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实验3 塔菲尔直线外推法测定金属的腐蚀速度

一、 目的

1． 掌握塔菲尔直线外推法测定金属腐蚀速度的原理和方法。

2． 测定低碳钢在1MHAc+1MNaCl混合溶液中腐蚀电密ic 、阳极塔菲尔斜率 ba和阴极塔菲尔斜率 bc 。

3． 对活化极化控制的电化学腐蚀体系在强极化区的塔菲尔关系加深理解。 4. 学习用恒电流法绘制极化曲线。

二、 实验原理

金属在电解质溶液中腐蚀时，金属上同时进行着两个或多个电化学反应。例如铁在酸性介质中腐蚀时，Fe上同时发生反应：

Fe → Fe2+ +2e 2H+ +2e → H2

在无外加电流通过时，电极上无净电荷积累，即氧化反应速度ia等于还原反应速度ic ,并且等于自腐蚀电流Icorr ,与此对应的电位是自腐蚀电位Ecorrr 。

如果有外加电流通过时，例如在阳极极化时，电极电位向正向移动，其结果加速了氧化反应速度ia 而拟制了还原反应速度ic ,此时，金属上通过的阳极性电流应是：

Ia = ia -|ic| = ia + ic

同理，阴极极化时，金属上通过的阴极性电流Ic也有类似关系。 Ic = -|ic| + ia = ic + ia

从电化学反应速度理论可知，当局部阴、阳极反应均受活化极化控制时，过电位（极化电位）η与电密的关系为：

ia =icorrepx(2.3η/ba) ic = - icorrexp(-2.3η/bc)

所以 Ia =icorr[exp(2.3η/ba)- exp(-2.3η/bc)] Ic = -icorr[exp(-2.3η/bc)- exp(2.3η/ba)

当金属的极化处于强极化区时，阳极性电流中的ic和阴极性电流中的ic 都可忽略，于是得到：

Ia =icorrexp(2.3η/ba) Ic =-icorrexp(-2.3η/bc) 或写成： η =-balgicoor+balgia η = -bclgicorr+bclgic

可以看出，在强极化区内若将η对lgi作图，则可以得到直线关系[见《热力设备腐蚀与腐蚀》p257Fig.14—12（a）]。该直线称为塔菲尔直线。将两条塔菲尔直线外延后相交，交点表明金属阳极溶解速度ia与阴极反应（析H2）速度ic相等，金属腐蚀速度达到相对稳定，所对应的电密就是金属的腐蚀电密。

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实验时，对腐蚀体系进行强极化（极化电位一般在100～250mV之间），则可得到E–lgi的关系曲线。把塔菲尔直线外延至腐蚀电位。lgi坐标上与交点对应的值为lgic ,由此可算出腐蚀电密icorr 。由塔菲尔直线分别求出ba和bc 。 影响测量结果的因素如下：

（1）体系中由于浓差极化的干扰或其他外来干扰；

（2）体系中存在一个以上的氧化还原过程（塔菲尔直线通常会变形）。故在测量为了能获得较为准确的结果，塔菲尔直线段必须延伸至少一个数量级以上的电流范围。

三、 仪器和用品 恒电位仪 数字电压表 磁力搅拌器 极化池

铂金电极（辅助电极） 饱和甘汞电极

A3钢电极（研究电极），工作面积1cm2 Zn电极（研究电极） 粗天平 秒表

量筒 1000mL, 50mL

烧杯 2000mL， 1000mL

HAc ，NaCl，无水乙醇棉，水砂纸 介质为1MHAc+1MNaCl混合溶液 四、 实验步骤

1． 配制1MHAc+1MNaCl溶液

2． 将工作电极用水砂纸打磨，用无水乙醇棉擦洗表面去油待用。

3． 将研究电极、参比电极、辅助电极、盐桥装入盛有电解质的极化池，盐桥毛细管尖端距研究电极表面距离可控制为毛细管尖端直径的两倍。

4． 按附录2“PS-1型恒电位/恒电流仪使用方法”连接好线路进行测量。 5． 测量时，先测量阴极极化曲线，然后测量阳极极化曲线。 6． 开动磁力搅拌器，旋转速度为中速，进行极化测量。

7． 先记下i = 0时的电极电位值，这是曲线上的第一个点，先进行阴极极化。分别以相隔10s的间隔调节极化电流为-0.5、-1、-2、-3、-4、-5、-10、-20、-30、-40、-50、-60mA，并记录对应的电极电位值，迅速将极化电流调为零，待电位稳定后进行阳极极化。此时应分别调节极化电流为0.5、1、2、3、4、5、10、20、30、40mA，并记录对应的电极电位值。应注意，极化电流改变时，调节时间应快，一般在5秒之内完成，实验结束后将仪器复原。 五、 结果处理

1． 将实验数据绘在半对数坐标纸上。 2． 根据阴极极化曲线的塔菲尔线性段外延求出锌和碳钢的腐蚀电流，并比较它们的腐蚀速度。

3． 分别求出腐蚀电密ic、阴极塔菲尔斜率bc和阳极塔菲尔斜率ba。

六． 思考题

1． 从理论上讲，阴极和阳极的塔菲尔线延伸至腐蚀电位应交于一点，实际测量的结果

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如何？为什么？

3． 如果两条曲线的延伸线不交于一点，应如何确定腐蚀电密？

实验4 失质法测定金属的腐蚀速度

一、 目的

1． 掌握某些因素如介质及其浓度、缓蚀剂等对金属腐蚀速度的影响。 2． 掌握质量法测定金属腐蚀速度的方法。 二． 原理

使金属材料在一定条件下（温度、压力、介质浓度等）经腐蚀介质作用一定时间后，比较腐蚀前后该材料的质量变化从而确定腐蚀速度。

对于均匀腐蚀，根据腐蚀产物易除去与否可分别采用失质指标和增质指标来表示腐蚀速 度。

失质指标V-为：

m?m1V??0St 增质指标V+为：

V??m2?m0St式中：S 试样面积，m2； t 试验时间, h；

m0 腐蚀前试样的质量, g ；

m1 腐蚀后试样的质量（清除腐蚀产物后），g ； m2 腐蚀后试样的质量（清除腐蚀产物前）, g ；

对于均匀腐蚀，很易将以上腐蚀速度指标换算成以深度指标Vt表示的腐蚀速度：

Vt?V???24?365V?8.67??1000?式中：ρ 金属的密度，g/cm3

质量法适于室内外多种腐蚀实验，可用于材料的耐蚀性能评定、选择缓蚀剂、改变工艺条件时检查防腐效果等。本实验是碳钢在敞开的酸溶液中的全浸实验，用质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。酸类对金属的腐蚀规律主要取决于酸的氧化性。非氧化性酸，如盐酸，其阴极过程是氢去极化过程；氧化性酸，其阴极过程则主要是氧化剂的还原过程。但我们不可能把酸类截然分成氧化性酸和非氧化性酸，例如，当HNO3 比较稀时，碳钢的腐蚀速度随酸浓度的增加而增加，是氢去极化腐蚀，当HNO3 浓度超过30%时，碳钢的腐蚀速度迅速下降，HNO3 浓度达到50%时，碳钢的腐蚀速度最小，此时碳钢在HNO3 中腐蚀的阴极过程是：

- - NO3+ 2H+ + 2e →NO2 +H2O

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酸中加入适量缓蚀剂能阻止金属腐蚀或降低金属腐蚀速度。 三、 仪器与药品

钢印、锒头、游标卡尺、毛刷、干燥器、分析天平、烧杯、量筒、搪瓷盘、温度计、电炉、玻璃棒、镊子、滤纸、尼龙丝。

丙酮、去离子水、20%H2SO4 、20%H2SO4 +硫脲10g/L、 20%NHO3 、60%NHO3 、 12%HCl+1%～2%六次甲基四胺。 四、 实验步骤与内容 1． 试样的准备

（1）A3 碳钢试样，其尺寸为50×25×（2～3）mm 。且打磨试样。 （2）用钢印给试样编号，以示区别。

（3）用游标卡尺准确测量试样尺寸，计算出试样面积，记录数据。

（4）试样表面除油，先用毛刷、软布在流水中清除其表面残屑、油污，再用丙酮清洗后用滤纸吸干。如此处理的试样避免再用手摸，应用干净纸包好，于干燥器中干燥24h 。

（5）将干燥后的试样放在分析天平上称重，精确到0.1mg，称重结果记录在表1内。 2． 腐蚀实验

（1）分别量取800mL下列溶液； 20%H2SO4

20%H2SO4 +硫脲10g/L 20%NHO3 60%NHO3

将其分别放在4个1000 mL干净烧杯中。 （2）将试样按编号分成四组（每组2片），用尼龙丝悬挂，分别浸入以上4个烧杯中。试样要全部浸入溶液，每个试样浸泡深度要求一致，上端应在液面以下20mm 。

（3）自试样进入溶液时开始记录腐蚀时间，半小时后，把试样取出，用水清洗。 3． 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。去除腐蚀产物的方法有机械法、化学法及电化学法。该实验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。化学法除锈常用的试剂很多，对于铁和钢来说主要有以下几种配方： a. 20% NaOH + 200g/L锌粉，沸腾5min ,直至干净。 b. HCl + 50g/L SnCl2 + 20g/L SnCl3 。

c. 12% HCl + 0.2% As2O3 + 0.5% SnCl2 + 0.4%甲醛，50℃，15～40min 。 d. 10% H2SO4 + 0.4% 甲醛,40～50℃，10min 。 e. 12% HCl + 1%～2% 乌洛托品，50℃或常温。 f. 饱和NH4Cl + NH3H2O，常温，直至干净。

本实验采用试剂为配方e ，该法空白小，除锈快，经除锈后样品表面稍发黑。 （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，于干燥器内干燥24h。将干燥后的试样称重，结果记录在表2中。 五、 实验结果的评定 1． 定性评定方法

（1）观察金属试样腐蚀后的外形，确定腐蚀是否均匀，观察腐蚀产物的颜色、分布情况

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