第二章材料腐蚀原理精选文档.ppt

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1、第二章材料腐第二章材料腐第二章材料腐第二章材料腐蚀蚀原理原理原理原理本讲稿第一页，共三十五页腐蚀极化图腐蚀极化图腐蚀极化图腐蚀极化图Contents极化原因极化原因极化原因极化原因极化曲线极化曲线极化曲线极化曲线去极化去极化去极化去极化1 12 23 34 4本讲稿第二页，共三十五页极化的原因极化的原因极化现象的本质在于，电子的迁极化现象的本质在于，电子的迁移移(当阳极极化时电子离开阳极，当阳极极化时电子离开阳极，阴极极化时电子流入电极阴极极化时电子流入电极)比比电极反应及其有关的连续步骤电极反应及其有关的连续步骤完成得快完成得快本讲稿第三页，共三十五页一、极化曲线一、极化曲线极化行为通常用极

2、化曲线来描述。极化曲极化行为通常用极化曲线来描述。极化曲线是表示电极电位与极化电流强度线是表示电极电位与极化电流强度I或极或极化电流密度化电流密度i之间关系的曲线。之间关系的曲线。电极在任意一个电流下的极化程度可以用电极在任意一个电流下的极化程度可以用极化率来表示。电位对电流的导数极化率来表示。电位对电流的导数dEc/dIc，dEA/dIA分别称为阴极和阳极分别称为阴极和阳极在该电流密度下的在该电流密度下的极化率极化率。对于处于活化状态的金属，阳极极化程对于处于活化状态的金属，阳极极化程度不大，因此阳极极化曲线较平坦。如度不大，因此阳极极化曲线较平坦。如果发生钝化，则阳极极化曲线变得很陡。果发

3、生钝化，则阳极极化曲线变得很陡。表明极化程度很大。表明极化程度很大。本讲稿第四页，共三十五页腐蚀极化图腐蚀极化图本讲稿第五页，共三十五页腐蚀极化图腐蚀极化图假定任何电流下，阴极阳极的极化率假定任何电流下，阴极阳极的极化率为常数，称为为常数，称为Evans图（图（U.R.Evans）,S所对应的电位所对应的电位Emix，称为混合电位。，称为混合电位。由于由于Emix电位下的金属处于腐蚀状态，电位下的金属处于腐蚀状态，故混合电位就是金属的故混合电位就是金属的自腐蚀电位自腐蚀电位Ecorr，对应的电流称为，对应的电流称为腐蚀电流，腐蚀电流，用用Icorr表示表示。本讲稿第六页，共三十五页腐蚀极化图腐

4、蚀极化图 腐蚀电位是一种不可逆非平衡电位，需由实验测得，腐蚀电流表腐蚀电位是一种不可逆非平衡电位，需由实验测得，腐蚀电流表示示金属腐蚀的速率金属腐蚀的速率，对于均匀腐蚀和局部腐蚀都适用，对于均匀腐蚀和局部腐蚀都适用。阴极极化率阴极极化率阳极极化率阳极极化率本讲稿第七页，共三十五页二、腐蚀极化图的应用二、腐蚀极化图的应用腐蚀极化图是研究电化学腐蚀的重要理论工具，利用腐蚀极化图可以腐蚀极化图是研究电化学腐蚀的重要理论工具，利用腐蚀极化图可以解释腐蚀过程中所发生的现象，分析腐蚀过程的性质和影响因素，确解释腐蚀过程中所发生的现象，分析腐蚀过程的性质和影响因素，确定腐蚀的主要控制因素，计算腐蚀速率，研究

5、防腐蚀剂的效果与作用定腐蚀的主要控制因素，计算腐蚀速率，研究防腐蚀剂的效果与作用机理等。机理等。如前所述，当电流通过电池时，阴、阳极分别发生极化。如果如前所述，当电流通过电池时，阴、阳极分别发生极化。如果当电流增加时，电极电位的变化很大，表明电极过程受到的阻当电流增加时，电极电位的变化很大，表明电极过程受到的阻碍较大，即电极的极化率较大。反之，当电流增加时，电极电碍较大，即电极的极化率较大。反之，当电流增加时，电极电位的变化很小，表明电极过程受到的阻碍较小，即电极的极化位的变化很小，表明电极过程受到的阻碍较小，即电极的极化率较小。率较小。本讲稿第八页，共三十五页腐蚀极化图的应用腐蚀极化图的应用

6、当体系中有欧姆电阻R时，必须考虑欧姆电位降对腐蚀电池体系的影响。如果R不随电流变化则欧姆电位降与电流成线性关系，图中以直线OB表示。把欧姆电位降直线与阴、阳极极化曲线之一相结合可得到含欧姆电伦降的腐蚀极化图，欧姆电位降：又称欧姆极化。电池或电极通过电流时由于电解液的电阻而引起的电位降。本讲稿第九页，共三十五页腐蚀极化图的应用腐蚀极化图的应用忽略欧姆电阻忽略欧姆电阻本讲稿第十页，共三十五页腐蚀极化图用于分析腐蚀速率的影响因素腐蚀极化图用于分析腐蚀速率的影响因素（1 1）腐蚀速率与腐蚀电池）腐蚀速率与腐蚀电池初始电初始电位差位差的关系：当阴极反应及其极化的关系：当阴极反应及其极化曲线相同时，如果金

7、属阳极极化程曲线相同时，如果金属阳极极化程度较小，金属的平衡电位度较小，金属的平衡电位越低，则腐蚀电他的越低，则腐蚀电他的初始电位差越初始电位差越大，腐蚀电流越大大，腐蚀电流越大。本讲稿第十一页，共三十五页（2 2）极化性能对腐蚀速率的影响）极化性能对腐蚀速率的影响如果腐蚀电池体系中的欧姆电阻很如果腐蚀电池体系中的欧姆电阻很小，则电极的极化性能对腐蚀速率小，则电极的极化性能对腐蚀速率必然有很大影响。在其他条件相同必然有很大影响。在其他条件相同时，极化率越小，其腐蚀电流越大，时，极化率越小，其腐蚀电流越大，即腐蚀速率越大。即腐蚀速率越大。本讲稿第十二页，共三十五页(3)3)去极化剂浓度及配位剂对

8、去极化剂浓度及配位剂对腐蚀速率的影响。腐蚀速率的影响。当金属的平衡电位高于溶液中当金属的平衡电位高于溶液中氢的平衡电位，并且溶液中无氢的平衡电位，并且溶液中无其他去极化剂时，腐蚀电池无其他去极化剂时，腐蚀电池无法构成，金属不会发生腐蚀，法构成，金属不会发生腐蚀，如铜在还原性酸溶液中，但当如铜在还原性酸溶液中，但当溶液中合有去极化剂时，情况溶液中合有去极化剂时，情况则发生了变化。则发生了变化。本讲稿第十三页，共三十五页用腐蚀极化图分析腐蚀速率控制因素用腐蚀极化图分析腐蚀速率控制因素影响腐蚀速率的因素有阴、阳极间的初始电位差影响腐蚀速率的因素有阴、阳极间的初始电位差EcEce e-EA-EAe e

9、，阴、阳极极化率，阴、阳极极化率PcPc和和PAPA，以及欧姆电阻，以及欧姆电阻R R。其中，初始电位差是腐蚀的原动力，而其中，初始电位差是腐蚀的原动力，而PcPc，PAPA和和R R则则是腐蚀过程的阻力。在腐蚀过程中如果某一步骤的阻是腐蚀过程的阻力。在腐蚀过程中如果某一步骤的阻力与其他步骤相比大很多，则这一步骤对于腐蚀进行力与其他步骤相比大很多，则这一步骤对于腐蚀进行的速率影响最大，称其称为腐蚀的控制步骤，其参数的速率影响最大，称其称为腐蚀的控制步骤，其参数称为控制因素。称为控制因素。本讲稿第十四页，共三十五页利用腐蚀极化图可以非常直观地判断腐蚀的控制因素。利用腐蚀极化图可以非常直观地判断腐

10、蚀的控制因素。本讲稿第十五页，共三十五页本讲稿第十六页，共三十五页用腐蚀极化图分析腐蚀速率控制因素用腐蚀极化图分析腐蚀速率控制因素在腐蚀与防护研究过程中，确定某一因素的控制程度是很重要的，这可以在腐蚀与防护研究过程中，确定某一因素的控制程度是很重要的，这可以使我们行针对性地采取措施主动地去影响主控因素、最大限度地降低腐蚀使我们行针对性地采取措施主动地去影响主控因素、最大限度地降低腐蚀速率。速率。例如，对于阴极控制的腐蚀例如，对于阴极控制的腐蚀PcPc(P(PA A+R)+R)，任何增大阴极极化率，任何增大阴极极化率PcPc的的因素都将对减小腐蚀速率有贡献，而影响阳极极化率的因素在一定范围因素都

11、将对减小腐蚀速率有贡献，而影响阳极极化率的因素在一定范围内不会明显影响腐蚀速率。比如金属在冷水中的腐蚀通常受氧的阴极还内不会明显影响腐蚀速率。比如金属在冷水中的腐蚀通常受氧的阴极还原过程控制，采取除氧的方法降低水中氧分子的浓度可以增加阴极极化原过程控制，采取除氧的方法降低水中氧分子的浓度可以增加阴极极化程度，达到明显的缓蚀效果。对于阳极控制的腐蚀，有程度，达到明显的缓蚀效果。对于阳极控制的腐蚀，有PAPA(Pc+R)(Pc+R)，任，任何增大阳极极化率何增大阳极极化率P PA A的因素都将对减小腐蚀速率有贡献；而此时在一的因素都将对减小腐蚀速率有贡献；而此时在一定范围内改变影响阴极反应的因素则

12、不会引起腐蚀速率的明显变化。例定范围内改变影响阴极反应的因素则不会引起腐蚀速率的明显变化。例如，被腐蚀的金属在溶液中发生钝化，这时的腐蚀是典型的阳极控制。如，被腐蚀的金属在溶液中发生钝化，这时的腐蚀是典型的阳极控制。如果在溶液加入少量促使钝化的试剂，可以大大降低反应速率；相反，如果在溶液加入少量促使钝化的试剂，可以大大降低反应速率；相反，若向溶液中加入阳极活化剂，可破坏钝化膜，加速腐蚀。若向溶液中加入阳极活化剂，可破坏钝化膜，加速腐蚀。本讲稿第十七页，共三十五页分析分析 在计算其控制程度时，首先要知道腐蚀电位在计算其控制程度时，首先要知道腐蚀电位Ecorr和开路时金属在和开路时金属在该介质中的

13、平衡电位该介质中的平衡电位EAe以及阴极反应的平衡电位以及阴极反应的平衡电位ECe，这样才能够，这样才能够计算出阴、阳极的极化电位降计算出阴、阳极的极化电位降 Ec和和 EA。例例 25时铁在时铁在pH=7，质量分数为，质量分数为0.03的的NaCl溶液中发生腐蚀，测溶液中发生腐蚀，测得其腐蚀电位得其腐蚀电位Ecorr0.350 V，已知欧姆电阻很小，可以忽略不计，已知欧姆电阻很小，可以忽略不计，试计算该腐蚀体系中阴、阳极的控制程度试计算该腐蚀体系中阴、阳极的控制程度(已知已知E Fe2+/Fe-0.44V，E O2/OH-0.401V,KspFe(OH)2)1.6510-15，氧气的分压为，

14、氧气的分压为2.13104Pa(0.21atm)。)本讲稿第十八页，共三十五页三、去极化三、去极化凡是能消除或抑制原电池阳极或阴极极化过程的均凡是能消除或抑制原电池阳极或阴极极化过程的均叫作去极化。能起到这种作用的物质叫作去极剂，叫作去极化。能起到这种作用的物质叫作去极剂，去极剂也是活化剂。去极剂也是活化剂。对腐蚀电池阳极极化起去极化作用的叫阳极去极化，对腐蚀电池阳极极化起去极化作用的叫阳极去极化，对阴极起去极化作用的叫阴极去极化。对阴极起去极化作用的叫阴极去极化。凡是在电极上凡是在电极上能吸收电子的还原反应能吸收电子的还原反应都能起到去极化都能起到去极化作用。作用。本讲稿第十九页，共三十五页

15、析氢腐蚀与耗氧腐蚀析氢腐蚀与耗氧腐蚀 以氢离子去极化剂还原反应为阴极过程的腐蚀称为氢去极化腐蚀或称析氢腐蚀。阴极反应为H+2eH2的电极过程称为氢离去极化过程，简称氢去极化或析氢。阴极去极化还阴极去极化还原过程原过程在中性和碱性溶液中，由于氢离子的浓度较小，析氢反应的电位较低，一般是溶解在溶液中的氧的还原反应。以氧的还原反应为阴极过程的腐蚀称为氧还原腐蚀，或称耗氧腐蚀。金属在溶液中发生电化学腐蚀的根本原因是溶液中含有能使该种金属氧化的金属在溶液中发生电化学腐蚀的根本原因是溶液中含有能使该种金属氧化的氧化性物质，即腐蚀过程的氧化性物质，即腐蚀过程的去极化剂去极化剂。导致去极化剂还原的阴极过程与金

16、属氧。导致去极化剂还原的阴极过程与金属氧化的阳极过程共轭组成了整个腐蚀过程，二者相互依存，缺一不可。化的阳极过程共轭组成了整个腐蚀过程，二者相互依存，缺一不可。本讲稿第二十页，共三十五页1.析氢腐蚀析氢腐蚀析氢反应：析氢反应：酸性溶液中：反应物来源于酸性溶液中：反应物来源于水合氢离子水合氢离子(H3O+)，它在阴，它在阴极上放电，析出氢气，即极上放电，析出氢气，即 H3O+e H2+H2O 而中性或碱性溶液中，则是而中性或碱性溶液中，则是水分子水分子直接接受电子析出直接接受电子析出氢气，即氢气，即 2H2O+2eH2+2OH-本讲稿第二十一页，共三十五页析氢步骤析氢步骤酸性溶液酸性溶液(1)水

17、合氢离子向阴极表面水合氢离子向阴极表面扩散并脱水扩散并脱水，即，即 H3O+H+H2O(2)与电极表面的电子结合与电极表面的电子结合放电放电，在电极表面上形成吸附态的氢原子，在电极表面上形成吸附态的氢原子Hads，即，即 H+eHads(3)吸附态氢原子通过吸附态氢原子通过复合脱附复合脱附，形成，形成H2分子，即分子，即 Hads+HadsH2 或发生或发生电化学脱附电化学脱附，形成，形成H2分子：分子：Hads+H+eH2(4)H2分子形成氢气泡，从电极表面析出分子形成氢气泡，从电极表面析出本讲稿第二十二页，共三十五页析氢步骤析氢步骤中性、碱性溶液中性、碱性溶液(1)水分子到达阴极表面，同时

18、氢氧根离子离开电极表面水分子到达阴极表面，同时氢氧根离子离开电极表面(2)水分子解离及水分子解离及H+还原生成吸附在电极表面的还原生成吸附在电极表面的吸附氢原子吸附氢原子，即，即 H2OH+OH-H+eHads(3)吸附氢原子复合脱附形成氢分子，即吸附氢原子复合脱附形成氢分子，即 Hads+HadsH2或电化学脱附形成氢分子：或电化学脱附形成氢分子：Hads+H+eH2(4)氢分子形成氢气泡从电极表面析出。氢分子形成氢气泡从电极表面析出。本讲稿第二十三页，共三十五页析氢腐蚀发生的必要条件析氢腐蚀发生的必要条件必要条件：必要条件：电解质溶液中必须有电解质溶液中必须有H+存在；存在；腐蚀电腐蚀电池

19、中的阳极金属电位池中的阳极金属电位EA必须低于氢的析出电位必须低于氢的析出电位EH即即EAEH 所谓氢的析出电位是指在一定的阴极电流密度下，所谓氢的析出电位是指在一定的阴极电流密度下，氢电极的平衡电位氢电极的平衡电位EHe与阴极上氢过电位与阴极上氢过电位 H的差值。的差值。本讲稿第二十四页，共三十五页析氢腐蚀的特征析氢腐蚀的特征(1)在在酸性溶液酸性溶液中，当没有其他氧化还原电位较正的去极化剂中，当没有其他氧化还原电位较正的去极化剂(如负、氧化如负、氧化性物质性物质)存在时，金属腐蚀过程属于典型的析氢腐蚀。存在时，金属腐蚀过程属于典型的析氢腐蚀。(2)在金属表面上没有钝化膜或其他成相膜的情况下

20、，由于酸中在金属表面上没有钝化膜或其他成相膜的情况下，由于酸中H+浓浓度高，度高，H+扩散系数特别大，而且氢气泡析出时起了搅拌作用，因此，扩散系数特别大，而且氢气泡析出时起了搅拌作用，因此，酸中进行的析氢腐蚀是一种酸中进行的析氢腐蚀是一种活化极化控制活化极化控制的阳极溶解过程，浓差极化可的阳极溶解过程，浓差极化可以忽略。以忽略。(3)金属在酸中的析氢腐蚀与溶液中的金属在酸中的析氢腐蚀与溶液中的pH值值有关。随着溶液有关。随着溶液pH值的下降，值的下降，腐蚀速率加快。腐蚀速率加快。(4)金属在酸中的析氢腐蚀通常是一种金属在酸中的析氢腐蚀通常是一种宏观均匀宏观均匀的腐蚀现象。的腐蚀现象。本讲稿第二

21、十五页，共三十五页影响氢过电位的主要因素影响氢过电位的主要因素影响析氢过电位值的主要因素有电流密度、影响析氢过电位值的主要因素有电流密度、电极材料及其表面状态、溶液组成、浓度和电极材料及其表面状态、溶液组成、浓度和温度等。温度等。本讲稿第二十六页，共三十五页析析氢腐腐蚀的控制的控制过程程 1.阴极控制的析氢腐蚀阴极控制的析氢腐蚀阴极控制的析氢腐蚀是阴极控制的析氢腐蚀是指阴极析氢反应的极化指阴极析氢反应的极化率大于阳极溶解反应的率大于阳极溶解反应的极化率析氢腐蚀速率极化率析氢腐蚀速率受氢在阴极上放电的析受氢在阴极上放电的析氢过电位所控制。此时，氢过电位所控制。此时，金属电极的腐蚀电位金属电极的腐

22、蚀电位Ecorr接近金属阳极反应的接近金属阳极反应的平衡电位平衡电位EMe。例如金属锌。例如金属锌在酸中的腐蚀，即属于此在酸中的腐蚀，即属于此类。类。本讲稿第二十七页，共三十五页析析氢腐腐蚀的控制的控制过程程2.阳极控制的析氢腐蚀阳极控制的析氢腐蚀是指金属阳极溶解反应的极化率是指金属阳极溶解反应的极化率大于阴极析氢反应的极化率，析大于阴极析氢反应的极化率，析氢腐蚀速率受阳极溶解的过电位氢腐蚀速率受阳极溶解的过电位所控制。此时，金属电极的腐蚀所控制。此时，金属电极的腐蚀电位电位Ecorr接近析氢阴极反应的接近析氢阴极反应的平衡电位平衡电位EHe。例如，处于钝。例如，处于钝态的金属铝在弱酸溶液中的

23、腐态的金属铝在弱酸溶液中的腐蚀即属此类。蚀即属此类。本讲稿第二十八页，共三十五页析析氢腐腐蚀的控制的控制过程程大多数的钢和铁在析氢腐蚀过程大多数的钢和铁在析氢腐蚀过程中，由于它们的阴、阳极极化大中，由于它们的阴、阳极极化大体相当，因而成为一种阴体相当，因而成为一种阴阳极混合控制状态的析氢腐蚀。阳极混合控制状态的析氢腐蚀。本讲稿第二十九页，共三十五页耗氧腐蚀耗氧腐蚀以以氧的还原反应氧的还原反应为阴极过程的腐蚀称为氧还原腐蚀，或称为阴极过程的腐蚀称为氧还原腐蚀，或称耗氧腐蚀，有的书中也称之为吸氧腐蚀。与氢离子还原反应耗氧腐蚀，有的书中也称之为吸氧腐蚀。与氢离子还原反应相比，氧还原反应可以在相比，氧

24、还原反应可以在较高的电位较高的电位下进行，因此耗氧腐蚀比下进行，因此耗氧腐蚀比析氢腐蚀更为普遍。大多数金属在中性和碱性溶液中的腐蚀，少数正析氢腐蚀更为普遍。大多数金属在中性和碱性溶液中的腐蚀，少数正电性金属在含有溶解氧的弱酸性溶液中的腐蚀，以及金属在土壤、海电性金属在含有溶解氧的弱酸性溶液中的腐蚀，以及金属在土壤、海水、大气中的腐蚀都属于耗氧腐蚀。水、大气中的腐蚀都属于耗氧腐蚀。本讲稿第三十页，共三十五页耗氧腐蚀的必要条件耗氧腐蚀的必要条件1.溶液中必须有氧存在；溶液中必须有氧存在；2.腐蚀电池中阳极金属电位腐蚀电池中阳极金属电位EA必须低于氧的离子化电位必须低于氧的离子化电位EO,即即 EA

25、 EO氧是不带电荷的中性分子，在溶液中仅有一定的溶解度，并以氧是不带电荷的中性分子，在溶液中仅有一定的溶解度，并以扩散方式到达阴极。因此，氧在阴极的还原速率与氧的扩散速扩散方式到达阴极。因此，氧在阴极的还原速率与氧的扩散速率有关，并会产生氧浓差极化。在一定条件下，氧的去极化腐率有关，并会产生氧浓差极化。在一定条件下，氧的去极化腐蚀将受蚀将受氧浓差极化氧浓差极化的控制。的控制。本讲稿第三十一页，共三十五页氧去极化过程的基本步骤氧去极化过程的基本步骤 耗氧腐蚀可分为两个基本过程：氧的输送过程和氧分子在耗氧腐蚀可分为两个基本过程：氧的输送过程和氧分子在阴极上被还原的过程，即氧的离子化过程。阴极上被还

26、原的过程，即氧的离子化过程。氧输送过程：氧输送过程：(1)(1)氧通过空气和电解液的界面进入氧通过空气和电解液的界面进入溶液溶液(2)(2)氧依靠溶液小的对流作用向阴氧依靠溶液小的对流作用向阴极表面溶液扩散层迁移；极表面溶液扩散层迁移；(3)(3)氧借助扩散作用，通过阴极表氧借助扩散作用，通过阴极表面溶液扩散层，到达阴极表面，面溶液扩散层，到达阴极表面，形成吸附氧。形成吸附氧。本讲稿第三十二页，共三十五页氧在阴极表面进行还原的过程氧在阴极表面进行还原的过程(1)(1)在中性和碱性溶液中，氧的总还原反应为在中性和碱性溶液中，氧的总还原反应为具体步骤：具体步骤：本讲稿第三十三页，共三十五页氧在阴极

27、表面进行还原的过程氧在阴极表面进行还原的过程(2)在酸性溶液中，氧的总反应为在酸性溶液中，氧的总反应为本讲稿第三十四页，共三十五页氧还原过程的阴极极化曲线氧还原过程的阴极极化曲线(1)当阴极极化电流密度当阴极极化电流密度ic不大，而且阴极表面供不大，而且阴极表面供氧充分时，氧离子化反应为控制步。氧还原反应的氧充分时，氧离子化反应为控制步。氧还原反应的过电位过电位 O(或氧离子化极化电位或氧离子化极化电位Eo)与极化电流密与极化电流密度度ic之间服从塔菲尔关系式之间服从塔菲尔关系式(EOePBC)(2)2)阴极过电位由氧离子化反应与氧的扩散过程混阴极过电位由氧离子化反应与氧的扩散过程混合控制（合控制（PFPF）(3)(3)随着极化电流随着极化电流h h的增加，由氧扩散控制而引的增加，由氧扩散控制而引起的起的氧浓差极化氧浓差极化不断加强，使极化曲线更陡不断加强，使极化曲线更陡地下降，地下降，(4)(4)阴极电位足够低时，在水溶液中可能阴极电位足够低时，在水溶液中可能发生氢离子还原反应，此时阴极过程将由发生氢离子还原反应，此时阴极过程将由氧去极化和氢去氧去极化和氢去极化共同组成极化共同组成本讲稿第三十五页，共三十五页