可确定腐蚀速度。

（3）金属钝性影响钝性金属处于维钝状态具有良好的耐蚀性。

（4）腐蚀产物影响不溶的致密固体膜如PbSO4电使电极反应阻力↑，腐蚀速度↓。

（5）合金元素影响合金元素偏析、第二相等构成短路腐蚀微电池，显完全极化状态，合金总电位处于Ea～Ec之间为ER也称混合电位。

（6）单相固溶体与n/8规律影响二元合金中，其中一种原子数配比达到n/8时，出现耐蚀性突变，耐蚀性↑。

（7）固溶体中合金成分选择性腐蚀电位较负的成分（元素）先溶解，同时伴有电位较高成分（元素）溶解后，又沉积回去。

（8）Fe中合金元素对Fe极化曲线影响

阴极极化曲线C固定：

合金化使A→A2，ip→↓，不易腐蚀。

阳极极化曲线A固定：

合金化使C→C2，促进阳极钝化。

合金化使C→C1，提高耐蚀性。

（9）复相合金组织一般合金中的杂质、碳化物、石墨等第二相为阴极、基体固溶体为阳极。

（10）金属热处理与组织对腐蚀的影响热处理使应力变化、晶粒长大、第二相析出均导致电化学性质变化。

（11）变形与应力对腐蚀的影响机加工、冷变形使晶格畸变位错增加加速腐蚀。

（12）材料表面状态对腐蚀的影响凹的部位氧难进入为阳极。

凸的部位氧易进入为阴极。

（1）介质PH值的影响PH↓酸性↑、EH↑→i↑腐蚀加速。

（2）氧和氧化剂对腐蚀影响

Ⅰ区：

活化腐蚀；

Ⅱ区：

钝化；

Ⅲ区：

过钝化

（3）溶液中的盐浓度影响

A线：

金属在氯化盐溶液中，开始钝化，后来发生活化加速腐蚀。

B线：

金属在中性盐溶液中，随Cl－浓度增加，局部腐蚀加快，当Cl－浓度再增加时，溶液中氧含量降低，减慢腐蚀。

（4）介质流速影响

流速较小时，随V流↑→V腐↑，当V流↑引起钝化，V流继续提高↑，破坏钝化膜。

吸氧扩散控制V流↑→V腐↑但到D点后，V流↑→V腐不变。

（5）温度对腐蚀影响

T↑→电解质电阻↓，加速阴极过程→V腐↑；

T↑→加速析氢反应→V腐↑；

T↑→C氧↓→减慢吸氧反应→V腐↓；

T↑→阳极电位正移，ib↑→钝化难易进行，→V腐↑。

（6）压力对腐蚀影响

封闭体系：

T↑→P↑→C氧↑→V腐↑；

敞开体系：

T↑→P不变→C氧↓→V腐↓。

17、99.5%的铝浸泡于发烟浓硫酸中8天，试样尺寸50×

50×

1mm3，原始重量W0=4.0530g，腐蚀后W1=4.0189g，求深度腐蚀速度（V失、V深），阳极电流密度ia。

失重腐蚀速度：

深度腐蚀速度：

V失与V深换算：

阳极电流密度ia:

V失=（4.0530-4.0189）/（0.05×

0.05×

8×

24）=7.1042×

10-2（g/m2˙h）

密度d=4.0530×

99.5%/（5×

5×

0.1）=1.6131（g/cm3）

V深=8.76×

7.1042×

10-2/1.6131=0.3858（mm/a）

Ia=3×

10-2×

96500=20566.659（A/m2）

第二章金属全面腐蚀与局部腐蚀

1、简述电偶腐蚀等几种腐蚀的定义、现象及机理。

（1）电偶腐蚀

异（双）金属腐蚀在电解质溶液中，当两种金属或合金相接触（电导通）时，电位较负的金属腐蚀被加速，而电位较正的金属受到保护的腐蚀现象。

特点：

异金属部件的组合、金属镀层、金属表面的导电性非金属膜、气流或液流带来的异金属沉积。

机理：

（1）电动序：

按照金属标准电极电位大小排列的顺序表。

判定腐蚀倾向；

（2）电偶序：

金属和合金在实际的腐蚀电位（非平衡电极电位）的相对大小排列而成的序列表；

（3）电偶腐蚀的推动力：

接触金属的电位差是电偶腐蚀的推动力。

（2）小孔腐蚀（点蚀）

腐蚀集中于金属表面的很小范围内，并深入到金属内部的蚀孔状腐蚀形态，称为小孔腐蚀或点蚀。

两个阶段：

即蚀孔成核、蚀孔生长。

A.蚀孔成核：

二种学说，即钝化膜破坏理论和吸附理论。

结果：

Cl－破坏钝化膜、形成可溶性氯化物、在新露出的基体金属的特定点（敏感位置）上生成小蚀坑点蚀核（孔蚀生成的活化中心）、孔径20～30微米。

B.蚀孔的生长（发展）----闭塞电池自催化过程：

形成蚀孔后，孔内金属处于活化状态（电位较负），蚀孔外的金属表面仍处于钝态（电位较正），于是蚀孔内外构成了膜—孔电池。

①小孔内显酸性；

②H+↑，可发生析氢；

③H+↑，孔内缺氧、再钝化困难，始终处于活化状态。

④大阴极、小阳极，加速腐蚀。

（3）缝隙腐蚀（氧浓差腐蚀、沉积腐蚀）

（1）缝隙腐蚀定义：

在金属与金属、金属和非金属之间构成狭窄的缝隙内，有电解质溶液存在，介质的迁移受到阻滞时产生的一种局部腐蚀形态称为缝隙腐蚀。

（2）水线腐蚀定义：

浸入海水中水线部分或插入土壤中的金属由于氧浓度不同发生腐蚀称为水线腐蚀。

缝隙腐蚀机理：

阳极（缝内内）：

阴极（缝内外）：

起始阶段：

缝内缺氧，缝外富氧，形成了“氧浓差电池”

腐蚀加速阶段：

缝隙几何形状及产物堆积形成“闭塞电池”，“闭塞电池”引起的酸化自催化作用。

Cl－存在，缝隙内高浓度氯化物水解：

缝隙内介质严重酸化，pH~3，加速阳极溶解。

水线腐蚀机理：

阳极（氧少处）：

阴极（氧多处）：

（4）杂散电流腐蚀

埋在地下的金属构件受到杂散电流的影响而腐蚀称为杂散电流腐蚀（漏散电流腐蚀）。

机理：

阳极（杂散电流输出部位）：

阴极（杂散电流输入部位）

（5）晶间腐蚀

在腐蚀介质中，沿着或紧挨着晶粒边界发生的腐蚀称为晶间腐蚀。

晶间腐蚀是一种危害性很大的局部腐蚀，宏观上可能没有任何明显的变化，但材料的强度显著下降，经常导致设备的突然破坏。

A.溶质贫乏理论：

含Cr不锈钢回火时，晶界碳化物（M23C6）析出，C扩散快、Cr扩散慢，碳化物周围基体出现贫Cr，导致耐蚀性下降成为阳极，被腐蚀。

B.阳极相理论：

当超低碳不锈钢，特别是高Cr、Mo钢在强氧化性介质中仍会产生晶间腐蚀。

C.晶界吸附理论：

杂质原子在晶界富集，超低碳不锈钢在强氧化性介质中（如硝酸加重铬酸盐）中也会出现晶间腐蚀。

（6）选择性腐蚀

多元合金中由于电化学性差异，使活泼组分某种金属或几种金属同时溶解，个别金属又沉积回来的腐蚀称为选择性腐蚀。

（1）选择性溶解理论：

黄铜中的锌发生选择性溶解，合金内部的锌通过表层上的复合空位迅速扩散并达到溶解反应的地点，从而继续保持溶解，由此导致表层留下疏松的同层。

（2）溶解-再沉积理论：

黄铜的脱锌由黄铜的整体溶解、锌离子留在溶液和铜又沉积回去。

（3）综合作用机理：

不同的介质环境条件下，选择性腐蚀的机理不同。

在选择性腐蚀发展的不同阶段可以有不同的机理起主导作用。

（7）应力腐蚀

应力和环境腐蚀的联合作用造成的金属破坏称为应力腐蚀。

钝化膜遭受局部破坏后，裂纹形核，并在应力作用下裂纹尖端沿某一择优路径定向活化溶解，导致裂纹扩展，最终发生断裂。

三个阶段：

孕育期，裂纹扩展区，快速断裂区。

（8）疲劳腐蚀

在循环应力（交变应力）和腐蚀环境的联合作用下金属材料发生的严重腐蚀破坏称为腐蚀疲劳（简记为CF）。

（1）蚀孔应力集中模型

（2）滑移带优先溶解模型

（9）湍流腐蚀

金属材料表面与腐蚀流体、多组元流体（即流体中含有固体粒子或液滴）相互作用，介质流速的急剧增大形成湍流，引起的金属损伤现象称为湍流腐蚀或冲击腐蚀。

现象：

磨损腐蚀的形貌常常是光滑的金属（合金）表面上呈现出带有方向性的沟、凹槽谷波纹及圆孔等，且一般按流体的流动方向切入金属表面层。

湍流不仅加速了腐蚀剂的供应和腐蚀产物的移去，而且又附加了一个流体对金属表面的切应力。

该切应力能够把已经形成的腐蚀产物剥离，并随流体转移开。

当流体中含有气泡或固体颗粒时，切应力的力矩增大，金属表面损伤更加严重。

（10）空泡腐蚀

液相流中在固体表面由于气泡（气穴）不断形成和溃灭，瞬间产生的高冲击压力对固体材料表面造成破坏称为空泡腐蚀。

金属构件的特殊几何外形未能满足流体力学的基本要求，使金属表面的局部区域产生涡流．在低压区引起溶解气体的析出或介质的气化，接近金属表面的液体，不断有气泡的形成和崩溃，而气泡溃灭时产生的冲击波类似于锤击作用，可达到14kg/mm2，使金属塑变，破坏金属表面的保护膜，使材料遇受空化磨损，导致出现诸多孔洞。

第三章金属在各种环境中的腐蚀

1、简述大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀的影响因素。

大气腐蚀机理：

（1）大气腐蚀初期的腐蚀机理机理

A.阴极过程：

O2+2H2O+4e＝4OH-。

B.阳极过程：

Fe＝Fe2++2e；

薄液膜下，阳极钝化和金属离子水化过程困难，造成阳极极化，阳极过程受阻。

C.潮的大气腐蚀：

腐蚀过程主要受阳极过程控制。

D.湿的大气腐蚀：

腐蚀过程受阴极过程控制。

（2）锈层形成后的腐蚀机理机理

A.阳极反应发生在金属/Fe3O4界面上：

Fe＝Fe2++2e

B.阴极反应发生在Fe3O4/FeOOH：

8FeOOH+Fe2++2e＝3Fe3O4+4H2O

C.当大气干燥时，锈层内的反应：

4Fe3O4+O2+6H2O＝12FeOOH

（3）锈层的结构和保护性

锈层中的盐类：

FeSO4·

7H2O、FeSO4·

4HO、Fe2（SO4）3等降低锈层保护性。

大气腐蚀的影响因素：

湿度、温度、大气成分A.大气成分中SO2的影响B.固体颗粒的影响

土壤腐蚀的机理：

（1）阳极：

A.潮湿土壤中阳极过程类似于溶液中阳极过程腐蚀；

B.干燥透气性土壤中，阳极过程接近于大气腐蚀阳极过程。

（2）阴极：

A.土壤腐蚀的阴极过程主要是氧的去极化（吸氧腐蚀）；

B.强酸性土壤中，可发生氢去极化过程；

C.某些情况下，微生物可能参与阴极还原过程。

土壤腐蚀的影响因素：

（1）水分：

土壤含水量既影响土壤导电性又影响含氧量；

（2）氧的含量：

对金属的土壤腐蚀有很大影响；

（3）盐分：

土壤愈干燥，含盐量愈少，土壤电阻率愈大；

土壤愈潮湿，含盐量愈多，土壤电阻率就愈小，随电阻率减小，土壤腐蚀性增强；

（4）pH值：

pH值愈低，土壤腐蚀性愈强。

海水腐蚀的机理：

M–ne＝Mn+阴极：

O2+2H2O+4e＝4OH-

金属在海水中的腐蚀主要是氧去极化的电化学腐蚀过程，通常受阴极过程控制。

海水腐蚀的影响因素：

（1）盐度：

氯化钠浓度刚好接近于钢铁材料腐蚀速度最大的浓度范围，溶盐超过一定值后，氧的溶解度降低，腐蚀速度下降；

（2）pH：

海水的pH一般处于中性，影响不大；

（2）碳酸盐饱和度：

在海水的pH条件下，碳酸盐一般达到饱和，易于沉积在金属表面形成保护层，当施加阴极保护时更易使碳酸盐沉积析出；

（4）含氧量：

海水中含氧量增加，腐蚀速度增加；

（5）温度：

提高温度通常能加速反应；

（6）流速：

流速也有正、反两方面作用，钝化和机械破坏；

（7）生物性因素：

动物、植物及微生物，生物的附着与污损，放出CO2、H2S以形成浓差电池。

第四章金属的高温腐蚀

1、腐蚀的热力学判据是什么？

（1）自由焓

2M+O2=2MO（高温）

∆G＜0，金属发生氧化；

∆G＝0，反应达到平衡；

∆G＞0，金属不可能发生氧化，氧化物分解。

（2）氧化物分解压

PO2＞pMO，∆G＜<

0，金属发生氧化；

PO2＝pMO，∆G＝0，反应达到平衡；

PO2＜pMO，∆G＞0，金属不可能发生氧化，氧化物分解。

2、如何评判膜的保护作用？

体积条件（P-B比）：

M金属氧化物的分子量；

n金属氧化物中金属原子个数；

A金属的原子量；

m氧化所消耗的金属重量；

dMe及DMeO2——分别为金属和金属氧化物的密度；

氧化物体积VMO与消耗的金属体积VM之比常称为P-B比。

因此P-B比大于1是氧化物具有保护性的必要条件。

3、N型、P型半导体表征什么含义？

N型半导体：

Zn2+:

O2-＝1.005：

1，相对阳离子过剩。

靠多余电子保持电中性。

P型半导体：

Ni2+:

O2-＝0.997：

1，相对阳离子不足。

靠Ni3+多余电荷保持电中性。

4、简述高温腐蚀电化学模型，画出模型图。

5、氧化动力学曲线有哪几种？

（1）直线规律

y=kt，直线规律反映表面氧化膜多孔，不完整，对金属进一步氧化没有抑制作用。

（2）抛物线规律

y2=kt,多数金属（如Fe、Ni、Cu、Ti）在中等温度范围内的氧化都符合简单抛物线规律，氧化速dy/dt与膜厚y成反比，表明氧化受离子扩散通过表面氧化膜的速度所控制。

ay2+by=kt，Fe、Cu在低氧分压气氛中的氧化符合混合抛物线规律。

（3）对数规律

y=k1Lgt+k2（t＞t0），温度比较低时，金属表面上形成极薄的氧化膜，足以对氧化过程产生很大的阻滞作用，使膜厚的增长速度变慢，在时间不太长时，膜厚实际上已不再增加，膜的成长符合对数规律。

6、铁在高温氧化时的组成。

＜570︒C，氧化膜Fe2O3、Fe3O4两层；

＞570︒C，氧化膜由内向外依此是FeO、Fe3O4、Fe2O3。

厚度比为100:

5~10：

1，FeO最厚，占90%，Fe2O3最薄，占1%，厚度比与氧化时间无关，在700︒C以上也与温度无关。

第五章耐蚀金属材料

1、金属耐蚀合金化原理有哪些？

（1）提高热力学稳定性

原理：

不耐蚀的金属中加入热力学稳定性高的合金元素形成连续保护层。

（2）降低阴极活性

阴极控制时，降低阴极反应速度。

A．减小金属或合金中的活性阴极面积。

B．加入氢超电压高的元素。

（3）降低阳极活性

阳极控制时，降低阳极反应速度。

A.减小合金表面上阳极部分的面积；

B.加入容易钝化的合金元素。

C.可钝化的体系，加入阴极性合金元素促使阳极钝化。

（4）使表面生成电阻大的腐蚀产物膜

合金化在表面生成致密的腐蚀产物膜，可加大体系的电阻，使腐蚀速度降低。

2、金属耐蚀合金化机理有哪些？

（1）有序固溶体机制

耐蚀元素形成长程有序固溶体时，单独由耐蚀元素组成的原子构成表面层，通常服从n/8规律。

（2）电子结构机制

（3）表面富集耐蚀相机制

多相合金腐蚀时，依腐蚀电位和钝化性能的不同常有一个相先溶解，另一个相富集于合金表面，若富集相耐蚀，则合金耐蚀。

（4）表面富集耐蚀组元学说

固溶体中，如果发生腐蚀后表面富集阴极组元元素，且完整覆盖表面，则可提高耐蚀性。

（5）表面富集阴极性合金元素机理

阳极钝化时需阴极元素富集表面，并促使阳极钝化。

（6）表面富集电位较正元素的机理

电位较负组元先溶解，留下较正电位组元，较正元素组元在表面扩散，覆盖整个表面。

（7）致密的腐蚀产物膜的形成

形成致密腐蚀产物膜，可有效地阻滞腐蚀过程。

3、典型的耐蚀不锈钢有哪几种？

第六章金属的保护

1、抑制阴极、阳极反应的方法。

阴极的抑制：

（1）环境与平衡电位

（2）增加氢和氧的超电压（3）去除介质中的氧和氧化剂（4）控制高价金属离子和氧化性阴离子（NO3-、NO2-等）（5）热处理调整阴极面积（6）降低温度（7）降低介质流速

阳极的抑制：

（1）阴极控制时，减小第二相的面积

（2）加入阳极钝性的合金化元素（3）活性微阴极促进阳极钝化（4）促使合金表面形成保护膜覆盖层

2、缓蚀剂定义，缓蚀率

缓蚀剂：

在腐蚀介质中加入一些少量物质，可阻止或显著地减缓金属的腐蚀速度，这些物质称为缓蚀剂。

缓蚀率（Z）：

；

表示缓蚀剂的保护效果。

K0—不加缓蚀剂金属腐蚀速度；

K—加缓蚀剂后金属腐蚀速度；

3、简述缓蚀机理。

（1）吸附理论

缓蚀剂吸附在金属表面，形成连续的吸附层，将腐蚀介质与金属隔离，起保护作用。

（2）成相膜理论

金属、缓蚀剂、腐蚀介质的离子相互作用，在金属表面生成一层不溶性的络合物。

它覆盖在金属的表面起保护作用。

（3）电化学理论

从电化学角度出发，加入缓蚀剂可以阻滞阳极、阴极过程，减缓腐蚀。

4、画出外加电流阴极保护原理图，画出极化曲线，讨论其保护原理。

将被保护的金属接外加电源负极，通阴极电流，阳极是一个不溶性的辅助电极，它们组成宏观电池，实现阴极保护。

阴极电流ic为：

ic=ia+i保;

当外加电流i保等于ic时，ia=ic－i保=0；

此时，阳极电流ia为零，阳极腐蚀停止。

5、简述牺牲阳极法保护原理。

利用比被保护件的电位更负的金属和合金制成牺牲性的阳极，使被保护件成为阴极免遭腐蚀。

6、简述阳极保护原理。

被保护金属接外电源正极时，所加电流为阳极电流，产生阳极极化，其结果是金属电位升高，进入钝态称为阳极保护。

只有钝性金属才能使用阳极保护。

反之加剧腐蚀。

7、金属覆盖层、非金属无机覆盖层、非金属有机覆盖层有哪些？

金属性覆盖层：

电镀、热镀（热浸镀）、喷镀、渗镀、化学镀、包镀、机械镀、真空镀

非金属无机覆盖层：

搪瓷涂层、硅酸盐水泥涂层、化学转化膜

非金属有机覆盖层：

涂料涂层、塑料涂层、硬橡皮覆盖层