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1、-实验一电偶腐蚀-第 12 页实验一、电偶腐蚀试验目的：通过失重法和电位、电流测量实验，了解电偶的形成与单一金属腐蚀速率、耦合电位等参数的相互关系，同时通过实验数据了解电偶腐蚀的特点、腐蚀介质、电位差、面积比等因素对电偶腐蚀的影响规律，并总结出相对应的预防措施。穿插进行伊文斯盐水滴试验，观察氧浓差腐蚀原电池的阴、阳极反应以及阴、阳极区的划分。试验原理： 电偶腐蚀：当一种不太活泼的金属(阴极)和一种比较活泼的金属(阳极)在电解质溶液中接触时，因构成腐蚀原电池而引发电流，从而造成（主要是阳极金属）电偶腐蚀。电偶腐蚀也称双金属腐蚀或金属接触腐蚀。电偶腐蚀首先取决于异种金属之间的电极电位差。这一电位指
2、的是两种金属分别在电解质溶液(腐蚀介质)中的实际电位。通常在手册、资料中能找到的是各种金属、合金在特定的介质中按腐蚀电位高低排列的电位顺序表，称作电偶序。在其它条件不变的情况下，它们之间的电位差愈大，腐蚀初始驱动力愈大。影响电偶腐蚀的因素还有介质导电性、极化性及面积比。面积比是指阴、阳极面积比，比值愈大，即大阴极小阳极组成的电偶，其阳极腐蚀电流密度愈大，腐蚀愈严重。在腐蚀电偶的阳极区有涂层时也会出现大阴极小阳极的情况，结果造成极严重的局部腐蚀而迅速穿孔。对于耦合电流的测定，可以采用零欧姆计直接测定耦合电流，主要就是在测定耦合电流时，不引入耦合电阻，使得测定结果具有较高的准确度。在实验室测定时如
3、果没有零欧姆计，可以采用万用表或者直流电流表直接测定，也可以采用外加标准电阻测定电位差的方式进行评价，需要注意的是外加标准电阻越小测定准确度就越高，一般采用0.05欧姆或者更小的外加电阻，最后换算成耦合电流即可。常用的腐蚀评定方法：1. 失重法 由于腐蚀作用，材料的重量会发生系统变化，此即重量法测定材料抗蚀能力的理论基础。虽然近年来发展了许多新的腐蚀研究方法，但重量法仍然是最基本的定量评定腐蚀的方法，并已被广泛应用。重量法简单而直观，适用于实验室和现场试验。失重法是一种筒单而直接的方法；它不要求腐蚀产物牢固附着在材料表面，也不考虑腐蚀产物的可溶牲，因为试验结束后必须从试样上请除全部腐蚀产物。失
4、重法直接表示由于腐蚀而损失的材料重量，不经过腐蚀产物的化学组成分析和换算。这些优点使失重法得到广泛的应用。失重法试验过程为：对预先制备的试样测量尺寸、经准确称重后置于腐蚀介质中，试验金属结束后取出，清除全部腐蚀产物后清洗、干燥、再称重。试样的失重直接表征材料的腐蚀程度。在暴露试验前后与试验过程中，以及在清除腐蚀产物前后，必须仔细观察并记录材料表面和介质中的各种变化。1.1 重量法测定腐蚀速率结果评定重量法是根据试样在腐蚀前后的重量变化来测定腐蚀速度的。为方便各次不同试验及不同试样的数据能够互相比较，通常采用单位时间内单位面积上的重量变化表征平均腐蚀速度（gm-2h-1）。从腐蚀试验前后的试样重
5、量差计算腐蚀速度v(gm-2h-1)。公式如下：失重速度 式中：A 试样面积，m2； t 试验周期，h； W0 试样原始重量，g； W2试验后含与不含腐蚀产物的试样重量，g； W3 清除腐蚀产物时同样尺寸同种材料空白试样的校正失重，g；1.2 重量法测定腐蚀速率时腐蚀产物清除方法为了取得准确得失重法实验结果，必须清除试样表面的腐蚀产物，但又不损伤金属基材本身。实际上完全不损伤基材是不可能的，只要求损伤对腐蚀结果无明显影响即可。对于不同金属材料和不同腐蚀产物应采用不同的清除腐蚀产物的方法。一般有机械法、化学法和电解法三种。1) . 机械法 一般先用自来水冲洗，并用橡皮或硬毛刷擦洗，或用木制刮刀、
6、塑料刮刀刮擦。对绝大部分疏松腐蚀产物用此法已可清除干净。但要完全清除掉腐蚀产物以精确测试或检查局部腐蚀状况时，尚需进一步采用化学法或电化学法。2). 化学法 选择适宜的化学溶液及操作条件通过溶解除去试样表面的腐蚀产物的方法。为了保护金属基体，在化学清除的溶液中往往需要加入缓蚀剂。表10-11列出一些常用的清除腐蚀产物的化学方法。这些方法并不复杂，但在使用时有可能损伤基材，造成试验误差。为此，应在清除工作的同时，将未经腐蚀的相同尺寸的同种材料作空白试样在相同条件下清洗处理，求其失量，然后在实际试样的失重中减去此数，以取得比较真实的试样失重量。表1-1 针对不同材质清除腐蚀产物的化学方法材料溶液时
7、间，min温度备注铝合金70%HNO323室温随后轻轻擦洗20%CrO3，5%H3PO4107985 oC用于氧化膜不溶解于硝酸的情况铜及其合金1520%HCl23室温随后轻轻擦洗510%H2SO423室温随后轻轻擦洗铝及其合金10%醋酸10沸腾随后轻轻擦洗，除PbO5%醋酸铵热随后轻轻擦洗，除PbO80g/LNaOH，50g/L甘露糖醇，硫酸肼30或至清除为止沸腾随后轻轻擦洗铁和钢20% NaOH，20g/L锌粉5沸腾浓盐酸，50g/LSnCl2+ 20g/LSbCl325或至清除为止冷搅拌溶液10%或20%HNO32060oC用于不锈钢，需避免氯化物的污染含有0.15%有机缓蚀剂的15%的
8、浓H3PO4清除为止室温可去除氧化条件下钢表面上形成的氧化皮镁及其合金15%CrO3，1%AgCrO415沸腾镍及其合金1520%HCl清除为止室温10%H2SO4清除为止室温锡及其合金15%的Na3PO410沸腾随后轻轻擦洗锌先用10%NH4Cl，然后用15%CrO3，1%AgCrO4520s室温沸腾随后轻轻擦洗饱和醋酸铵清除为止室温随后轻轻擦洗100g/L NaCN15室温3) . 电化学法 选择适当的阳极和电解质，以试样为阴极，外加直流电的电解方法。电解时阴极产生氢气，在氢气泡的机械作用下，使腐蚀产物剥离，残留的疏松物质可用机械法冲刷除净。此法效果较好，空白试样失重小。适用于碳钢和许多金
9、属材料的两种电解操作条件示例如下：电解液为5%H2SO4，阳极为碳棒，阴极为试样，阴极电流密度为20A/dm2，加入有机缓蚀剂(如若丁)，2ml/L，温度75oC，暴露时间为3min。实验用品：导线，开关，0.05欧姆标准电阻，烧杯，万用表，232型饱和甘汞参比电极，盐桥，自制参比电极。锌-碳钢（面积比1：1），锌-碳钢（面积比1：5）；铜-锌，以及游标卡尺。KQ-100型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）HWL-1型恒电位/恒电流仪（山东电讯七厂有限责任公司）自制实验用反应容器实验用腐蚀介质：普通海水、酸化海水pH=34实验方法：1 失重法不同面积比耦合以及单独存在条件下的腐蚀失重2 电
10、位、电流测定耦合电位和耦合电流，开路电位实验步骤：1 根据实验要求的表面积，以纯锌片为基准面积将纯锌、普通碳钢试片按照1：5（1片）和1：1（各2片）的面积比切割，并除去表面的油污和锈迹；2 以纯锌片为基准面积将纯锌、铜试片按照1：1的面积比切割各自2片，3 选取面积比为1：1：1的锌、碳钢、铜各1片将表面氧化物用砂纸分别打磨除锈、碱液除油、自来水清洗、乙醇清洗晾干，干燥称重后，分别安置在装有天然海水容器中；以自制Ag/AgX电极为参比电极，开始间隔3分钟测定并记录一次各自的开路电位；测定4次后，间隔10分钟测定一次开路电位，实验一小时，将试片取出用自来水冲洗干净，滤纸擦干、吹风机风干后分别称
11、重。记录表格见表1-3 Cu Zn 海 水 50m标准电阻 图1-1 实验连接示意图4 将洁净并预先分别称重的面积比为1：1和1：5的纯锌和普通碳钢试片以及面积比为1：1的铜-锌试片，按照图1-1所示方法连接好，电阻阻值选取0.05欧姆，间隔10分钟测定一次各自试片附近的电位，以及电阻两端的电位差（注意，电位测定表头的量程以及参比电极的测定位置选取），测定天然海水中的变化，测定1小时。5 一小时后拆开连接并将试片用自来水冲洗干净，滤纸擦干、吹风机风干后分别称量重量。6 将使用过的试片、仪表、测试表头等按照要求放置在固定位置。数据记录与结果处理分别记录上述各实验现象，并根据实验原理分析产生现象的
12、原因。表1-2 面积比为1:1:1的纯锌、碳钢、铜分别放置于海水中1个小时前后的重量W0W1纯锌碳钢铜表1-3 面积比为1:1:1的纯锌、碳钢、铜分别放置于海水中1个小时开路电位变化1 min4 min7 min10min20min30min40min50min60min锌碳钢铜表1-4不同面积比电偶形成在海水中浸泡1小时质量和电阻两端的电位变化 电位试样10min20min30min40min50min60min实验前质量实验结束后质量锌1:碳钢5锌1:碳钢1锌1:铜1表1-3 不同面积比纯锌、碳钢、铜分别放置于海水中1个小时耦合电位变化 电位试样时间样品1 min4 min7min10mi
13、n20min30min40min50min60min锌1:碳钢5ZnFe锌1:碳钢1ZnFe锌1:铜1ZnCu分析与讨论1、 重量法的优点、缺点和适用范围。2、 电偶腐蚀有什么特点？电位差、面积比等因素对电偶腐蚀的影响规律？3、 怎样预防电偶腐蚀？4、 为什么选用测定电流的标准电阻需要小于50m?这个电阻的大小对最终测定的电流效率有何影响？附录：伊文思盐水滴试验伊文斯盐水滴试验可以用来区分钢铁表面腐蚀的阴、阳极区。将一滴加有酚酞和铁氰化钾（K3Fe(CN)6）指示剂的食盐水3.5 wt% 滴在干净的铁表面，从其颜色的变化可以观察到腐蚀的进行及阴、阳极区。在缺氧的中心区，发生如下阳极反应： 2F
14、e - 4e Fe2+在盐水滴外缘，由于氧的浓度较大，发生如下阴极过程： O2 + H2O + 4e 4OH-这个试验一方面说明了阴阳极反应的相对部位，另一方面指出，由于氧浓差所引起的电化学不均匀性，导致了铁的局部腐蚀。可以根据实验进行的时间间隔穿插进行伊文思盐水滴试验将一滴加有酚酞和铁氰化钾（K3Fe(CN)6）指示剂的3.5%食盐水，滴在干净的铁试片表面，观察腐蚀的进行及阴、阳极区各自的现象并给予合理的解释。实验一 电偶腐蚀实验的时间分配及其实验结果与讨论表2-1 实验时间分配阶段时间段min累计min备注集体讲解2525试样剪切预处理4065第一阶段实验60125拆装及后处理15140第
15、二阶段试验60200拆装及其后处理15215实验结束善后20235实验结果及讨论表2-2 实验前后质量变化质量/mg碳钢锌腐蚀前腐蚀后969失重失重速率/g/m2h表2-3 碳钢-锌面积比为1：1时分别放在海水中的开路电位 电位（v）时间碳钢锌0min10min20min30min40min50min60min表2-4 实验前后质量变化质量/g碳钢锌腐蚀前腐蚀后失重0失重速率/g/m2h0表2-5 碳钢-锌面积比为1：1时电偶腐蚀的电位 电位（v） 时间碳钢锌电阻两端电位0min0.14mv10min20min30minmv40min0.07mv50min0.07mv60min6mv电流效率=
16、m/m0100%=50.76%表2-6 实验前后质量变化质量/mg铜锌腐蚀前腐蚀后失重失重速率/g/m2h表2-7 铜-锌面积比为1：1时分别放在海水中的开路电位 电位（v）时间铜锌0min10min20min30min40min50min60min表2-8 实验前后质量变化质量/g铜锌腐蚀前腐蚀后失重0失重速率/g/m2h0表2-9 铜-锌面积比为1：1时电偶腐蚀的电位 电位（v）时间铜锌电阻两端电位0minmv10minmv20min30minmv40min5mv50min4mv60min4mv电流效率=m/m0100%=59.22%表2-10 实验前后质量变化质量/g碳钢锌腐蚀前腐蚀后6
17、失重失重速率/g/m2h表2-11 碳钢-锌面积比为5：1时分别放在海水中的开路电位 电位（v）时间碳钢锌0min10min20min30min40min50min60min表2-12 实验前后质量变化质量/g碳钢锌腐蚀前腐蚀后失重0失重速率/g/m2h0表2-13 碳钢-锌面积比为5：1时电偶腐蚀的电位 电位（v）时间碳钢锌电阻两端电位0min10min20min30min40min50min60min电流效率=m/m0100%=50.23%实验小结：由表2-2和表2-4得到，在碳钢和锌片的面积比为1：1时，单独在海水中1小时后碳钢失重4g，锌片失重5g，而导线连接同样时间后碳钢无失重，锌片
18、失重；由表2-6和表2-8得到，铜片和锌片面积比为1：1时，1小时后铜片失重，锌片失重，连接发生电偶腐蚀之后，铜片不失重，锌片失重；由表2-10和表2-12得到，碳钢和锌面积比为5：1时，1小时后碳钢失重4g，锌片失重，导线连接后碳钢无失重，锌片失重。能够明显的总结出：电偶腐蚀加速了活性较大金属的腐蚀速率，减缓了活性较小金属的腐蚀速率；碳钢和锌片面积比分别为1：1和5：1对比，面积比5：1时锌片失重速率为g/m2h，明显比1：1g/m2h快，说明增大碳钢和锌片的面积比，可以加快腐蚀速率，即大阴极小阳极加速阳极的腐蚀；面积比为1：1的碳钢-锌片和铜片-锌片对比，铜-锌体系中锌的腐蚀速率g/m2h明显大于碳钢-锌体系g/m2h，说明增大电极之间的电位差能够加速阳极的腐蚀。