環(huán)境腐蝕因素的電化學(xué)測定綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)4.1:環(huán)境腐蝕因素的電化學(xué)測定綜合實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解和掌握常用金屬材料在不同環(huán)境條件中的腐蝕性強(qiáng)弱和主要腐蝕形態(tài)2.掌握影響材料環(huán)境失效的主要腐蝕因素3.掌握主要環(huán)境腐蝕性因素強(qiáng)弱的測試方法二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選取不同材料、不同介質(zhì)分別進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：1.用酸度計(jì)測量所選介質(zhì)的pH值；2.采用浸泡實(shí)驗(yàn)觀察試驗(yàn)材料在不同介質(zhì)中的腐蝕形態(tài)，判斷腐蝕類型；3.測量發(fā)生均勻腐蝕材料的失重或增重，計(jì)算腐蝕速度；4.測量試驗(yàn)材料在不同介質(zhì)中的φ－t曲線三、實(shí)驗(yàn)原理金屬與周圍環(huán)境之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞或變質(zhì)，稱之為金屬腐蝕。也就是說，金屬腐蝕發(fā)生在金屬與介質(zhì)間的界面上。材料究竟發(fā)生什么樣的腐蝕、腐蝕的強(qiáng)弱主要取決于材料及其周圍介質(zhì)的性質(zhì)。不同的材料或不同設(shè)備工藝的同一種材料在同一介質(zhì)中其腐蝕性不同；同一材料在不同環(huán)境中（如溫度、pH值、濃度不同）其腐蝕性也會有很大的差別。腐蝕類型很多，也有多種分類方法。如果按材料腐蝕后的外觀特征分類：當(dāng)腐蝕均勻地發(fā)生在整個材料表面，稱為均勻腐蝕或全面腐蝕；當(dāng)腐蝕集中在某些區(qū)域，則稱為局部腐蝕。局部腐蝕又可分為電偶腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、剝蝕、選擇性腐蝕等。金屬腐蝕發(fā)生的根本原因是其熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性造成的，即金屬及其合金較某些化合物原子處于自由能較高的狀態(tài)，這種傾向在條件具備時，就會發(fā)生金屬單質(zhì)向金屬化合物的轉(zhuǎn)變，即發(fā)生腐蝕。發(fā)生化學(xué)腐蝕時，被氧化的金屬與介質(zhì)中被還原的物質(zhì)之間的電子是直接交換的。發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，金屬的氧化和介質(zhì)中某物質(zhì)的還原是在不同地點(diǎn)相對獨(dú)立地進(jìn)行的兩個過程，并且和流過金屬內(nèi)部的電子流和金屬所處介質(zhì)中的離子流形成回路，即金屬的電化學(xué)腐蝕是通過腐蝕電池進(jìn)行的，它是金屬腐蝕中最常見最重要的類型。在腐蝕過程中發(fā)生的腐蝕電池反應(yīng)如下：陽極反應(yīng)：M-ne-→Mn+陰極反應(yīng)：Ox+ne-→R總反應(yīng)：M+Ox→Mn++R式中：Ox為氧化劑，R為還原劑在大多數(shù)情況下，氧化劑通常由水中溶解的氧或氫離子承擔(dān)，陰極反應(yīng)為：1/2O2+H2O+2e→2OH-或H++e→1/2H2金屬與電解質(zhì)接觸時，在金屬與溶液界面將產(chǎn)生一電位差，這一電位差值會隨時間不斷變化，最后達(dá)到一穩(wěn)定值，通常稱之為穩(wěn)態(tài)自腐蝕電位Ecorr。測量腐蝕體系的穩(wěn)態(tài)自腐蝕電位Ecorr以及自腐蝕電位隨時間變化（E-t曲線）是判斷腐蝕過程的重要方法，可以解釋腐蝕現(xiàn)象和研究腐蝕行為。雖然實(shí)際的腐蝕體系千變?nèi)f化，但一般來說，電極電位的變化常常能反映金屬表面膜的形成過程和穩(wěn)定性、腐蝕速度是否恒定以及是否出現(xiàn)局部腐蝕等。如果電位隨時間的變化趨于“正”，常常表示保護(hù)膜增強(qiáng)了，相反地，如果E-t曲線向“負(fù)”變化，常常表明金屬表面保護(hù)膜被破壞。均勻腐蝕時，電極電位隨時間的變化是較為緩慢的，而若出現(xiàn)局部腐蝕，電極電位通常會發(fā)生突變。通過測定某材料在介質(zhì)中的電位隨時間變化曲線，可以判斷該材料在介質(zhì)中發(fā)生腐蝕傾向，將不同的材料在同一介質(zhì)中最終得到的穩(wěn)態(tài)自腐蝕電位Ecorr按由低到高的順序排列，就可得到各種金屬在某種溶液中的腐蝕電位序。從金屬在腐蝕電位序中的位置，可以判斷兩種金屬在指定的電解液中相接觸時，哪種金屬可能發(fā)生腐蝕。對于金屬在介質(zhì)中發(fā)生的均勻腐蝕，一般采用重量法測定其腐蝕速度。所謂重量法就是試驗(yàn)金屬在一定的環(huán)境與條件下，經(jīng)過腐蝕介質(zhì)一定時間的作用后比較腐蝕前后該材料的重量變化，從而確定腐蝕速度的一種方法。根據(jù)腐蝕產(chǎn)物容易去除和完全牢固的附著在試片表面的情況，可分別采用單位時間、單位面積上金屬腐蝕后的重量損失或重量增加來表示腐蝕速度。V失=W0-W1/StV增=W2-W0/St式中V失、V增為腐蝕速度（g／m2h），S為試樣表面積（m2）；t為腐蝕時間（h），W0為試樣腐蝕前的重量；W1為試樣清除腐蝕產(chǎn)物后的質(zhì)量，W2為帶有腐蝕產(chǎn)物的試樣重量。金屬的腐蝕速度在腐蝕過程中并非恒速地進(jìn)行，也就是說，其瞬間的腐蝕速度可能發(fā)生變化，因此用重量法計(jì)算腐蝕速度只是平均腐蝕速度。此外，由于各種金屬材料的密度不同，即使是均勻腐蝕，這種腐蝕速度單位并不能表征腐蝕損耗深度。為此可將平均腐蝕速度換算成單位時間內(nèi)的平均腐蝕深度，則計(jì)算公式如下：D深=＝8.76V/ρ式中D深為以腐蝕深度表示的腐蝕速度（mm/a）；V為按重量法計(jì)算的腐蝕速度（g/m2h）；ρ為金屬的密度（g/cm3），8.76為單位換算系數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)條件1.材料：碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鋅、自備；2.環(huán)境條件：20％H2SO4、20％HNO3、3％NaCl、5％NaOH、室溫25℃、高溫50℃4.儀器：PHS-3C酸度計(jì)分析天平（精確到0.1mg）電子天平（精確到0.1mg）數(shù)字電壓表五、實(shí)驗(yàn)步驟1.腐蝕形態(tài)的觀察及腐蝕速度測量（1）試樣準(zhǔn)備：準(zhǔn)備三種待測溶液和6塊同一種待測材料，試樣尺寸為5020mm，將試樣打號以示區(qū)別。用360#水砂紙、600#水砂紙打磨至均勻光亮（2）游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量試樣尺寸，根據(jù)測量結(jié)果準(zhǔn)確計(jì)算每塊試樣的面積，作好記錄；（3）試樣表面用去污粉除油，自來水沖洗干凈，濾紙吸干，吹風(fēng)機(jī)反復(fù)吹干，使試樣完全干燥冷卻；（4）將干燥后的試樣于天平上稱重，準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到0.1mg；（5）將三種待測溶液分別量取800ml于1升燒杯中，將試樣按編號分成3組，每兩個一組，用塑料絲懸掛浸入待測溶液中，注意待測試樣應(yīng)全部浸入溶液，每個試樣浸入深度要大體一致，試樣上端應(yīng)在液面下20mm；（6）自試樣浸入溶液開始記錄時間，觀察試樣表面變化及溶液介質(zhì)變化情況，1小時后取出，用自來水清洗干凈；（7）觀察腐蝕產(chǎn)物的顏色、分布情況及與表面結(jié)合是否牢固;（8）對于腐蝕產(chǎn)物易清洗的試樣，在產(chǎn)物清洗液中清除腐蝕產(chǎn)物，除凈后用流動自來水和蒸餾水將試樣清洗干凈，濾紙吸干，吹風(fēng)機(jī)反復(fù)吹干，冷卻；（9）觀察腐蝕形態(tài)，干燥后的試樣再次在天平上稱重，作記錄；（10）根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算腐蝕速率及年腐蝕深度。2.pH值及φ-t曲線的測定2.1試驗(yàn)溶液pH值的測定：（1）開機(jī)打開電源開關(guān)，指示燈亮，預(yù)熱30分鐘（2）標(biāo)定a.將選擇開關(guān)旋鈕調(diào)到pH檔；b.調(diào)節(jié)溫度補(bǔ)償旋鈕，使旋鈕白線對準(zhǔn)溶液溫度值；c.把斜率調(diào)節(jié)旋鈕順時針旋到底（即調(diào)到100％位置）；d.把用蒸餾水清洗過的電極插入pH=6.86的緩沖溶液中；e.調(diào)節(jié)定位調(diào)節(jié)旋鈕,使儀器顯示讀數(shù)與該緩沖溶液當(dāng)時溫度下的pH值相一致。f.用蒸餾水清洗電極，再插入pH=4.00(或pH=9.18)的標(biāo)準(zhǔn)溶液中，調(diào)節(jié)斜率旋鈕使儀器顯示讀數(shù)與該緩沖溶液中當(dāng)時溫度下的pH值一致；g.重復(fù)（d）-(f)步驟至不用再調(diào)節(jié)定位或斜率調(diào)節(jié)旋鈕為止；h.儀器完成標(biāo)定，定位調(diào)節(jié)旋鈕及斜率調(diào)節(jié)旋鈕不應(yīng)再有變動。（3）測量將電極用蒸餾水沖洗并用濾紙吸干，插入待測溶液中，搖動燒杯，使溶液均勻，在顯示屏上讀取溶液的pH值。測量完后用蒸餾水清洗電極頭部，并用濾紙洗干。2.2E－t曲線的測定（1）試樣準(zhǔn)備準(zhǔn)備一種待測材料共3塊，用360＃水砂紙、600＃水砂紙打磨至均勻光亮，用去污粉除油，蒸餾水沖洗，濾紙吸干。（2）將待測試樣分別浸入三種不同的試驗(yàn)溶液，自試樣浸入溶液開始記時，每隔半分鐘、1分鐘、2分鐘、5分鐘用數(shù)字電壓表測一次電位，記錄電位隨時間的變化。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理和討論1、觀察試樣在不同介質(zhì)中的腐蝕形貌，判斷腐蝕類型與強(qiáng)弱；碳鋼在硫酸中腐蝕30分鐘：現(xiàn)象：一方如即出現(xiàn)大量氣泡；腐蝕后表面發(fā)黃、局部青黑、暗淡無光。腐蝕類型：均勻腐蝕。腐蝕強(qiáng)度：強(qiáng)碳鋼在氫氧化鈉腐蝕1個小時：現(xiàn)象：無明顯現(xiàn)象；腐蝕后，反光能力下降，表面光澤較氯化鈉腐蝕后更暗淡，局部發(fā)黃腐蝕類型：均勻腐蝕。腐蝕強(qiáng)度：弱碳鋼在氯化鈉中腐蝕1個小時現(xiàn)象：無明顯現(xiàn)象；腐蝕后，反光能力下降，局部發(fā)黃。腐蝕類型：均勻腐蝕。腐蝕強(qiáng)度：弱2、均勻腐蝕金屬的腐蝕速度測試結(jié)果記錄，如下表：編號材料腐蝕介質(zhì)腐蝕時間t（h）試件原重W0（g）腐蝕后重W（g）失重W0-W（g）腐蝕面積m2腐蝕速度g/m2*h腐蝕深度mm/h1碳鋼H2SO40.511.362211.3151-0.04710.00100916693.34436818-104.69867672碳鋼H2SO40.511.250511.2041-0.04640.00100580492.26449686-103.4874513碳鋼NaOH111.123111.123-0.00010.0009900160.101008469-0.113295034碳鋼NaOH111.137311.137-0.00030.00099720.300842359-0.33743655碳鋼NaCl111.06611.06630.00030.00101297-0.296158820.332183266碳鋼NaCl111.263711.263700.00101200

3、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制各試驗(yàn)材料在試驗(yàn)溶液中的φ－t曲線，如下：碳鋼在NaOH中：碳鋼在NaCl中：4、ph測定及銅的相對標(biāo)準(zhǔn)電位測定：

ph測定：H2SO4溶液,ph試紙，反應(yīng)前:1 NaOH溶液,ph試紙，反應(yīng)前：13 NaCl溶液，碳鋼腐蝕，反應(yīng)前：4.93 NaCl溶液，碳鋼腐蝕，反應(yīng)后：5.50φ： Cu，CuSO4溶液：0.064 Cu，NaCl溶液：-0.2285、綜合分析影響金屬材料環(huán)境失效的主要腐蝕因素。通過本實(shí)驗(yàn)可以較明確發(fā)現(xiàn)，溶液本身的性質(zhì)和溶液pH值對腐蝕有較明確的影響。pH值：ph值對腐蝕的方式和速度都有很大的影響，pH較小的酸性溶液易發(fā)生析氫腐蝕，腐蝕速度快，腐蝕現(xiàn)象明顯；而pH較大的堿性溶液，發(fā)生吸氧腐蝕，鈍化作用明顯加強(qiáng)，腐蝕速度慢，腐蝕不明顯；對于中性溶液，僅發(fā)生微弱的腐蝕作用，現(xiàn)象更加不明顯。溶液性質(zhì)：NaCl溶液對碳鋼腐蝕，電位向“負(fù)”變化，表面保護(hù)膜被破壞，但這個過程在較短的時間內(nèi)就完成，之后的改變逐步減慢，腐蝕速度大大降低，在短時間內(nèi)容甚至無法觀察出電位變化。而對于NaOH腐蝕碳鋼的過程中，電位向“正”向變化，明陽極表面膜的保護(hù)能力得到加強(qiáng)。這個過程前期反應(yīng)快，后期反應(yīng)減慢，但從圖像中觀察發(fā)現(xiàn)，這個反應(yīng)過程速度基本不變，不斷進(jìn)行著腐蝕的過程。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，也沒有明確的減慢速度的現(xiàn)象。因此：溶液性質(zhì)對腐蝕過程有很大影響。七、思考題1.何謂失重法？在什么情況下用重量法測定腐蝕速度？答：失重法及試驗(yàn)金屬在一定的條件下的腐蝕介質(zhì)中，腐蝕一定時間的作用后比較腐蝕前后該材料的重量變化以確定腐蝕速