创新实习报告--20号钢的在酸性环境中的防腐蚀实验

1、题目名称 创新实习报告题 目 名 称 20号钢在酸性环境中防腐实验 学 院（系） 机 械 工 程 学 院 专 业 班 级 材料成型及控制工程 10802 班 学 生 姓 名 郭 廷 指 导 教 师 张 锦 洲 日 期 2012. 2.26 至 2012.3.22 20号钢的在酸性环境中的防腐蚀实验目 录一. 前言 1.金属腐蚀造成的损失42.腐蚀防护的基本途径4 2.1提高金属本身的耐蚀性42.2改变环境（介质处理）42.3采用覆盖层42.4采用电化学腐蚀（电保护）.52.5正确选材和合理设计52.6腐蚀与防护的管理与教育5二. 金属腐蚀的基本原理6 1. 金属材料的腐蚀机理61.1. 金属腐

2、蚀的分类61.2金属腐蚀的机理. 62. 电化学保护法.82.1 阴极保护82.1.1牺牲阳极保护法82.1.2外加电流保护法9 2.2 阳极保护9三. 电化学防腐蚀现状及发展前景9四. 实验101.实验材料与方法10 2. 土壤电阻率的测试11 2.1 土壤电阻率的测试11 2.2 阴极保护电流密度的选择113.金属腐蚀速度的表示法12 4.实验步骤12五.实验结论15六参考文献1620号钢的在酸性环境中的防腐蚀实验韩文良 程度，郭廷 王辰一.前言在现代社会中，金属材料的用量越来越大，品种也越来越多。可以毫不夸张地说，金属材料是现代物质文明的基础。不过，需要注意的是，金属材料一直在悄悄地经受

3、着破坏腐蚀。全世界每年因悄悄地经受着破坏腐蚀。全世界每年因腐蚀而损失的金属材料的数量相当多。因此，金属的防腐蚀问题一直是世界科技领域研究的重要内容。1.金属腐蚀造成的损失 我国作为世界上钢铁产量最多的国家，每年被腐蚀的铁占到我国钢铁年产量的十分之一，因为金属腐蚀而造成的损失占到国内生产总值的2%4%。 根据各国调查结果，一般说来，金属腐蚀所造成的经济损失大致为该国国民生产总值的4%左右，另据国外统计，金属腐蚀的年损失远远超过水灾，风灾，和地震（平均值）损失的综合，在这里还不包括由于腐蚀导致的停工，减产和爆炸等造成的间接损失。 金属腐蚀的主要害处，不仅在于金属本身的损失，更严重的是金属制品结构损

4、坏所造成的损失比金属本身要大到无法估量。腐蚀不仅造成经济损失，也经常对安全构成威胁。国内外都曾发生过许多灾难性腐蚀事故，如飞机因某一部件破裂而坠毁;桥梁因钢梁产生裂缝而塌陷；油管因穿孔或裂缝而漏油，引起着火爆炸；化工厂中储酸槽穿孔泄露，造成重大环境污染；管道和设备跑、冒、滴、漏，破坏生产环境，有毒气体如cl2，H2、HCN等的泄露，更会危及工作人员和附件居民的生命安全。根据反应类型划分腐蚀种类：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理溶解腐蚀。腐蚀的定义包括了化学、电化学、物理学的内容，腐蚀的发生往往与磨损、断裂等的同时进行；腐蚀学是交叉学科（边缘学科），涉及及到金属学、电化学、理化学、流体力学、固体力学等

5、，是一门应用性很强的学科。2.腐蚀防护的基本途径（1）提高金属本身的耐蚀性 ：如不锈钢、镍基合金从材料的热力学稳定性和控制腐蚀动力学两个角度出发提高材料的抗蚀性； (2)改变环境（介质处理）：降低环境的腐蚀性，如除去大气中的S02，在水溶液中除02，改变溶液的pH值，在环境中加入缓蚀剂等；(3)采用覆盖层：采用金属和非金属涂层、改变材料的表面结构，使材料表面具有耐蚀的特性；采用衬里、防锈油、防锈纸等，将材料与腐蚀介质隔开，（4）采用电化学腐蚀（电保护）对于金属的电化学腐蚀可通过阴极极化降低氧化反应速度，或通过实现阳极钝化米以达到防腐目的；（5）正确选材和合理设计：为了防止腐蚀发生，必须重视正确

6、选材和合理设计，设计时做到材料匹配和结构合理、结构间连接应尽可能防止缝隙产（6）腐蚀与防护的管理与教育：主观上重视。加强对腐蚀与防护的管理，提高各类人员对腐蚀与防护的重视，需要建立相应应的教育体制，广泛开展腐蚀与防护的教育工作，提高掌握与防护自觉性。金属材料的腐蚀，是指金属材料和周闸介质接触时发生化学或电化学作用而引起的一种破坏现象。对于金属而言，在自然界大多是以金属化合物的形态存在。从热力学的观点来看，除了少数贵金属（如金、铂等）外，各种金属都有转变成离子的趋势。因此，金属元素比它们的化合物具有更高的自由能，必然有自发地转到热力学上更稳定的自然形态氧化物的趋势，所以说金属腐蚀是自发的普遍存在

7、的一种现象，是不可避免的。 电化学保护是指在电化学腐蚀系统中，通过施加外加电流将被保护金属的电位移向免蚀区或钝化区，以降低金属腐蚀程度，这是项经济而有效的腐蚀控制措施。在一定条件下，电化学保护不仅能防防止金属在海水、土壤或化学介质中的腐蚀，而且还能防止金属发生全面腐蚀和局部腐蚀（如采用阴极保护可防止不锈钢、铝等'钝化金属的点蚀、品问腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等）。若将电化学保护，与涂料、缓蚀剂联合起来，可取的更好的防止金属腐蚀的效果。日前电化学保护技术已广泛应用于造船、海洋工程、石油和化工：等部门，并作为一种标准的防腐蚀措施列入规范一与法规之中。由于金属材料的腐蚀可造成设备的跑、冒、滴、

8、漏，污染环境，甚至发生中毒、火灾、爆炸等恶性事故以及资源和能源的严重浪费，腐蚀问题成为阻碍新技术发展和国民经济持续发展的熏要制约因素。因此腐蚀的防护成为急需发展。的学科，研究金属材料的腐蚀机理，弄清腐蚀发牛的原洲及采取有效的防护措施，对于延长设备寿命、降低成本、提高劳动生产力都具有十分重大的意义。 据统计，全世界现存的钢铁及金属设备大约每年腐蚀率为10%，全世界每年因腐蚀损失约高7000亿美元。世界符发达国家每年吲金属腐蚀而造成的经济损失约为其国民生产总值3. 5264. 2%，超过每年各项人灾（火灾、风火及地震等）损失的总和。有人甚至估计每年全世界腐蚀报废和损耗的金属约为1亿吨！而同每年腐蚀

9、掉不能刨收利用的钢铁达100多吨，大致相当钢铁厂一年的产量，腐蚀损失为洪水、火火、飓风、和地震等自然灾害综合损失的六倍，但人们往往很难意识到这种分散的、日积月累的、不知不觉中发生的腐蚀破坏的严重性。所以研究金属腐蚀和防护具有重要意义。本论文主要综合讲述了金属的电化学腐蚀的基本原理和分类，以及讨论了有关现实生产生活中具体的防护措施，以更好的指导现实实践。二、金属腐蚀的基本原理：1. 金属材料的腐蚀机理1.1金属腐蚀的分类 按照金属的腐蚀机理的不同，可以将金属腐蚀分为三类：一是化学腐蚀，二是电化学腐蚀，三是物理腐蚀。1.2金属腐蚀的机理(l)化学腐蚀： 是指金属与介质之间直接发生纯化学作用而引起的

10、破坏。其腐蚀过程是一种纯氧化和还原的纯化学反应，即腐蚀介质直接同金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物，电子的传递是在它们之问直接进行的，因而反应进行过程中没有电流产生，其过程符合化学动力学规律。实际上单纯化学腐蚀的例子是较少见到的，例如金属因高温氧化而引起的腐蚀，曾一直作为化学腐蚀的典型实例。但是瓦格纳根据氧化膜的近代观点提出，在高温气体中，金属氧化过程的开始，虽然是由化学反应引起的，但后来膜的成长过程则属于电化学机理。(2)电化学腐蚀： 是金属与介质之问发生电化学作用而引起的破坏。反应过程同时有阳极失去电子的阳极反应，阴极获得电子的阴极反应以及电子的流动（电流），其历程服从电化学动力学的基小

11、规律是金属与介质之间发生电化学作用而引起的破坏。反应过程同时有阳极失去电子的阳极反应，阴极获得电子的阴极反应以及电子的流动（电流），其历程服从电化学动力学的基本规律。 绝大多数情况下，由于金属表面组织结构不均匀，上述的一对电化学反应分别在金属表面的不同区域进行在。例如当把碳钢放在稀盐酸中时，在钢表面铁素体处进行的是阳极反应（即FeFe2+2e-），而在钢表面碳化铁处进行的则是阴极去极化反应（即2H+2e-H2）。与这一对电化学反应进行的同时，则有电子不断地从铁素体流向碳化铁。我们把发生阳极反应的区域叫做阳极区，铁素体是阳极；把发生阴极反应的区域叫做阴极区，碳化铁是阴极；而在阳极与阴极之间不断地

12、有电子流动。这种情况和电池的工作情况极为类似，只不过这里的阳极（铁）和阴极（碳化铁）的数目极多，面积极小，靠的极近而已，所以通常称它为腐蚀微电池。 金属的电化学腐蚀之所以采取腐蚀微电池的形式，一方面是由于金属表面存在着各种各样的电化学不均匀性，为电化学反应的空间分离准备了客观条件；另一方面则是由于这两个反应分地区进行时遇到的阻力较小，因而在能量消耗上对反应的进行有利。但是从防止和减少腐蚀的观点看，这当然是不利的，我们应当设法尽量减少或消除金属表面的电化学不均匀性。 电化学腐蚀又根据其电解质溶液酸碱度的不同分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。 A、析氢腐蚀:(腐蚀过程中有氢气放出) 腐蚀过程中的阴极上有氢气

13、析出的腐蚀。它常发生在酸洗或用酸浸蚀某种较活泼金属的加工过程中。Fe作为腐蚀电池的阳极,钢铁中较Fe不活泼的其他杂质作阴极,H+在阴极上获得电子发生还原反应。反应方程式如下: 阳极(Fe):Fe2e-=Fe2+ 阴极(杂质):2H+十2e-=H2(g) 图1 总反应:Fe十2H+=Fe2+H2(g) B、吸氧腐蚀(腐蚀过程中消耗氧) 在腐蚀过程中溶解于水膜中的氧气在阴极上得到电子被还原生成OH-的腐蚀。它常常是在中性、碱性或弱酸性的介质中发生的。大气中钢铁等金属的腐蚀主要形式是吸氧腐蚀。反应方程式如下: 阳极(Fe):Fe-2e-=Fe2+ 阴极(杂质):O2十2H20十4e-=40H- 总反

14、应:2Fe十O2十2H20=2Fe(OH)2 图2 Fe(0H)2将进一步被O2所氧化,生成Fe(OH)3并部分脱水为疏松的铁锈。 4Fe(OH)2十O2十2H20=4Fe(OH)3=Fe203·xH20(铁锈) 析氢腐蚀的水膜常呈酸性,而吸氧腐蚀水膜呈中性或酸性很弱或碱性。通常两种腐蚀同时存在,但后者更为普遍,吸氧腐蚀比析氢腐蚀严重得多。2.电化学保护法 电化学保护是指在电化学腐蚀系统中，通过施加外加电流将被保护金属的电位移向免蚀区或钝化区，按其保护原理可分为阴极保护和阳极保护。 2.1 阴极保护 阴极保护是在被保护的金属表面通入足够大的阴极电流，使其电位变负，从而抑制金属表面上腐

15、蚀电池阳极的溶解速度。阴极保护的原理见左图，未进行阴极保护时，金属M以腐蚀电位Ecorr、腐蚀电流icorr被腐蚀，加入阴极电流后，发生阴极极化的结果使得金属的电位从Ecorr移至Ec，此时总的阴极极化电流由两部分组成，一部分是由腐蚀电池形成的（途中的FD段），另一部分是外加的ED段。此时腐蚀仍然没有完全停止下来，只不过腐蚀速度变小了。当外加电流足够大，使金属的电位移至Ee，A，即金属M的平衡电位时，腐蚀电流变为零，腐蚀完全被抑制。使金属完全得到保护的最小电流密度称为最小保护电流密度，相应的电位称为最小保护电位。阴极保护的电位不是越负越好，过负的阴极电位对腐蚀控制无实际意义，同时也会浪费电源，

16、还可能会引起氢脆腐蚀。1 在被保护的金属表面注入阴极电流，根据电流的来源分为牺牲阳极法和外图3加电流法两种方法。 2.1.1 牺牲阳极保护法 这种方法是在需保护的金属装备和另一种当做溶阳的金属之间安装一电解装置，利用金属的溶解提供阴极电流，见下图（a）。 图4被选作牺牲阳极的金属一般是锌合金、铝合金、镁合金等，其重要的性质是能够以相对于被保护金属而言更负的电位，且以相对均匀的速度被腐蚀溶解，以提供平稳的保护电流。由于作为牺牲阳极的金属的腐蚀溶解，可以使被保护金属的阳极电位移向更负的位置，当两种金属的平衡电位相同时，辅助金属相当于阳极，而被保护的金属变成了阴极。很明显，此时整个金属溶解速度会增大

17、，但溶解的是被用作“牺牲”的辅助金属，被保护金属的溶解速度大大降低。在20世纪60年代及70年代初期，船壳的保护大部分是牺牲阳极的阴极保护法。 2.1.2外加电流保护法 这种方法是用靠外部电源提供阴极电流，这时的阳极材料选用钢铁、石墨、高硅铸铁、铅银（2%）合金、镀铂的钛等，称为辅助阳极。这是一种应用更广泛的阴极保护法。采用外加电流的阴极保护系统，可以得到较大的保护电流，所以这种系统对于高电阻和低电阻的介质都适用，它主要是用来保护有隔离涂层的很长的金属结构。它的优点在于保护电流容易调整，因而就有可能根据保护状态的变化而随时保持所需要的保护电位。采用这种保护方法时，应当注意到，由于外加电流的作用

18、，任何靠近被保护结构的金属构件，都可以看作为低电阻的导体，而遭到严重腐蚀。图5三电化学防腐蚀现状及发展前景 金属的电化学腐蚀和腐蚀的电化学控制，目前基本上还建立在唯象理论基础上，腐蚀理论和技术上的突破将主要依赖金属等材料界面电化学分子水平的研究。当前的研究主要包括：在复杂的宏观体系中基兀腐蚀过程及其相应作用的理论模型；决定体系使用寿命的参数及寿命预测；对重要技术设备腐蚀实施监控的传感器技术：应用于腐蚀保护的新电极材料：耐腐蚀新材料的开发；金属钝化膜的成分、晶体结构及电子性质，钝化膜局部破坏和金属局部腐蚀的理论模型、统计处理及原位微区测试技术；金属表面耐蚀处理的技术和理论：缓蚀剂电化学行为的分子

19、水平研究。随着阴极保护技术的普及，对牺牲阳极来说，人们对此有了更加深刻的认识。日前，牺牲阳极的实用配方已经基本定型和标准化，但开发高效、耐用、经济的牺牲阳极则成为牺牲阳极材料的发展方向，其中又以铝合金阳极的性能研究及开发最为突出现在研究的高效铝阳极开路电位己达-1.4V，电流效率>95%以上，而且还开发研制了用于海泥的Al-Zn-In系及Al-Zn-In-Si系合金牺牲阳极和Alap-3以上。在牺牲阳极机理研究方面，对于铝合金阳极中Hg、In等元素的活化作用机理，铝基牺牲阳极的溶解过程和负差异效应，Zn阳极晶问腐蚀的原因和对策以及探索用工业纯原料代替高纯原料制造牺牲阳极等方面都有不同进展

20、。生产工艺成型方面，通过对铸造过程中的热处理和改变阳极的常规形状，以提高电化学效率及改变原来单调的外形，满足阴极保护多样化的发展。比如，用管线的手镯式阳极、用于保护管线的带状阳极及小尺寸的棒状阳极。除了牺牲阳极保护阴极以外，外加电流阴极保护也有发展很好的前景。外加电流中使用的辅助阳极材料，由最普通的石翠和高硅铸铁发展到镀钔钛、镀钳银阳极，阳极形式也在硅发生变化。对混凝土钢筋可实行阴极保护，可用导电混凝土、柔性阳极、网状辅助阳极。参比电极的精度及使用寿命关。四.实验1 实验材料与方法试样制备试验材料为20号钢管线钢, 化学成分见表1。直接取直缝焊管线切成33mm X20mm，壁厚是8mm规格的试

21、样。取我国典型的酸性土壤鹰潭土壤为模拟研究介质，依据其主要理化数据用分析纯NaCl、稀H2SO4、NaHCO3及去离子水配制成的模拟溶液。其成分（质量分数，）为0.36Cl-，17SO2-4 ，H+ ；分别配置PH值为3,3.5,4, 5，的溶液。2 牺牲阳极法设计主要参数的确定2.1 土壤电阻率的测试土壤电阻率直接决定阳极的种类与规格。如果管道沿线土壤电阻率变化非常大，则应该分别设计不同种类与规格的阳极。2.2 阴极保护电流密度的选择影响阴极保护电流密度的因素很多，主要有被保护结构的表面状况(防腐层类别及质量)、环境条件(如温度、介质状态、pH值、含盐量及种类、含氧量、微生物活动等)和被保护

22、金属种类等。对不同类型的防腐层和土壤介质，牺牲阳极法阴极保护电流密度的选择在实践中差别较大。有文献描述阴极保护电流密度与防腐层绝缘电阻有对应关系(见表1)，并可以用以下经验公式表示：式中i。阴极保护电流密度，mAm2 R。防腐层绝缘电阻，Q·m2防腐层绝缘电阻(Q·m2)l×1043000100030010030保护电流密度 (mA·m²)0.030.100.31.003.0010.003 金属腐蚀速度的表示法：重量指标：金属因腐蚀而发生的重量变化，换算成相当于单位表面积于单位时间内重量变化的数值，常用单位：mg/cm²h深度指标：金

23、属的厚度因腐蚀而减少的量，以长度单位表示，幷换算成单位时间的数值，常用单位：mm/a电流指标：用腐蚀金属的阳极电流密度的大小，衡量金属腐蚀速度的快慢，常用单位:mA/cm²4 实验步骤：此实验主要运用外加电流保护法，模拟钢铁在酸性土壤中的腐蚀，及需要多大的电流即可防止腐蚀，及各个电流情况下的腐蚀速度。PH=3,3.5,4,4.5情况下的需要的防腐电流。需要实验器材：稀硫酸，PH试纸，导线，电流表，电源，天平，镊子，滑动变阻器，碳棒，玻璃杯子等等。实验步骤：1、 打磨材料表面，稀释硫酸到指定的PH值。2、 实验开始，摆放好器材，接好电路。3、 碳棒和试件放在溶液中。4、 碳棒和试件直接

24、连用导线连接，观察现象。每隔十分钟测量试件重量。5、 拆开导线，外加电源，调节滑动变阻器，改变电流大小，观察现象，记录试件重量。6、 改变PH值，重复4，5操作，记录数据。7、 拆掉装置，分析数据。实验结果预测：1、 在相同的环境下，随着电流的增加，防腐效果越来越明显。2、 在不同的酸性条件下，随着PH值的增大，腐蚀越来越弱。防腐的电流越来越小。实验11， PH=3,3.5,4,5溶液下实验时，在不加电源的情况下，接上电流表，接通回路，测出原电池腐蚀电流.表格 1试件编号1号2号3号4号PH33.545腐蚀电流uA/cm²64524531原始试件质量g63.587064.772463.619763.7555实验21，PH=3实验时，外加电源，调节滑动变阻器，调节到所需的实验电流，时刻观察试件的腐蚀情况，每24小时记录试件的重量，改变电流，重复操作，直到找到最佳防腐电流。表格 2次数1234外加电流uA无206465试件重量g63.539963.527463.520363.51992，PH=3.5实验时，外加电源，调节滑动变阻器，调节到所需的实验电流，时刻观