不锈钢在硫酸介质中腐蚀行为评价.doc

不锈钢在硫酸介质中的腐蚀行为评估论文

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一、 实验题目：不锈钢在硫酸介质中的腐蚀行为评价
二、 实验目的 ⒈ 对比分析四种1Gr17不锈钢的在各种介质中的腐蚀倾向和腐蚀性能；
⒉分析介质浓度对一种材料腐蚀行为的影响；
⒊根据腐蚀形貌分析；材料在介质中的腐蚀形式
三、 实验设备及仪器：⒈ 电化学工作仪—用来测试材料在各种介质中的极化曲线
⒉ 电子恒温不锈钢水文锅（型号HHS–4S）:使腐蚀剂保持恒温
⒊ 金相显微镜—金相组织形貌观察；腐蚀形貌观察

四、 试验参数：
（1）本实验温度采用25℃，试验介质分别为0.3%H2SO4溶液5%H2SO4溶液10%H2SO4溶液、20%H2SO4溶液；所用电极为工作电极、参比电极、Pt电极；参数设置为0.8~2V，扫描速度为0.01V/S。
①溶液配制的计算：配置200ml的0.3% H2SO4溶液(98% H2SO4溶液的密度为1.84g/ml, 0.3%H2SO4溶液为1 g/ml)
设需要98% H2SO4溶液Vml。
98%×1.84×V=0.3%×1×200
V=0.33ml
②溶液配制的计算：配置200ml的5% H2SO4溶液(98% H2SO4溶液的密度为1.84g/ml，5%H2SO4溶液为1.03g/ml)
设需要98% H2SO4溶液Vml。
98%×1.84×V=5%×1.03×200
V=5.71ml
③溶液配制的计算：配置200ml的10% H2SO4溶液(98% H2SO4溶液的密度为1.84g/ml,10 %H2SO4溶液为1.06g/ml)
设需要98% H2SO4溶液Vml。
98%×1.84×V=10%×1.06×200
V=11.76ml
④溶液配制的计算：配置200ml的20% H2SO4溶液(98% H2SO4溶液的密度为1.84g/ml,20 %H2SO4溶液为1.14g/ml)
设需要98% H2SO4溶液Vml。
98%×1.84×V=20%×1.14×200
V=25.29ml

五、 实验材料：四种不同硼含量的1Cr17铁素体不锈钢，成分如下：
试样化学成分
试样
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Cu
Mo
V
N
不含硼
0.0418
0.245
0.240
0.0193
0.0060
0.100
16.205
0.018
0.012
0.0477
0.0306
含硼15ppm
0.0411
0.246
0.240
0.0195
0.0061
0.102
16.249
0.017
0.009
0.477
0.0266
含硼21ppm
0.0406
0.247
0.245
0.0194
0.0062
0.102
16.246
0.018
0.009
0.0475
0.0271
含硼28ppm
0.0406
0.247
0.245
0.0194
0.0062
0.102
16.246
0.018
0.009
0.0475
0.0271
六、 腐蚀介质：浓度（质量百分数）为0.3% 、5% 、 10% 、 20%的硫酸
七、 实验原理：
（1）电位测量 通过测量金属试样与参比电极组成的原电池的电动势确定金属的稳态自然腐蚀电位、极化电位以及各种临界电位。由此可以了解金属腐蚀的状态及其变化。
（2）极化曲线测量 测量技术可分为两类：
①恒电流法（即控制电流法）。测定金属的电极电位随电流变化的函数关系，也包括在恒定电流条件下测定金属的电极电位随时间变化的充电曲线法。
②恒电位法（即控制电位法）。测定流过金属的电流随金属电极电位变化的函数关系，也包括在恒定电位条件下测定电流随时间变化的试验。通过极化曲线测量可以确定金属腐蚀速度和研究腐蚀机理。
在研究可逆电池的电动势和电池反应时，电极上几乎没有电流通过，每个电极反应都是在接近于平衡状态下进行的，因此电极反应是可逆的。但当有电流明显地通过电池时，电极的平衡状态被破坏，电极电势偏离平衡值，电极反应处于不可逆状态，而且随着电极上电流密度的增加，电极反应的不可逆程度也随之增大。由于电流通过电极而导致电极电势偏离平衡值的现象称为电极的极化，描述电流密度与电极电势之间关系的曲线称作极化曲线，如图1-9所示。

A-B：活性溶解区；B：临界钝化点；B-C：过渡钝化区；C-D：稳定钝化区；D-E：超(过)钝化区
图1-9 极化曲线
金属的阳极过程是指金属作为阳极时在一定的外电势下发生的阳极溶解过程，如下式所示：
M→Mn+＋ne
此过程只有在电极电势正于其热力学电势时才能发生。阳极的溶解速度随电位变正而逐渐增大，这是正常的阳极溶出，但当阳极电势正到某一数值时，其溶解速度达到最大值，此后阳极溶解速度随电势变正反而大幅度降低，这种现象称为金属的钝化现象。图2-19-1中曲线表明，从A点开始，随着电位向正方向移动，电流密度也随之增加，电势超过B点后，电流密度随电势增加迅速减至最小，这是因为在金属表面生产了一层电阻高，耐腐蚀的钝化膜。B点对应的电势称为临界钝化电势，对应的电流称为临界钝化电流。电势到达C点以后，随着电势的继续增加，电流却保持在一个基本不变的很小的数值上，该电流称为维钝电流，直到电势升到D点，电流才有随着电势的上升而增大，表示阳极又发生了氧化过程，可能是高价金属离子产生也可能是水分子放电析出氧气，DE段称为过钝化区。
（3）线性极化技术 20世纪50年代以来，发展出了著名的线性极化技术，它可以快速、简便而灵敏地测定金属的瞬时腐蚀速度。线性极化方程式（即Stern－Geary方程式为）：

式中Rp＝(ΔE/ΔI)为极化电阻，ba和bc分别为阳极和阴极的塔菲尔常数。通常要求在金属腐蚀电位附近的微小电位区间(如±10mV)中测定电位变化ΔE与电流变化ΔI的线性关系，由其斜率确定Rp，结合已知的或测定的常数ba和bc或B<值可求得腐蚀电流IK。进而通过法拉第定律可从腐蚀电流确定腐蚀速度。
八、 实验步骤
①将配置好的试验溶液加热至试验温度并在恒温箱中保温，试验温度为25℃。
②用刀子在试样的一面刻一道划痕，作为实验的第一面（首先对一面进行腐蚀）。
③用镊子将试样固定到电解槽中，拧紧螺丝。倒入蒸馏水，看是否漏水，若漏，则对试样重新进行固定，直到不漏为止；
④将电化学分析仪打开。用量筒量取50ml溶液倒入电解槽中，然后将电极慢慢的放入电解槽中固定，并接上电极。电化学分析仪上的黑导线接地；绿导线是工作电极，接铜片；红导线接辅助铂电极；白导线接参比电极。
⑤在电脑上设置参数从-0.8V到2.0V，然后点开始按钮，以电位扫描速度0.01V/S的速度进行扫描，直到扫描完成，扫描完成后对极化曲线进行保存。
⑥断开导线与电极的连接并卸下试样。
⑦接着做试样第二面的电化学腐蚀，实验步骤同上。每次试验要使用新的试样和试验溶液，加入溶液前电解槽必须用蒸馏水清洗。
⑧将所有试样经酒精清洗后吹干。用金相显微镜观察其腐蚀形貌并拍照。

九、 实验数据及分析：

图1 四种实验材料在0.3%硫酸溶液中的极化曲线
图示分别是硼含量为0ppm、 16ppm、 21ppm、 28ppm的不锈钢在浓度为0.3%硫酸溶液中的极化曲线。它的各参数的大小见下表12：
硼含量

ppm
自腐蚀 电位Ecorr/V
致钝电位

Epp/V
维钝电位

Ep/V
过钝化电位
Etp/V
自腐蚀电流密度
Icorr/mA·cm-2
致钝电流密度
Ipp/mA·cm-2
维钝电流
密度
Ip/mA·cm-2
0
-0.4961
-0.0716
0.0930
0.7740
0.0617
0.2331
0.0999
16
-0.5293
-0.0130
0.0967
0.8143
0.0761
0.0755
0.3954
21
-0.5219
-0.0459
0.0930
0.7740
0.0351
0.2370
0.1816
28
-0.5144
-0.0059
0.1150
0.7994
0.2404
1.2450
0.7948
表1
四种不锈钢的在0.3%硫酸中的电化学腐蚀图见下：

BZ00 BZ10

BZ20 BZ30

图2四种实验材料在5%硫酸溶液中的极化曲线
图示分别是硼含量为0ppm、 16ppm、 21ppm、 28ppm的不锈钢在浓度为5%硫酸溶液中的极化曲线。它的各参数的大小见表2：
表2
硼含量

ppm
自腐蚀 电位Ecorr/V
致钝电位

Epp/V
维钝电位

Ep/V
过钝化电位
Etp/V
自腐蚀电流密度
Icorr/mA·cm-2
致钝电流密度
Ipp/mA·cm-2
维钝电流
密度
Ip/mA·cm-2
0
-0.4961
-0.0059
0.1625
0.7994
0.7367
1.8377
0.5557
16
-0.4961
-0.0059
0.1519
0.8106
0.7490
2.3592
0.6452
21
-0.4961
-0.0059
0.1333
0.7923
0.6561
1.4050
0.4969
28
-0.4998
-0.0059
0.1699
0.8326
0.4226
1.9265
0.6274

四 种不锈钢的在5%硫酸中的电化学腐蚀形貌见下：

BZ00 BZ10

BZ20 BZ30

图3四种实验材料在10%硫酸溶液中的极化曲线
图示分别是硼含量为0ppm、 16ppm、 21ppm、 28ppm的不锈钢在浓度为10%硫酸溶液中的极化曲线。它的各参数的大小见表3：
表3
硼含量

ppm
自腐蚀 电位Ecorr/V
致钝电位

Epp/V
维钝电位

Ep/V
过钝化电位
Etp/V
自腐蚀电流密度
Icorr/mA·cm-2
致钝电流密度
Ipp/mA·cm-2
维钝电流
密度
Ip/mA·cm-2
0
-0.4853
-0.0059
0.2065
0.8214
1.1689
3.8803
1.0859
16
-0.4853
-0.0059
0.2028
0.8289
1.4314
3.7400
1.0660
21
-0.4924
-0.0022
0.2323
0.8031
1.0076
3.4109
0.6718
28
-0.4815
-0.0059
0.2028
0.8177
0.9003
3.0073
1.2050

四种不锈钢的在10%硫酸中的电化学腐蚀图见下：

BZ00 BZ10

BZ20 BZ30

图4 四种实验材料在20%硫酸溶液中的极化曲线
图示分别是硼含量为0ppm、 16ppm、 21ppm、 28ppm的不锈钢在浓度为20%硫酸溶液中的极化曲线。它的各参数的大小见表4：
表4
硼含量

ppm
自腐蚀 电位Ecorr/V
致钝电位

Epp/V
维钝电位

Ep/V
过钝化电位
Etp/V
自腐蚀电流密度
Icorr/mA·cm-2
致钝电流密度
Ipp/mA·cm-2
维钝电流
密度
Ip/mA·cm-2
0
-0.4853
-0.0059
0.2248
0.7848
3.1621
4.4052
1.2155
16
-0.3718
-0.0242
0.2211
0.8143
1.6206
2.9469
0.9682
21
-0.4524
0.0124
0.3237
0.8397
1.2696
3.7581
0.7638
28
-0.3535
-0.0205
0.2173
0.8031
2.4647
4.9690
1.4167

四种不锈钢的在20%硫酸中的电化学腐蚀图见下

BZ00 BZ10

BZ20 BZ30

十、 结论：
通过分析观察极化曲线可知道，四种试样的极化曲线分别产生了两个峰值，这主要是在腐蚀的前期溶液中产生了Fe2+铁离子，使得电流增大，但在后来的腐蚀，Fe2+铁离子在溶液形成结晶物质附着在试样表面，使得电流减少并达到最小值。但附着在试样表面的结晶物质迅速溶解，电流再次增大。因此，四种试样的致钝电位在第二个峰值附近。
通过分析极化曲线和电化学腐蚀图可以知道,用自腐蚀电流评价耐全面腐蚀性能，自腐蚀电流越大耐全面腐蚀性能越差。可知各浓度下，加硼试样的自腐蚀电流低于不含硼试样的自腐蚀电流，加硼的试样耐全面腐蚀性能提高。随着腐蚀溶液浓度的增加，钝化区宽度逐渐变窄，并且形成的钝化区极其不稳定。四种试样在加入硼后，通过测量极化曲线维钝电流密度，发现维钝电流密度在增加，说明试样的钝性较差，耐腐蚀性能变差。随着腐蚀溶液浓度的增加，钝化区宽度逐渐变窄，并且形成的钝化区极其不稳定。四种试样在加入硼后，通过测量极化曲线维钝电流密度，发现维钝电流密度在增加，说明试样的钝性较差，耐腐蚀性能变差。
通过分析腐蚀图可以知道,随着腐蚀溶液浓度的增加,腐蚀试样的腐蚀形貌越清晰。并且在低浓度腐蚀的腐蚀试样出现点腐蚀，在高浓度的腐蚀试样晶间腐蚀较为明显。

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