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)。