金属腐蚀原理实验指导书.docx
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金属腐蚀原理实验指导书
实验一失重法测定金属腐蚀速度
一实验目的
1、通过实验进一步了解金属腐蚀现象和原理，了解某些因素（如不同介质，介质的浓度，是否加有缓蚀剂等）对金属腐蚀速度的影响。
2、掌握一种测定金属腐蚀速度的方法——重量法。
二实验原理
目前测定腐蚀速度的方法很多，如重量法，电阻法，极化曲线法，线形极化法等。
所谓重量法，就是使金属材料在一定的条件下（一定的温度、压力、介质浓度等）经腐蚀介质一定时间的作用后，比较腐蚀前后该材料的重量变化从而确定腐蚀速度的一种方法。
对于均匀腐蚀，根据腐蚀产物容易除去或完全牢固地附着在试样表面的情况，可分别采用单位时间、单位面积上金属腐蚀后的重量损失或重量增加来表示腐蚀速度：
（1-1）
式中K——腐蚀速度克/米2·小时（K为负值时为增重腐蚀产物未清除）；
s——试样面积米2；
t——试验时间小时；
W0——试验前试片的重量克；
W——试验后试片的重量克（清除腐蚀产物后）
对于均匀腐蚀的情况，以上腐蚀速度很容易按下式换算成以深度表示的腐蚀速度：
（1-2）
式中Ke——一年腐蚀深度毫米/年；
d——试验金属的密度克/厘米3。
重量法是一种经典的试验方法，然而至今仍然被广泛应用，这主要是因为试验结果比较真是可靠，所以一些快速测定腐蚀速度的实验结果还常常需要与其对照。
重量法又是一种应用范围广泛的实验方法，它适用于室内外多种腐蚀实验，可用于评定材料的耐蚀性能。
评选缓蚀剂，改变工艺条件时检查防蚀效果等。
重量法是测定学金属腐蚀速度的基础方法，学习掌握这一方法是十分必要的。
但是，应当指出，重量法也有其局限性和不足。
首先，它只考虑均匀腐蚀的情况，而不考虑腐蚀的不均匀性；其次，对于失重法很难将腐蚀产物完全除去而不损坏基体金属，往往由此造成误差，对于晶间腐蚀的情况，由于腐蚀产物残留在样品种不能除去，如果用重量法测定其腐蚀速度，肯定不能说明实际情况，另外对于重量法要想作出K-t曲线往往需要大量的样品和很长的实验周期。
本实验是碳钢在敞开的酸溶液中的全浸实验，用重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，由于条件的不同而呈现出复杂的规律。
酸类对于金属的腐蚀规律很大程度上取决于酸的氧化性。
非氧化性的酸，如盐酸，其阴极过程纯粹是氢去极化过程；氧化性的酸，其阴极过程则主要是氧化剂的还原过程。
然而，我们不可能把酸类截然分为氧化性酸和非氧化性酸。
例如当硝酸比较稀时，碳钢的腐蚀速度随浓度的增加而增加，是氢去极化腐蚀，当硝酸浓度超过30％时，腐蚀速度迅速下降，浓度达到50％时，腐蚀速度降到最小成为氧化性的酸，此时碳钢在硝酸中的腐蚀的阴极过程是：
NO3－＋2H+＋2e→NO2－＋H2O
酸中加入适量缓蚀剂能阻止金属腐蚀速度或降低金属腐蚀速度。
三实验内容与步骤
（一）试样的准备工作
1、为了消除金属表面原始状态的差异，以获得均一的表面状态，试样需要打磨。
2、试样编号，以示区别。
3、准确测量试样尺寸，用游标卡尺准确测量试样尺寸，计算出试样面积，并将数据记录在记录本上。
4、试样表面除油，首先用毛刷、软布在流水中清除试样表面黏附的残屑、油污，然后用丙酮清洗，用滤纸吸干，经除油后的试样避免再用手摸，用干净纸包好，放入干燥器中干燥24小时。
5、将干燥后的试样放在分析天平上称重，准确度应达0.1mg，称量结果记录在附表中。
（二）腐蚀实验
1、分别量取500ml下列溶液“
20％H2SO4；
20％H2SO4＋硫脲（10克/升）；
20％HNO3；
60％HNO3
将其分别放在四个预先冲洗干净的烧杯中。
2、将试样按编号分成四组（每组两片），用尼龙丝悬挂，分别浸入以上四个烧杯中。
试样要全部浸入溶液，每个试样浸泡深度要求大体一致，上端应在液面以下20mm。
3、自试样浸入溶液时开始记录腐蚀时间，半小时后，将试样取出，用水清洗。
（三）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，通常去除腐蚀产物的方法有机械法、化学法和电化学方法。
本实验试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
目前化学法除锈常用的试剂很多，对于铁和钢来说主要有：
（1）20％NaOH＋200g/l锌粉，沸腾5分钟。
（2）浓HCl＋50g/lSnCl2＋20g/lSbCl3，冷，直至干净。
（3）12％HCl＋0.2％As2O3＋0.5％SnCl2＋0.4％甲醛，50℃，15～40分钟。
（4）10％H2SO4＋0.4％甲醛，40～50℃10分钟。
（5）12％HCl＋1～2％乌洛托品，50℃或常温。
（6）饱和氯化铵＋氨水，常温，直到干净。
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，放在干燥器内干燥24小时。
4、干燥后的试样称重。
结果记录在表中。
四试剂及设备
游标卡尺、毛刷、干燥器、分析天平、烧杯、量筒、时钟、温度计、玻璃棒、镊子、滤纸
丙酮、去离子水、硫酸、硫脲、硝酸
五实验结果评定
金属腐蚀性能的评定方法分为定性及定量两类。
（一）定性评定方法
1、观察金属试样腐蚀后的外形，确定腐蚀是均匀的还是不均匀的，观察腐蚀产物的颜色，分布情况及金属表面结合是否牢固。
2、观察溶液颜色有否变化，是否有腐蚀产物的沉淀。
（二）定量评定方法
如果腐蚀是均匀的，可根据（1-1）式计算腐蚀速度，并可根据（1-2）式换算成年腐蚀深度。
根据下式计算20％H2SO4加硫脲后的缓蚀率：
式中K——未加缓蚀剂时的腐蚀速度；
K’——加入缓蚀剂后的腐蚀速度。
六思考题
1、为什么试样浸泡前表面要经过打磨？
2、为什么要保证试样面积与溶液体积之比？
放太多的试样或同时放几种类型不同的金属对腐蚀速度测定有何影响？
3、试样浸泡深度对实验结果有何影响？
4、何谓缓蚀剂？
实验一失重法测定金属腐蚀速度
一实验目的
1、通过实验进一步了解金属腐蚀现象和原理，了解某些因素（如不同介质，介质的浓度，是否加有缓蚀剂等）对金属腐蚀速度的影响。
2、掌握一种测定金属腐蚀速度的方法——重量法。
二实验原理
三实验步骤
四实验数据记录及处理
表1-1
测量尺寸
编号
长a
mm
宽b
mm
厚c
mm
面积s
备注
1
2
3
4
5
6
7
8
表1-2
组
别
腐蚀介质
编号
腐蚀
时间
t
试样
原重
W0/克
腐蚀后重
W/克
失重量
W0－W/克
腐蚀
速率
K
腐蚀
深度
Ke
缓蚀率
％
备
注
一
1
2
二
3
4
三
5
6
四
7
8
五实验分析
实验二阳极极化曲线的测定
一实验目的
1、掌握用恒电流和恒电位法测定金属极化曲线的原理和方法。
2、通过阳极极化曲线的测定，判定实施阳极保护的可能性，初步选取阳极保护的技术参数。
3、掌握恒电位仪的使用方法。
二实验原理
图2.1金属极化曲线
ab活性溶解区b临界钝化点
bc过渡钝化区cd稳定钝化区
de过（超）钝化区
阳极电位和电流的关系曲线叫做阳极极化曲线。
为了判定金属在电解质溶液中采取阳极保护的可能性，选择阳极保护的三个主要技术参数——致钝电流密度、维钝电流密度和钝化区的电位范围，需要测定阳极极化曲线。
阳极极化曲线可以用恒电位法和恒电流发测定。
图2.1是一条典型的阳极极化曲线。
曲线abcde是恒电位法测得的阳极极化曲线。
当电位从a逐渐向正向移动到b点时，电流也随之增加到b点，当电位过b点以后，电流反而急剧减小，这是因为在金属表面上生成一层高电阻耐腐蚀的钝化膜，钝化开始发生。
人为控制电位的增高，电流逐渐衰减到c。
在c点之后，电位若继续增高，由于金属完全进入了钝态，电流维持在一个基本不变得很小的值——维钝电流。
当使电位增高到d点以后，金属进入了过钝化状态，电流又重新增大。
从a点到b点的范围叫活性溶解区，从b点到c点叫钝化过渡区，从c点到d点叫钝化稳定区，过d点以后叫过钝化区。
对应于b点的电流密度叫致钝电流密度，对应于cd段的电流密度叫维钝电流密度。
若把金属作为阳极，通以致钝电流使之钝化，再用维钝电流去保护其表面的钝化膜，可使金属的腐蚀速度大大降低，这就是阳极保护原理。
用恒电流法测不出上述曲线的bcde段。
在金属受到阳极极化时其表面发生了复杂的变化，电极电位成为电流密度的多值函数，因此当电流增加到b点时，电位即由b点跃增到很正的e点，金属进入了过钝化状态，反映不出金属进入钝化区的情况。
由此可见只有用行电位法才能测出完整的阳极极化曲线。
本实验采用恒电位仪逐点恒定阳极电位，同时测定对应的电流值，并在半对数坐标纸上绘成φ－lgi曲线，即为恒电位阳极极化曲线。
三试剂与设备
恒电位仪、饱和甘汞电极、铂电极、电解池、碳钢试件、氨水、碳酸氢铵、量筒、水砂纸、无水乙醇棉、电炉
四实验步骤
（一）试验溶液的配制
1、烧杯内放入700ml去离子水，在电炉上加热到40℃左右停止加热，放入160克碳酸氢铵并用玻璃棒不断搅拌。
2、在上述溶液中加入65ml浓氨水。
3、将配制好的溶液注入极化池中。
（二）操作步骤
1、用水砂纸打磨工作电极表面，并用无水乙醇棉擦拭干净待用。
2、按仪器使用说明书连接好电路，经指导教师检查无误后方可进行实验。
3、测碳钢试样在NH4HCO3－NH4OH体系中的自然腐蚀电位约为－0.85V，稳定15分钟，若电位偏正，可先用很小的阴极电流（50μA/cm2左右）活化1～2分钟再测定。
4、调节恒电位（从自然腐蚀电位开始）进行阳极极化，每隔两分钟增加50mV，并分别读取不同电位下相应的电流，当电极电位达到＋1.2V左右时即可停止试验。
五实验结果及数据处理
1、数据记录
试样材料尺寸
介质成分介质温度
参比电极辅助电极
自然腐蚀电位
2、结果及数据处理
（1）求出各点的电流密度，填入表中
（2）在半对数坐标纸上将所得数据做成E－lgi关系曲线。
（3）指出碳钢在本实验溶液中进行阳极保护的三个基本参数。
六思考题
1、试分析阳极极化曲线上各段及各特正点的意义。
2、阳极极化曲线对实施阳极保护有何指导意义？
3、若采用恒电流法测定该体系的极化曲线，会得到什么样的结果？
4、自腐蚀电位，析氢电位和析氧电位各有何意义？
实验二阳极极化曲线的测定
一实验目的
1、掌握用恒电流和恒电位法测定金属极化曲线的原理和方法。
2、通过阳极极化曲线的测定，判定实施阳极保护的可能性，初步选取阳极保护的技术参数。
3、掌握恒电位仪的使用方法。
二实验原理
三试剂与设备
四实验步骤
五实验结果及数据处理
1、数据记录
试样材料尺寸
介质成分介质温度
参比电极辅助电极
自然腐蚀电位
2、E－i数据记录表
E
i
logi
E
i
lgi
3、绘制E～lgi关系曲线图
六实验分析
实验三极化曲线评选缓蚀剂
一实验原理
利用现代的电化学测试技术，已经可以测得以自腐蚀电位为起点的完整的极化曲线。
如图1所示。
这样的极化曲线可以分为三个区：
（1）线形区－AB段；
（2）弱极化区－BC段；（3）塔菲尔区－直线CD段。
把塔菲尔区的CD段外推与自腐蚀电位的水平线相交于O点，此点所对应的电流密度即为金属的自腐蚀电流密度ic。
根据法拉第定律，即可以把ic换算为腐蚀的重量指标或腐蚀的深度指标。
对于阳极极化曲线不易测准的体系，常常只由阴极极化曲线的塔菲尔直线外推与φc的水平线相交以求取ic。
这种利用极化曲线的塔菲尔直线外推以求腐蚀速度的方法称为极化曲线法和塔菲尔直线外推法。
它有许多局限性：
它只适用于活化控制的腐蚀体系，如析氢型的腐蚀。
对于浓度极化较大的体系，对于电阻较大的溶液和在强烈极化时金属表面发生较大变化（如膜的生成或溶解）的情况就不适用。
此外，在外推作图时也会引入较大的误差。
图2缓蚀剂阻滞电极过程的极化曲线
（a）－缓蚀剂阻滞阴极过程（阴极型）（b）－缓蚀剂阻滞阳极过程（阳极型）
（c）－缓蚀剂阻滞阴阳极过程（混合型）
用极化曲线法评定缓蚀剂是基于缓蚀剂会阻滞腐蚀的电极过程，降低腐蚀速度，从而改变受阻滞的电极过程的极化曲线的走向，如图2所示。
由图中可见，未加缓蚀剂时，阴阳极理想极化曲线相交于S0，腐蚀电流为I0。
加入缓蚀剂后，阴阳极理想极化曲线相交于S点，腐蚀电流为I。
I比I0要小得多。
可见缓蚀剂明显地减缓了腐蚀。
根据缓蚀剂对电极过程阻滞的机理不同，可以将缓蚀剂分为阴极型、阳极型和混合型。
缓蚀剂的缓蚀效率也可以直接用腐蚀电流来计算：
式中Z－缓蚀剂的缓蚀率；I0－未加缓蚀剂时金属在介质中的腐蚀电流；
I－加缓蚀剂后金属在介质中的腐蚀电流。
二实验目的及要求
1、掌握用极化曲线塔菲尔区外推法测定金属的腐蚀速度、评选缓蚀剂的原理和方法；
2、评定乌洛托品在盐酸水溶液中对碳钢的缓蚀效率。
三实验仪器与试剂
恒电位仪、饱和甘汞电极和盐桥、铂电极、碳钢试件、电解池、三角烧瓶、盐酸、
乌洛托品、试件夹具、试件预处理用品
四实验相关知识点
1、以电流密度表示的金属腐蚀速度与重量指标之间的换算关系；
2、恒电流法测定极化曲线的方法；
3、缓蚀剂的类型（按作用机理划分）；
4、缓蚀效率的计算。
五实验步骤
（一）准备工作
准备好待测试件、打磨、测量尺寸、安装到带聚四氟乙烯垫片的夹具上，脱脂、冲洗并安装于电解池中。
（二）操作要求
按仪器说明书连接好线路，装好仪器。
按恒电位仪的操作规程进行操作：
恒电位仪的“电流测量”置于最大量程，预热，调零。
测定待测电极的自腐蚀电位，调节给定电位等于自腐蚀电位，再把“电流测量”置于适当的量程，进行极化测量，即从自腐蚀电位开始，由小到大增加极化电位。
电位调节幅度可由10、20、30毫伏逐渐增加到80毫伏左右，每调节一电位值1～2分钟后读取电流值。
（三）测量
按上述步骤作如下测量：
测定碳钢在1N盐酸水溶液中的阴极极化曲线，然后，重测其自然腐蚀电位，再测定其阳极极化曲线；更换或重新处理试件，在上述介质中加入0.5％乌洛托品，并测定此体系中的自然腐蚀电位及阴、阳极极化曲线。
六思考问题
1、为什么可以用自腐蚀电流密度ic代表金属的腐蚀速度？
如何由ic换算为腐蚀的重量指标和深度指标？
2、本实验的误差来源有哪些？
实验三极化曲线评选缓蚀剂
一、实验内容
（一）实验原理
1、极化曲线法测金属腐蚀速度
2、评选缓蚀剂的原理和方法
（二）缓蚀剂的缓蚀效率计算方法
二、实验目的及要求
三、实验仪器设备
四、实验实施步骤
（一）极化曲线的测量
（二）实验原始数据记录
试件材质介质成分介质温度
试件暴露面积参比电极参比电极电位
辅助电极试件自腐蚀电位
极化电位
极化电流
极化电位
极化电流
极化电位
极化电流
φ
φ－φc
φ
φ－φc
φ
φ－φc
1、极化曲线的绘制
2、缓蚀剂缓蚀效率的计算
五、实验数据分析及总结
实验四临界孔蚀电位的测定
一实验目的
1、初步掌握有钝化性能的金属在腐蚀体系中的临界孔蚀电位的测定方法。
2、通过绘制有钝化性能的金属的阳极极化曲线，了解击穿电位和保护电位的意义，并应用其定性地评价金属耐孔蚀性能的原理。
3、进一步了解恒电位技术在腐蚀研究中的重要作用。
二实验原理
不锈钢、铝等金属在某些腐蚀介质中，由于形成钝化膜而使其腐蚀速度大大降低，而变成耐蚀金属。
但是，钝态是在一定的电化学条件下形成（如某些氧化性介质中）或破坏的（如在氯化物的溶液中）。
在一定的电位条件下，钝态受到破坏，孔蚀就产生了。
因此，当把有钝化性能的金属进行阳极极化，使之达到某一电位时，电流突然上升，伴随着钝性被破坏，产生腐蚀孔。
在此电位之前，金属保持钝态，或者虽然产生腐蚀点，但又能很快地再钝化，这一电位叫做临界孔蚀电位
。
常用于评价金属材料的孔蚀倾向性。
临界孔蚀电位越正，金属耐孔蚀性能越好。
一般而言，
依溶液的组分、温度、金属的成分和表面状态以及电位扫描速度而变。
在溶液组分、温度、金属的表面状态和扫描速度相同的条件下，
代表不同金属的耐孔蚀趋势。
本实验采用恒电位手动调节，当阳极极化到
时，随着电位的继续增加，电流急剧增加，一般在电流密度增加到200～2500微安/厘米2时，就进行反方向极化（即往阴极极化方向回扫），电流密度相应下降，回扫曲线并不与正向曲线重合，直到回扫地电流密度又回到钝态电流密度值，此时所对应的电位
为保护电位。
这样整个极化曲线形成一个“滞后环”把
～i图分为三个区：
必然孔蚀区、可能孔蚀区和无孔蚀区。
可见回扫曲线形成的滞后环可以获得更具体判断孔蚀倾向的参数。
三试剂与设备
恒电位仪、参比电极、辅助电极、电解池、温度计、18-8不锈钢试件（经钝化处理）、
氯化钠水溶液
四实验步骤
1、待测试件准备：
把18-8不锈钢试件放入60℃、30％的硝酸水溶液中钝化1小时，取出冲洗、干燥。
对欲暴露的面积要用砂纸打磨光亮，测量尺寸。
分别用丙酮和无水乙醇擦洗以清除表面的油脂，待用。
2、连接好线路，测定自腐蚀电位值，直到取得稳定值为止，记录。
3、调节恒电位仪的给定电位，使之等于自腐蚀电位，由
开始对研究电极进行阳极极化，由小到大逐渐加大电位值。
起初每次增加的电位幅度小些（如10～30毫伏），并密切注意电流表的指示值，在电位调节好以后1～2分钟读取电流值。
在孔蚀电位以前，电流值增加很少，一旦到达孔蚀电位，电流值便迅速增加。
当电位接近孔蚀电位时，要细致调节以测准孔蚀电位。
过孔蚀电位后，电位调节幅度可以适当加大（如每次调50～60毫伏），当电流密度增加爱到500微安/厘米2左右时，即可进行反方向极化，回扫速度可由每分钟30毫伏减小到10毫伏左右，直到回归的电流密度又回到钝态，即可结束实验。
五数据记录及处理
试件材质试件暴露面积
介质成分介质温度
参比电极参比电极电位
辅助电极试件自腐蚀电位
时间
电极电位
电流强度I
现象
＝
＝
六思考题
1、根据测定临界孔蚀电位曲线的特点，讨论恒电位技术在孔蚀电位测定中的重要作用。
2、产生缝隙腐蚀的原因是什么？
封装试件中如何放置缝隙腐蚀的产生？
实验四临界孔蚀电位的测定
一实验目的
4、初步掌握有钝化性能的金属在腐蚀体系中的临界孔蚀电位的测定方法。
5、通过绘制有钝化性能的金属的阳极极化曲线，了解击穿电位和保护电位的意义，并应用其定性地评价金属耐孔蚀性能的原理。
6、进一步了解恒电位技术在腐蚀研究中的重要作用。
二实验原理
三试剂与设备
恒电位仪、参比电极、辅助电极、电解池、温度计、18-8不锈钢试件（经钝化处理）、
氯化钠水溶液
四实验步骤
五数据记录及处理
试件材质试件暴露面积
介质成分介质温度
参比电极参比电极电位
辅助电极试件自腐蚀电位
时间
电极电位
电流强度I
现象
由图中可知
＝
＝
六思考题
1、根据测定临界孔蚀电位曲线的特点，讨论恒电位技术在孔蚀电位测定中的重要作用。
2、产生缝隙腐蚀的原因是什么？
封装试件中如何放置缝隙腐蚀的产生？
七实验小结
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