材料的环境作用与电化学综合实验

材料的环境作用与电化学综合实验一、实验规则1.每次实验前认真阅读实验说明书。了解实验内容、目的。复习有关理论。2.进入实验室后务必保持肃静，爱护仪器设备，注意安全，遵守操作规程。未经教师许可不得动用其它设备，发生事故立即报告老师。3.实验过程中认真观察实验现象，真实地记录实验数据，实验结果经教师审查合格后，才能结束实验。不合格者应重做或补做。实验完毕清理好实验场地。4.认真编写实验报告，按时交给老师评阅。二、实验内容1.环境腐蚀因素的电化学测定综合实验；2.材料环境失效动力学的电化学测试方法；3.电化学阻抗谱法研究不同材料的环境失效行为综合实验；4.材料表面防护膜层环境失效评定方法的综合实验实验一：环境腐蚀因素的电化学测定综合实验1、实验目的了解和掌握不同环境条件对常用金属材料腐蚀的影响及其评定方法了解影响材料腐蚀失效的几种主要环境因素掌握主要环境因素之一－溶液pH值的测试方法2、实验内容选取不同材料、不同介质分别进行以下实验：2.1用酸度计测量所选介质的pH值；2.2采用浸泡实验观察试验材料在不同介质中的腐蚀形态，判断腐蚀类型；2.3测量发生均匀腐蚀材料的失重或增重，计算腐蚀速度；2.4测量试验材料在不同介质中的φ－t曲线。3、实验原理3.1腐蚀的基本概念：各种材料，无论是金属还是非金属都会在环境（大气、海水、土壤、光照、温度和应力等）的作用下发生恶化变质、性能降低以致完全失效。这种物质与周围环境作用而导致变质和破坏的现象称为材料的腐蚀。钢铁生锈、铝锅穿孔，橡胶管老化开裂等等都是常见的腐蚀实例。•例如，将金属Fe放在酸性溶液中，铁会自动溶解，同时放出氢气：Fe+2H+→Fe2++H2这是铁自溶解的腐蚀反应。从电化学角度来讲，Fe/溶液界面同时发生了两个电极反应：Fe→Fe2＋＋2e2H＋＋2e→H2对于铁的溶解，Fe是阳极，对于H2在Fe上的析出，Fe又是阴极。铁的溶解和H＋的还原是同时存在的电极反应，称为共轭反应。•因此，在金属电化学腐蚀中，阳极反应的通式：M→Mn++ne常见的阴极反应则有以下几种类型：氢离子还原（析氢）反应和氧还原（吸氧）反应3.2影响材料腐蚀的主要因素：材料的性质；介质的影响：氧化剂和溶解氧、介质的pH值、介质中的盐类及浓度、介质温度、介质流动及其它一些因素；3.3评定腐蚀的方法：•重量法：V失=（W0-W1）/St，V增=（W2-W0）/St及D深=＝8.76；•电化学方法；•表面状态的观察；•通过空间体积的变化定性评定材料腐蚀的程度。V100036524V4、实验条件4.1材料：碳钢、不锈钢、铝合金、锌、纯铜、自备材料；4.2环境条件：H2SO4（20％）HNO3（20％，60％）H2O(去离子水或自来水)NaCl(3％，20％)NaOH(0.5％,5％)温度：25℃，50℃4.3仪器：PHS-3C酸度计电子天平（精确到0.1mg）数字电压表。5、实验步骤5.1腐蚀形态的观察及腐蚀速度测量①试样准备：准备三种待测溶液和6块同一种待测材料，试样尺寸为50mmX20mmX2mm，将试样打号以示区别。用360#水砂纸、600#水砂纸打磨至均匀光亮；②游标卡尺准确测量试样尺寸，根据测量结果准确计算每块试样的面积，作好记录；③试样表面用去污粉除油，自来水冲洗干净，滤纸吸干，吹风机反复吹干，使试样完全干燥冷却；④将干燥后的试样于天平上称重，准确度应达到0.1mg；⑤将三种待测溶液分别量取800ml于1L烧杯中，将试样按编号分成3组，每两个一组，用塑料丝悬挂浸入待测溶液中，注意待测试样应全部浸入溶液，每个试样浸入深度要大体一致，试样上端应在液面下20mm；⑥自试样浸入溶液开始记录时间，观察试样表面变化及溶液介质变化情况，1小时后取出，用自来水清洗干净；⑦观察腐蚀产物的颜色、分布情况及与表面结合是否牢固;⑧对于腐蚀产物易清洗的试样，在产物清洗液中清除腐蚀产物，除净后用流动自来水和蒸馏水将试样清洗干净，滤纸吸干，吹风机反复吹干，冷却；⑨观察腐蚀形态，干燥后的试样再次在天平上称重，作记录；⑩根据计算公式计算腐蚀速率及年腐蚀深度。5.2试验溶液pH值的测定以PHS-3C酸度计为例说明：①开机：打开电源开关，指示灯亮，预热30分钟；②标定:③测量：将电极用蒸馏水冲洗并用滤纸吸干，插入待测溶液中，摇动烧杯，使溶液均匀，在显示屏上读取溶液的pH值。测量完后用蒸馏水清洗电极头部，并用滤纸洗干。5.3φ－t曲线的测定①试样准备：准备2-3种待测材料各3块，用360＃水砂纸、600＃水砂纸打磨至均匀光亮，用去污粉除油，蒸馏水冲洗，滤纸吸干；②室温下将待测试样分别浸入三种不同的试验溶液，自试样浸入溶液开始记时，每隔半分钟、1分钟、2分钟、5分钟用数字电压表测一次电位，记录电位随时间的变化；③将溶液温度加热到50℃，重复步骤（2），考察温度对电极电位的影响。6、实验结果的处理和讨论6.1观察试样在不同介质中的腐蚀形貌，判断腐蚀类型与强弱；6.2将均匀腐蚀金属的腐蚀速度测试结果记录在下表内：材料腐蚀介质腐蚀时间t（h）试件原重W0（g）腐蚀后重W（g）失重W0-W（g）腐蚀速度（g/m2*h）腐蚀深度（mm/h）6.3根据实验数据绘制各试验材料在试验溶液中的φ－t曲线；分析在同一介质中各材料的腐蚀热力学倾向；6.4综合分析影响金属材料环境失效的主要腐蚀因素。实验二：材料环境失效动力学的电化学测试方法1、实验目的1.1了解常用材料，常见腐蚀失效类型的动力学特征；1.2了解和掌握极化曲线的测量方法。2、实验内容用控制电位法分别测量碳钢及铝合金在3.5%NaCl溶液中的极化曲线。3、实验原理3.1电极极化曲线：通过电极的电流密度与过电位（或电极电位）的关系曲线。3.2按照自变量及其控制方式，可将极化曲线的测量分为控制电位法和控制电流法两类：控制电位法：以电极电位作自变量，可将测试时逐步改变电极电位，测定相应的极化电流的大小。控制电流法：以极化电流作自变量，测试时逐步改变外加电流，测定相应的极化电位数值，绘制出极化曲线。对于形状简单的极化曲线，采用控制电位法和控制电流法得到的结果是相同的。对于形状复杂的极化曲线（如图2-1的钝化曲线），此时同一电流可能对应多个电位值，则只能用控制电位法测定。而采用控制电流法则得不到完整的极化曲线。其中：pp—临界钝化电位；ipp—临界钝化电流密度；p—初始稳态钝化电位；ip—维钝电流密度tp—过钝化电位。图2-1形状复杂的极化曲线3.3铝合金属于易钝金属，在潮湿大气或含有氯离子的溶液中易产生点蚀。如图2-2所示。破裂电位br和保护电位pr把具有活化—钝化转变行为的阳极极化曲线划分为三个电位区（图中i1为回扫电流密度），即：⑴＞br，形成新的点蚀（点蚀形核），已有的点蚀孔继续长大；⑵br＞＞pr，不会形成新的点蚀孔，但原有的点蚀孔将继续扩展长大；⑶≤pr，原有点蚀孔全部钝化而不再发展，也不会形成新的点蚀孔。图2-2具有活化—钝化转变行为的阳极极化曲线4、实验条件及实验线路4.1控制电位法极化曲线测量线路图（图2-3）实验需要恒电位仪一台，电解池一个，金属电极(铝，钢等)每种2～3个，辅助电极(铂)一个，参比电极（饱和甘汞电极）一个，溶液适量，金属导线若干条；图2-3控制电位法测极化曲线线路图4、实验条件及实验线路4.2动电位法测量极化曲线的测量线路（图2-4）实验需要恒电位仪一台，扫描信号发生器一台，X-Y记录仪一台，电解池一个，金属电极（铝，钢等）2～3个，辅助电极（铂）一个，参比电极（饱和甘汞电极）一个，溶液适量，金属导线若干条，坐标纸若干张。图2-4动电位扫描法测极化曲线线路图5、实验步骤①按图2-4接好线路；②按照仪器使用说明,将恒电位仪各旋钮放到适当位置,打开电源开关,预热10~15分钟；③洗净电解池，移入适量被测溶液；④准备电极；⑤测量（使用ZF-3恒电位仪）。6、实验结果的处理和讨论6.1动电位法：将记录仪所绘极化曲线的纵坐标和横坐标分别标出电极电位和电流密度数值，并标明电位扫描速度；6.2控制电位法：根据实验结果绘制极化曲线。原始数据记录表格形式如下:试验材料试验溶液试验面积cm2试验温度参比电极开路电位（mV,SCE）6.3根据实验结果，分析所测材料的腐蚀失效的动力学特点或对比不同材料腐蚀失效的难易程度，并分析原因。电位（mV）电流密度（mA/cm2）12平均实验三：电化学阻抗谱法研究不同材料的环境失效行为综合实验1、实验目的1.1掌握频域法测量电极体系电化学阻抗谱（EIS）的方法；1.2了解所选材料的电化学阻抗谱图的特点及其解析方法；1.3了解电化学阻抗谱技术在材料环境失效中的应用。2、可供选择的实验内容测量金属电极(碳钢、不锈钢、镍、铝合金、铜等)在溶液（中性3.5％NaCl，弱酸性溶液或弱碱性溶液）中的电极电化学阻抗。2.1测量两种以上材料在同一种介质中的电化学阻抗，对比材料的耐蚀性；2.2测量一种材料在两种以上介质中的电化学阻抗，对比介质的腐蚀性。3、实验原理3.1电化学阻抗方法：用小幅度正弦波交流信号扰动电极，并观察体系在稳态时对扰动的跟随情况，同时测量电极的交流阻抗。3.2一般电解池的阻抗包括两个电极的界面阻抗和溶液的电阻,其等效电路被简化为图3-1，此时其浓差极化可忽略。图3-1用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的等效电路3.3描述阻抗随频率变化的方法是复数平面图（也称Nyquist图）。当存在浓差极化时，等效电路及阻抗谱见图3-3，3-4；含有吸附体系的等效电路及阻抗图则更复杂，见图3-5、3-6。许多情况下，受吸脱附、钝化以及固相产物生成的影响，电极系统的等效电路较为复杂，复数阻抗平面轨迹可能存在于各个象限中，并呈现各种形状。图3-3浓差极化不可忽略时的电极等效电路图3-4存在浓差极化时等效电路的阻抗谱图3-5吸附体系的等效电路和阻抗图（一）图3-6吸附体系的等效电路和阻抗图（二）3.4最常用的阻抗谱解析是由Nyquist图或Bode图计算等效电路参数，可直接由图上特征点数据计算或数据计算机拟合的方法得到等效电路参数。也可由Bode图计算等效电路参数，如图3-7所示；电化学阻抗技术的特点是在一定实验数据处理中可以同时得到RL，Rr和Cd三个电化学参数。3.5金属的腐蚀速度与其极化阻力呈反比(icorr＝)，不同的腐蚀体系，可以通过比较Rp定性地判断其耐蚀性。图3-7等效电路的Bode图4、实验条件4.1实验用品：碳钢、不锈钢、镍、铝合金、铜等金属试样，辅助电极（大面积铂电极）一个，参比电极（饱和甘汞电极等）一个，电解池一个，NaCl，NaOH，HCL，H2SO4等试剂，去离子水。4.2实验仪器：本实验采用CHI600A系列电化学分析仪进行测试，仪器由外部计算机控制，在视窗操作系统下工作。测试线路的连接如图3-8所示。图3-8电化学阻抗谱测试线路图5、实验步骤①按图3-8接好实验线路；②打开实验设备电源，仪器预热10分钟即可进行实验；③将待测溶液注入预先清洗好的电解池；④准备电极；⑤测量；⑥图形显示；⑦结果打印：将页面设置为“横向”，直接打印即可。6、实验结果和讨论6.1由所得电化学阻抗谱图求出体系的RP、RL、Cd值；6.2对实验结果进行分析及讨论实验四：材料表面防护膜层环境失效评定方法的综合实验1、实验目的1.1掌握几种材料表面防护膜层的制备技术及膜层厚度的测试技术；1.2掌握材料表面膜层耐蚀性能的基本评定方法；1.3综合分析不同材料和不同膜层的腐蚀失效特点和耐蚀性。2、可供选择的实验内容2.1自行选择制备一种表面膜层可供选择的膜层有：(1)碳钢表面钾盐镀锌(2)碳钢表面镀镍层(3)铝合金阳极氧化(4)铝合金化学氧化2.2表面膜层厚度的测量2.3根据所制备膜层的性质，选定适当的电化学方法和加速腐蚀试验方法评定膜层的耐蚀性，并与基体材料进行对比。3、实验原理3.1对材料表面进行一定的处理，使其形成一层有较高耐蚀性而不影响基体性质的防护层是使用最广泛的防护技术。表面膜层的厚度测量:表面膜层的厚度及硬度是衡量膜层质量，