材料腐蝕與防護(hù)

1、1 指出高溫氧化理論(Wagner)要點(diǎn)， 結(jié)合金屬氧化的等效電池模型推導(dǎo)出高溫氧化速度常數(shù)的表達(dá)式，并說(shuō)明式中各參數(shù)的意義。答： wagner理論假定：(1)氧化物是單相，且密實(shí)、完整，與基體間有良好的吸附性；(2)氧化膜內(nèi)離子、電子、離子空位、電子空位的遷移都是由濃度梯度和電位梯度提供驅(qū)動(dòng)力，而且晶格擴(kuò)散是整個(gè)氧化反應(yīng)的速度控制因素；(3)氧化膜內(nèi)保持電中性；(4)電子、離子穿透氧化膜運(yùn)動(dòng)彼此獨(dú)立遷移；(5)氧化反應(yīng)機(jī)制遵循拋物線規(guī)律；(6)K值與氧壓無(wú)關(guān)。 該理論對(duì)了解高溫下密實(shí)的氧化膜生長(zhǎng)的基本特點(diǎn)具有重要意義，為改進(jìn)金屬或合金的抗氧化性提供了理論基礎(chǔ)。wagner理論推導(dǎo)K常數(shù)過(guò)程：

2、陽(yáng)極反應(yīng)：，陰極反應(yīng)：，電池總反應(yīng)：總電阻=離子電阻+電子電阻假設(shè)在t秒內(nèi)形成氧化膜的克當(dāng)量數(shù)為J，膜長(zhǎng)大速度以通過(guò)膜的電流I表示，則有積分得，則式中na、nc、ne分別為陰、陽(yáng)離子、電子遷移數(shù)，g為氧化膜比導(dǎo)電，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，E為金屬氧化膜的電動(dòng)勢(shì)（），D為擴(kuò)散系數(shù)，J為氧化物當(dāng)量 2、 圖有哪些作用? 舉例說(shuō)明。并請(qǐng)參考右圖，確定1000下 Fe、Al、Mg、Cr、Ni氧化所需的平衡氧分壓（分解壓）。答：應(yīng)用：（1）值愈負(fù)，則該金屬的氧化物愈穩(wěn)定，即圖中線的位置愈低，它所代表的氧化物就愈穩(wěn)定。 （2）同時(shí)它還可以預(yù)測(cè)一種金屬還原另一種金屬氧化物的可能性。（3）可以直接讀出在給定溫度下金屬

3、氧化物的平衡氧壓。讀圖請(qǐng)同學(xué)們自己復(fù)習(xí)3.舉例說(shuō)明有哪些可能的陰極去極化劑?當(dāng)有幾種陰極去極化劑同時(shí)存在時(shí)，如何判斷哪一種發(fā)生還原的可能性最大?自然界中最常見(jiàn)的陰極去極化反應(yīng)是什么?答：以氫離子作為去極劑，在陰極上發(fā)生2H+2e-H2的電極反應(yīng)叫氫去極化反應(yīng)。4.何謂析氫腐蝕與吸氧腐蝕? 發(fā)生析氫腐蝕和吸氧腐蝕的必要條件是什么? 析氫腐蝕：以氫離子還原反應(yīng)為陰極過(guò)程的腐蝕稱為析氫腐蝕。必要條件：電解質(zhì)溶液中必須有氫離子存在；金屬的電極電位EM必須低于氫離子的還原反應(yīng)電位（析氫電位），即EM<EH吸氧腐蝕：以氧的還原反應(yīng)為陰極過(guò)程的腐蝕稱為氧還原反應(yīng)，或吸氧腐蝕必要條件：溶液中必須有氧存在

4、；金屬的電位比氧的還原反應(yīng)的電位低，即EM<EO25、產(chǎn)生選擇性腐蝕的根本原因是什么？哪些合金材料易產(chǎn)生選擇性腐蝕？簡(jiǎn)述黃銅脫鋅的機(jī)理及控制措施。答：選擇性腐蝕是指多元合金中較活潑組分或負(fù)電性金屬的優(yōu)先溶解。這種腐蝕只發(fā)生在二元或多元固溶體中，如黃銅脫鋅，銅鎳合金脫鎳，銅鋁合金脫鋁等黃銅脫鋅的機(jī)理：目前有兩種理論。一種認(rèn)為黃銅中的鋅優(yōu)先溶解而殘留銅；另一種認(rèn)為溶解-沉積理論。對(duì)后者，多數(shù)人認(rèn)為脫鋅分三個(gè)步驟a)黃銅溶解；b)鋅離子留在溶液中；3)銅回鍍?cè)诨w上控制措施：選用對(duì)脫鋅不敏感的合金。如鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于15%的黃銅，或合金Monel（Ni70Cu30）。在a黃銅中加入抑制脫鋅的合金

5、元素。如在a黃銅中加入少量的砷或銻可有效的抑制黃銅脫鋅。但這種方式對(duì)a+黃銅不適用。砷的作用。砷可抑制a黃銅脫鋅，其作用在于降低了Cu2+濃度，抑制Cu2Cl2分解。6、室溫下，鐵在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03的氯化鈉溶液中發(fā)生的腐蝕為，測(cè)得其腐蝕電位Ecorr=0.350V，假設(shè)電阻可以忽略不計(jì)，試計(jì)算該腐蝕體系中陰陽(yáng)極的控制程度，并分析該腐蝕的控制過(guò)程（已知= -0.440V，=0.401V，=1.65×10-15，0.21atm下氧氣的分壓為2.13×104Pa）7、畫(huà)出金屬的陽(yáng)極鈍化曲線，并說(shuō)明該曲線上各特性區(qū)和特性點(diǎn)的物理意義曲線見(jiàn)書(shū)P41，四個(gè)區(qū)域：活性溶解區(qū)AB段：金屬

6、的自腐蝕電位Ecorr到臨界鈍化電位EPP之間，從A點(diǎn)開(kāi)始，金屬進(jìn)行正常的陽(yáng)極溶解，溶解速率受活化極化控制，點(diǎn)A對(duì)應(yīng)電位為自腐蝕電位Ecorr，對(duì)應(yīng)電流密度為金屬腐蝕電流密度icorr，曲線的直線部分為塔菲爾直線，金屬的陽(yáng)極電流密度隨電位升高而增大活化-鈍化過(guò)渡區(qū)BC段：點(diǎn)B對(duì)應(yīng)的電位稱為初始鈍化電位Epp，也叫致鈍電位。點(diǎn)B對(duì)應(yīng)電流密度稱為致鈍電流密度ipp，當(dāng)電極電位達(dá)到臨界鈍化電位Epp時(shí)，金屬表面狀態(tài)發(fā)生突變，電位繼續(xù)增加，電流急劇下降穩(wěn)定鈍化區(qū)CD：點(diǎn)C對(duì)應(yīng)電位稱為初始穩(wěn)態(tài)鈍化電位Ep，對(duì)應(yīng)電流密度稱為維鈍密度ip，維鈍電流密度基本與電極電位無(wú)關(guān)過(guò)鈍化區(qū)DE：點(diǎn)D對(duì)應(yīng)電位稱為過(guò)鈍電位

7、Ept，陽(yáng)極電流密度再次隨著電位的升高而增大8.什么叫電偶腐蝕?用混合電位理論闡述其基本原理。影響電偶腐蝕的主要因素是什么?答：電偶腐蝕：又稱為接觸腐蝕或異金屬腐蝕，當(dāng)兩種不同電位的金屬相互接觸，并浸入電解液中可以發(fā)現(xiàn)，電位較負(fù)的金屬腐蝕速率加大，而電位較正的金屬腐蝕速率減緩和受到保護(hù)原理：電偶腐蝕的推動(dòng)力是電位差，而電偶腐蝕速率的大小與電偶電流成正比，如下式其中Ig是電偶電流強(qiáng)度，E0,c，E0,a是陰陽(yáng)極金屬偶接錢的穩(wěn)定電位（腐蝕電位），Pc，Pa是陰陽(yáng)極金屬的極化率，Sc，Sa是陰陽(yáng)極金屬的面積，R為歐姆電阻，由此可知，點(diǎn)偶電流隨電位差的增大和極化率、歐姆電阻的減小而減小，從而使陽(yáng)極金屬

8、腐蝕速率加大，陰極金屬腐蝕速率降低。腐蝕電位較低的金屬由于和腐蝕電位較高的金屬接觸而產(chǎn)生陽(yáng)極極化，其結(jié)果是溶解速度增加，而電位較高的金屬，由于和電位較低的金屬接觸而產(chǎn)生陰極極化，結(jié)果是溶解速度下降，即受到了陰極保護(hù)。影響因素：電偶序電位差：電位差越大，則低電位金屬愈易被加速腐蝕；環(huán)境因素：介質(zhì)的組成、溫度、電解質(zhì)電阻、溶液pH值、攪拌等；陰陽(yáng)面積比例：電極面積越小，則腐蝕電流密度越大，腐蝕速度越快9.點(diǎn)蝕產(chǎn)生的條件和誘發(fā)因素是什么?衡量材料耐點(diǎn)蝕性能優(yōu)劣的電化學(xué)指標(biāo)有哪些?答：產(chǎn)生條件：點(diǎn)蝕多發(fā)生于表面生成鈍化膜的金屬材料上（如不銹鋼、鋁、鋁合金、鎂合金、鈦及鈦合金）或表面有陰極性鍍層的金屬上

9、（如碳鋼表面鍍錫、銅和鎳）；點(diǎn)蝕發(fā)生在特殊粒子介質(zhì)中，即有氧化劑和同時(shí)又活性陰離子存在的鈍化液中；在某一陽(yáng)極臨界電位上，電流密度突然增大，點(diǎn)蝕發(fā)生，改電位稱點(diǎn)蝕電位或擊破電位Eb電化學(xué)指標(biāo)：點(diǎn)蝕電位反映了表面鈍化膜被擊穿的難易程度，如對(duì)極化曲線回掃，達(dá)到鈍態(tài)電流所對(duì)應(yīng)的電位Ep，稱再鈍化電位或保護(hù)電位，大于Eb，點(diǎn)蝕迅速發(fā)生、發(fā)展，EbEp之間，已發(fā)生的蝕坑繼續(xù)發(fā)展，但不產(chǎn)生新的蝕坑，小于Ep，點(diǎn)蝕不發(fā)生，所以電位越高，表征材料耐點(diǎn)蝕性能越好，Ep與Eb越接近，說(shuō)明鈍化膜修復(fù)能力越強(qiáng)10應(yīng)力腐蝕的特征是什么? 應(yīng)力腐蝕陽(yáng)極溶解的機(jī)理是什么?影響應(yīng)力腐蝕的主要因素是什么?答：特征：宏觀上：應(yīng)力腐

10、蝕斷裂從宏觀上屬于脆性斷裂。即使塑性很高的材料也無(wú)須縮、無(wú)杯錐狀現(xiàn)象。由于腐蝕介質(zhì)作用，斷口表面顏色呈黑色或灰黑色。晶間斷裂呈冰糖塊狀，穿晶斷裂具有河流花樣等特征。 微觀上：斷口微觀特征較復(fù)雜，視具體合金與環(huán)境而定，顯微斷口上往往可見(jiàn)腐蝕坑及二次裂紋。機(jī)理：陽(yáng)極快速溶解理論：該理論認(rèn)為裂紋一旦形成，裂紋尖端的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋尖端前沿區(qū)發(fā)生迅速屈服，晶體內(nèi)位錯(cuò)沿著滑移面連續(xù)地到達(dá)裂紋尖端前沿表面，產(chǎn)生大量瞬間活性溶解質(zhì)點(diǎn)，導(dǎo)致裂紋尖端(陽(yáng)極)快速溶解。閉塞電池理論：該理論認(rèn)為，在已存在的陽(yáng)極溶解的話化通道上，腐蝕優(yōu)先沿著這些通道進(jìn)行，在應(yīng)力協(xié)同作用下，閉塞電他腐蝕所引發(fā)的蝕孔擴(kuò)展為裂紋，產(chǎn)生SC

11、C。這種閉塞電池作用與前面的孔蝕相似，也是一個(gè)自催化的腐蝕過(guò)程，在拉應(yīng)力作用下使裂紋不斷擴(kuò)展，直至斷裂。膜破裂理論，又稱滑移溶解理論：這種理論認(rèn)為，金屬表面是由鈍化膜覆蓋，并不直接與介質(zhì)接觸。在應(yīng)力或活性離子(Cl-)的作用下易引起鈍化膜破裂，露出活性的金屬表面。介質(zhì)沿著某一擇優(yōu)選徑浸入并溶解活性金屬，最終導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂。對(duì)于穿晶型應(yīng)力腐蝕斷裂，用用滑移溶解理論可以得到滿意的解釋。 影響因素：冶金、應(yīng)力、環(huán)境因素，如圖11試分析比較防止應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆的主要措施。答：防止或減輕應(yīng)力腐蝕的措施：合理選材：盡量避免金屬或合金在易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境介質(zhì)中使用?？刂茟?yīng)力：在制造和裝配金屬構(gòu)件時(shí)，應(yīng)

12、盡量使結(jié)構(gòu)具有最小的應(yīng)力集中系數(shù)，并使與介質(zhì)接觸的部分具有最小的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力往往是引起scc的主要原因，熱處理退火可消除殘余應(yīng)力。改變環(huán)境：通過(guò)陳氣、脫氧、除去礦物質(zhì)等方法可除去環(huán)境中危害較大的介質(zhì)組分。還可通過(guò)控制溫度、pH值，添加適量的緩蝕劑等，達(dá)到改變環(huán)境的目的。電化學(xué)保護(hù)：通過(guò)電化學(xué)保護(hù)使金屑離開(kāi)SCC敏感區(qū)，從而抑制SCC。涂層：好的鍍層(涂層)可使金屬表面和環(huán)境隔離開(kāi)，從而避免產(chǎn)生SCC氫脆的防護(hù)措施：在容易發(fā)生氫脆的環(huán)境中，避免使用高強(qiáng)鋼，可用Ni，Cr合金鋼；焊接時(shí)采用低氫焊條，保持環(huán)境干燥；電鍍液要選擇，控制電流；酸洗液中加入緩蝕劑；氫已進(jìn)入金屬后，可進(jìn)行低溫烘烤驅(qū)氫1

13、2何謂腐蝕疲勞? 與純機(jī)械疲勞和應(yīng)力腐蝕斷裂相比有何特點(diǎn)?答：腐蝕疲勞：是指材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力與腐蝕環(huán)境的共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂腐蝕疲勞的特點(diǎn)：腐蝕疲勞的SN曲線與純力學(xué)疲勞的SN曲線形狀不同，腐蝕疲勞不存在疲勞極限。腐蝕疲勞與應(yīng)力腐蝕不同，只要存在腐蝕介質(zhì)，純金屬也能發(fā)生腐蝕疲勞。腐蝕疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度間沒(méi)有一定的聯(lián)系。腐蝕疲勞裂紋多起源于表而腐蝕坑或表面缺陷往往成群出現(xiàn)，裂紋主要是穿晶型，并隨腐蝕發(fā)展裂紋變寬。腐蝕疲勞斷口即有腐蝕的特征又有疲勞的特征(疲勞輝紋)、而純力學(xué)疲勞斷口有兩種情況：對(duì)于塑性材料斷口為纖維狀，呈暗灰色；脆性材料斷口呈現(xiàn)出一些結(jié)晶形狀。13請(qǐng)根據(jù)下圖解釋陰極保護(hù)原

14、理；陰極保護(hù)的基本參數(shù)是什么?答：在未加陰極保護(hù)電流之前，腐蝕金屬微電池的陽(yáng)極極化曲線相交于S點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電位為金屬腐蝕電位Ecorr，相對(duì)應(yīng)的電流為金屬腐蝕電流Icorr（溶液電阻忽略不計(jì)）。為外加陰極電流使金屬腐蝕電位Ecorr極化并降低至E1時(shí)，此時(shí)金屬微電池的陽(yáng)極腐蝕電流Icorr降低至IA,1，陽(yáng)極電流為IC,1，外加陰極電流相當(dāng)于E1Q線段。顯然IA,1<Icorr，即外加陰極極化后，金屬本身的腐蝕電流減少了，金屬得到了部分保護(hù)，稱為保護(hù)效應(yīng)。如果外加陰極電流繼續(xù)增大，促使陰極進(jìn)一步極化，是腐蝕體系的腐蝕電位降至與微電池陽(yáng)極的起始電位E0，A相等，外加陰極電流為IC外時(shí)，腐蝕電流為零，此時(shí)金屬得到了完全陰極保護(hù)。這時(shí)金屬的電位Ep稱為最小保護(hù)電位。達(dá)到最小保護(hù)電位時(shí)，金屬所需外加電流Ip除以被保護(hù)金屬表面積S，即Ip/S稱為最小保護(hù)電流密度。最小保護(hù)電位（使金屬腐蝕達(dá)到最低程度的電位最小值）及最小保護(hù)電流密度（使金屬得到完全保護(hù)時(shí)所需的電流密度）即為陰極保護(hù)的基本參數(shù)。14.按緩蝕劑的作用機(jī)理，緩蝕劑可分為幾種類型？簡(jiǎn)要說(shuō)明緩蝕的電化學(xué)原理。 答：按照作用機(jī)理，緩蝕劑分為陽(yáng)極型緩蝕劑、陰極性緩蝕劑和混合型緩蝕劑三種機(jī)理：15.簡(jiǎn)述大氣腐蝕的過(guò)程。 答：大氣腐蝕的電化學(xué)過(guò)程： 當(dāng)金