金属腐蚀理论及应用试题

1、2014年金属腐蚀理论及应用试题一、名词解释：（5分）标准电位：指的是当温度为25，金属离子的有效浓度为1mol/L（即活度为1）时测得的平衡电位。标准电极电位是以标准氢原子作为参比电极，即氢的标准电极电位值定为0，与氢标准电极比较，电位较高的为正，电位较低者为负。平衡电位：金属与电解质溶液构成的体系中，在金属-溶液两相间，当金属离子在两相中的电化学位相等时，就建立起电化学平衡（MMn+ne）。这种单一电极反应的电荷和物质交换均达到了平衡电极电位（e·M）。它与其溶液中金属本身的离子活度（Mn+）之间的关系符合能斯特公式（Nernst）。腐蚀电位：广义的腐蚀电位指材料与环境间发生的化

2、学或电化学相互作用而导致材料功能受到损伤的现象。狭义的腐蚀电位是指金属与环境间的物理-化学相互作用，使金属性能发生变化，导致金属，环境及其构成系功能受到损伤的现象。绝对电位：当金属与溶液的界面上发生电极反应时，将会导致界面上双电层的形成，双电层两侧的电位差，即为电极电势（电位），也称绝对电极电势。选择性氧化：如果合金内氧的溶解度很低，合金元素B向外扩散的速度很快，而且B的含量比较高，此时直接在合金表面上生成外BO膜。 即使在氧化初期，合金表面生成AO，但组元B与氧的亲和力大，将发生：B + AO A +BO的反应，氧化产物将转变为BO。 以上两种情形被称之为合金的选择性氧化。二、回答下列问题：

3、 （15分）1. 在中性水溶液中，Cu-Al和不锈钢-Al两对电偶的电位差相近，但前者会造成Al的严重腐蚀，而后者对Al的腐蚀轻微，试分析其原因。答：两对电偶的电位差相近，所以在腐蚀的开始阶段，两对电偶中作为阳极的Al的腐蚀速度是相近的。但之后，在Cu-Al电偶对的阳极Al表面会生成一层Al2O3钝化膜，降低了腐蚀电位差，使反应速率减小；在不锈钢-Al电偶对的阴极和阳极表面都会生成钝化膜，使腐蚀电位差降低的更大，腐蚀速率减小的更多。所以，后者对Al的腐蚀轻微。 2. 有三种材质及所流过的介质都完全相同的管道。其中管内为裸管，管内有涂层，但涂层质量较差，管内有涂层与线状牺牲阳极联合保护。请判断这

4、三种管道哪种最先穿孔，哪种管道使用寿命最长？ 答：内为裸管的管道将先穿孔，管内有涂层与线状牺牲阳极联合保护的管道寿命最长。在钢表面单独涂敷有机涂层，是因为有机涂层固有的真空腐蚀等缺陷，必定会有水分子通过针孔渗透到刚表面导致腐蚀，因为钢腐蚀时形成的腐蚀产物对钢机体没有保护性，腐蚀继续进行，腐蚀产物膨胀使有机涂层开裂，脱落，所以单独涂覆有机涂层的效果不好。采用阴极保护时候，保护电流大，成本及维护费用高。采用有机涂层阴极保护，用阴极保护解决有机涂层腐蚀出的缺陷，有机涂层完全覆盖则可以减少总体的保护电流，成本降低，可靠性增高。3. 为什么镀锌的水桶在温度较低的自来水中很耐蚀，而在热水中使用易发生穿孔腐

5、蚀？答：温度升高，金属的孔蚀倾向增大。当温度低于某个温度，金属不会发生孔蚀。这个温度称为临界孔蚀温度(CPT) ，CPT愈高，则金属耐孔蚀性能愈好。自来水中含有Cl-离子，Cl-对锌的腐蚀促进作用很大。温度较低时，锌表面生成的氧化膜具有保护作用，所以腐蚀发生的很慢；当温度较高时，Cl-会破坏氧化膜，使其失去保护作用，进而使基体发生点腐蚀。 三、比较18Cr-9Ni和17Cr-12Ni-2.5Mo两种不锈钢在含Cl-的水溶液中的耐点蚀能力，解释其原因。（10分）答：18Cr-9Ni和17Cr-12Ni-2.5Mo均为奥氏体不锈钢，铬镍奥氏体不锈钢最大的缺点是在含氯化物溶液中不耐应力腐蚀，易发生点

6、蚀及缝隙腐蚀。为了提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀能力，要降低碳含量，提高奥氏体稳定元素的含量，和降低铁素体形成元素的含量。以上两种钢，前者含碳量较后者高，且铁素体形成元素Cr较后者要高，奥氏体稳定元素Ni的含量又较后者低，后者更利于奥氏体相形成，耐点蚀能力更强。四、外加电流阴极保护会对邻近未加保护的管道（或其他设施）产生干扰，加重未保护管道的腐蚀，请解释原因。（10分）答：假设A、B是相互接触的并且电位相近的材料的两种设施，如果对A进行外加电流阴极保护，则会使A的电位升高，进而使A与B之间有了较大的电位差，B作为阳极的效应加强，腐蚀加重。五、由热力学计算确定，为什么在25时，铜在除气的酸溶液（PH=

7、1）中不腐蚀，而在通气的同种溶液中会发生腐蚀？（已知：E°Cu2+/Zn=0.337V，PO2=0.21大气压，E°OH-/O2=0.401V）（10分）答：已知铜在含氧酸和无氧酸中的电极反应及标准电极电位: 1）在不含氧的酸中Cu=Cu2+2e E°Cu2+/Cu=0.337V 2H+2e=H2 E°H+/H2=0V E°Cu2+/Cu =0.337V> E°H+/H2=0V 故在不通气的酸中铜不发生腐蚀。 2)在含氧酸中1/2O2+2H+2e=H2O E°O2/H2O=1.229V EO2/H2O=1.229-0.

8、0591lg(PH*PO2)=1.229-0.0591*2=1.1108V Cu=Cu2+2e E°Cu2+/Cu=0.337V E°Cu2+/Cu=0.337V< E°O2/H2O=1.1108V 故在通气的酸中铜能发生腐蚀。六、一个铝合金制造的工业储水槽，容量为225m3，壁厚为8.25mm，仅仅使用了5年就发现产生了点蚀，最大点蚀深度为1.65mm。如果按水槽储满水后的第一天就开始发生点蚀过程计算，该储槽达到腐蚀穿孔的剩余寿命是多少？如果按储槽在4年后（即第五年的头一天）才开始发生点蚀过程，该储槽到达腐蚀穿孔的剩余寿命是多少？（5分）答：腐蚀速度为Vp

9、=H/t=1.65/5mm/a=0.33mm/a若从储水第一天开始发生点蚀，则剩余寿命为t=H余 /Vp =(8.25-1.65)/0.33=20a 即剩余寿命为20年。若从第五年开始发生点蚀，则剩余寿命为（8.25-1.65）/1.65=4年。七、假设你所在的工厂有一条钢自来水主管道已使用了20年，近年不时出现泄漏，而且因管内结垢导致输送能力下降，已不能满足生产用水的需求，企业决定利用停产检修期对该管道进行改造。请根据投资资金有限和资金充足分别提出两套改造方案，其中资金充足方案中还要根据20年、50年、100年的使用寿命分别提出3个方案。（不必真的保证100年，只要寿命长的防腐方法确实比使用

10、寿命短的方法实际寿命长即对）（20分）答：一、投资资金有限的方案：除垢器(球)除垢技术+沥青涂层。 聚氨醋软体除垢器是由优质进口聚氨醋原料和独特的发泡工艺制造而成，经过特殊的加工工艺，对于垢质较硬的管道，可在软体除垢器的基础卜，加卜带有高强度的钢钉组成加强型软体除垢器。除垢过程中，除垢器在压力的作用下，对管道内壁的垢进行刮削，达到除垢的目的。此种方法简单易行，安全环保，投资低。由于沥青来源广泛、价格便宜、工艺熟练、绝缘、防水、粘接性能良好等特点，在经济不甚宽裕的条件下，仍不应放弃。在日本，尽管其经济状况并不困难，仍有78,6的输水管线采用了沥青防腐。特别是早期建设的管道，如彻底更换沥青涂层，是

11、不太实际的。因此，该套方案比较适合低投资方案。二、资金充足的方案：20年方案：换一套新管道+喷涂水泥砂浆：“喷涂”工艺是用水泥砂浆衬里作为管道内防腐蚀，它不仅通过水泥砂浆层把水体与管壁封隔开来，管壁接触不到水.不受水的侵蚀，起到了隔离作用;更重要的是在金属表面形成一个超稳定的钝化区，这是因为涂衬的砂浆层呈碱性，与管壁形成pH值高达12的区域，即使水渗透到金属表面，仍有抵御腐蚀的能力;砂浆衬里起了“拱”的作用，粘结力强，在金属管变形的情况下.不易发生壳落.其裂缝甚小，仍然能紧贴在管壁上;砂浆衬里的表面上会生成滑腻层，有保护砂浆层不被水流冲刷掉的作用。灰口铸铁管通过除垢喷涂后，不仅保证了管道内防腐

12、蚀的持久性，增加管道使用寿命，而且减少了供水二次污染，具有较强的实用价值。 过去管道内壁采用沥青涂层，化学性质不稳定，使用时间长就会发生老化，并微量溶于水中，污染水质，影响饮水卫生。现在通过水泥砂浆喷涂后，由于水泥砂浆属于无机化合物，性能稳定，不易影响管道输送水质。50年方案：换新管道+化学成膜，化学成膜剂防腐是指利用化学物质与金属发生反应，形成反应物沉积并粘结在金属表面形成有一定强度的保护膜，使金属与腐蚀环境隔开而达到防腐的目的。目前给水管道内多选用高模数的SN作为主剂再加入PN为辅助剂的成膜剂并增加PN和LC作为促进剂以改善膜的性能。100年方案：换新管道+有机涂层+阴极保护。埋地管道的腐

13、蚀是通过土壤与管道相接触来实现的，涂加适当的防腐涂层可以隔绝管道与土壤之间的接触，减少腐蚀作用对管道的影响。从某种程度上讲，防腐层的质量决定了管道的使用寿命。在管道外防腐涂层方面，国内外采用的是石油沥青、煤焦油沥青、熔结环氧粉末、双层PE和三层聚乙烯(3PE)等。阴极保护和牺牲阳极保护： 埋地管道的腐蚀基本上都是通过自然电位差来实现的，也就是说，纯金属一般不发生在溶液中的自腐蚀。管道的腐蚀状况与管道的自然电位、极化电位以及PH值有密切关系，在不同的极化电位和PH值条件下，金属的腐蚀倾向是不同的，可通过调整电位和PH值来控制金属的腐蚀。通常可采用三种方法将铁移出腐蚀区，以达到防腐的目的。通过外加

14、负电流(阴极极化)使铁的电极电位负移到免蚀区，以实现阴极保护。通过外加正电流(阴极极化)使铁的电极电位正移到钝化区，达到阳极保护的目的。也可以调整溶液的PH值，使其达到9-13范围，使铁进入钝化区. 用阴极保护解决有机涂层腐蚀出的缺陷，有机涂层完全覆盖则可以减少总体的保护电流，成本降低，可靠性增高。八、简述提高合金耐蚀性的可能途径。（10分）答：（1）提高合金热力学稳定性（2）阻滞阴极过程（3）降低合金的阳极活性（4）表面形成完整的有保护性的腐蚀产物膜九、为什么埋设在混凝土内的水管或钢筋，会发生腐蚀，请分析其原因及提出防护措施。（10分）答:管道或钢筋混凝土结构腐蚀可分为内部环境的腐蚀破坏和外

15、部环境的腐蚀破坏，混凝土内部成分在外部受物理、化学及材料等因素的作用下发生腐蚀变化，致使混凝土承载力降低或失去自身的性能，造成混凝土结构耐久性较差。如环境中的水分、氧气、二氧化碳等酸性气体、氯盐等侵蚀性离子以及相对湿度、温度等影响外部环境因素混凝土中腐蚀，甚至还有细菌等微生物活动的影响。（1）环境中Cl-等侵蚀性离子的影响氯离子引起钢筋锈蚀的机理是钢筋表面被激活使铁原子失去电子成为阳极而使钢筋腐蚀，这一点与混凝土碳化完全不同。混凝土碳化主要是使钢筋混凝土PH迅速降低，有利于氯离子侵蚀破坏钢筋钝化膜;而氯离子引起钢筋锈蚀，其中氯离子浓度在钢筋表面的达到钢筋腐蚀的临界浓度，否则不可能使钢筋锈蚀。当

16、钢筋混凝土的表面的氯离子浓度达到临界浓度时，拥有足够的空气和水分，钢筋混凝土腐蚀将会连续不断进行，直到腐蚀完全;而氯离子在钢筋混凝土腐蚀过程中只是充当催化剂，在腐蚀过程中不会因反而消耗，那么提高混凝土耐久性的非常重要的措施就是控制氯离子的侵蚀。 氯离子是导致钢筋混凝土中混凝土发生腐蚀的最严重的侵蚀性离子，因而氯化物的侵蚀在混凝土构筑物造成重大损失相当严重。混凝土中的氯离子由自由态氯离子与化合态氯离子组成，并不是所有的氯离子都会引发钢筋的腐蚀。其中只有自由态氯离子起作用，破坏钢筋的钝化膜，使混凝土钢筋发生严重的腐蚀;而化合态氯离子对钢筋混凝土的腐蚀不起作用。而混凝土中氯离子侵入是一个很复杂的物理

17、化学过程，有渗透、毛细吸附和自由氯离子的扩散等三种不同的侵入方式。实际工程结构中往往由这三种侵入方式的组合，造成混凝土受氯离子的侵蚀作用，同时还受到氯离子与混凝土组成材料间的其他条件的影响，如化学和物理作用等。氯离子的侵蚀机理为：(1)局部酸化作用。(2)形成“活化一钝化”腐蚀原电池(3)催化作用(4)降低混凝土电阻率的作用。（5）氯离子与水泥作用生成“复盐”（2）环境中CO2:等酸性气体的影响 混凝土内部大气中的二氧化碳在的扩散，与钢筋混凝土内部材料的氢氧化钙发生反应，生成难容的碳酸盐等物质，进而使混凝土原有的强碱性环境，混凝土中的pH下降到9以下，使得混凝土的钝化膜容易破坏，这种现象就称为

18、混凝土的碳化。（3）环境中水分与氧气的影响 钢筋腐蚀必须具备充足的水分和氧气(溶解态或者气态)等条件。水分渗透入混凝土结构物之后，与混凝土的孔隙内溶解盐类形成了导电的电解质溶液，形成了腐蚀电流的外部回路，构成腐蚀微电池所需的一个必要条件。水分以及其中所溶解的氧气一起发生反应生成了OH-，氧气还可以与阳极反应产物Fe2+生成Fe(OH)2，进一步氧化生成为Fe(OH)3，进而产生更多的酥松多孔的铁锈。作为反应物之一的O2在阴极反应的过程中起到了很重要的作用。若O2扩散的不充分导致O2供应不充分，就无法顺利参与阴极反应，即使在钢筋已经去钝化的条件下，腐蚀也不会很快进行，由此可以理解为与阴极极化有着

19、很重要的关系。主要的防护措施(1)对混凝土表面添加保护层(2)采用外加剂减小混凝土的渗透性(3)加亚硝酸钙腐蚀抑制剂(4)使用控制渗透板(CPF) (5)改善施工工艺十、根据自己的研究方向，查找一个以上有关的腐蚀型式试验标准，对其简要描述。（5分）答：一、铝合金加工产品的环形试样 应力腐蚀试验方法：1范围 本标准规定了2XXX(铜含量1.8%-7.0%)系、7XXX(铜含量0.40%-2.80o%)及6XXX系铝合金加工产品的环形试样应力腐蚀试验方法。本标准适用于2XXX（铜含量1.8%-7.0%)系、7XXX<铜含量0.4%-2.8%)及6XXX系的铝合金板、管、棒、型、锻件等加工产品

20、。2方法原理本方法采用对C形环试样施加恒变应力，全浸或间浸式浸人试验溶液中，在规定的时间内检验材料是否腐蚀破裂，来评定材料的应力腐蚀敏感性及耐应力腐蚀能力。3试剂3. 1氢氧化钠（2, 13 g/mL)。3. 2盐酸（1. 10 g/mL)。3. 3氯化钠(2. 16 g/mL)。3. 4蒸馏水或去离子水。4试验溶液 氯化钠水溶液(35 g/L,pH:6.4-7.2):用氯化钠(3. 3)和蒸馏水或去离子水(3. 4)配制，用氢氧化钠(3. 1)或盐酸(3. 2)调整。5试验设备符合国家或行业标准规定的各种环形试样应力腐蚀试验装置。6试样6. 1取样6.1.1试样的取样应符合产品标准的规定，产

21、品标准未规定时，按本方法执行。6. 1. 2挤压管、棒、型材产品的C环取样如图1所示。轧制板材产品的C环取样如图2所示。锻压产品的C环取样如图3所示。6.2试样加工6.2.1 试样的规格由实验者根据具体情况确定，但必须保证试样的直径为16mm-32mm，直径与厚度的比值在10-16范围内。试样的精加工应在热处理后进行，以免产生较大的残余应力。试样主表面的粗糙度不得大于0.8m.试样不得有划痕、凹坑、毛刺等缺陷。加工过程应避免试样产生塑性变形。试样的型式如图4所示。单位为mm图4 C环试样的型式图 OD-圆环的外径;ID-圆环的内径;t-圆环的厚度;B-圆环的宽度。6. 3试样数量试样的数量应符

22、合产品标准的规定，产品标准未规定时，按表1规定执行。6. 4表面处理 用有机溶剂(如汽油、酒精等)去除试样表面的油污。7试验程序7.1 试验前应对试样进行外观和尺寸检验，但不得造成试样损伤。7.2 配制和准备试验溶液，溶液体积和试样面积比应不少于30mL/cm2.如无特别规定，试验的温度为27+1，并控制试验空间的相对湿度在45%+6%的范围内。7.3 计算试验应力。试验应力及试验时间应符合产品标准的规定。产品标准未规定时，按表2规定执行，表2未规定的合金、状态或品种的加工产品应双方协商。7.4 采用与试验合金同系的材料做螺栓，螺母。扭紧拉力螺栓，即可使C环处表面受到拉应力的作用，按公式（1）

23、计算C环的径向压缩量。再按公式（2）计算加力后C环的外径。C环直径在加力螺栓方向上测量，精确度达到+0.01mm. (1)式中：-环的径向压缩量，单位为毫米（mm）; f-试验应力，单位兆帕（MPa）;D-C环的中径（D=OD-t），单位为毫米mm;E-材料的弹性模量，单位为兆帕（MPa）;t-C环的壁厚，单位毫米mm;Z-弯曲梁修正系数（参见图5）.ODf =OD-式中：ODf-加力后C环外径，单位毫米mm；OD-加力前C环外径，单位毫米mm;-C环的径向压缩量，单位毫米mm;7. 5试样加力后要用耐水涂料对螺栓、螺母和与它们相邻近的小部分试样表面涂覆。7. 6用塑料线将试样固定在试验设备上

24、，使试样能全浸或间浸在试验溶液中。7. 7试样加力后应尽快开始试验，加力后到开始试验的最大间隔时间一般不超过4 h7. 8试验采用全浸或是间浸试验应符合产品标准的规定。产品标准未规定时，试验按循环周期进行间浸试验，循环周期为每小时在试验溶液中浸泡10 min，接着在空气中曝露50 min7. 9在浸渍期间试样不得互相接触，也不得接触任何其他裸露金属。化学成分相同的材料可置于同一槽内。7. 10由于蒸发而损耗的水分，每日必须补加蒸馏水或去离子水，以保持溶液的浓度。且每两星期对试验溶液更新一次。7. 11在更换溶液和检查试样时允许暂时中断试验。7. 12用肉眼或借助放大镜观察，记录试样腐蚀破裂时间

25、。7. 13试验结束时，为了便于观察，可用表3中的任一种清洗剂清洗试样。8试验结果及评定8. 1结果评定 试样在规定的试验时间内未发生破裂，判试验结果合格。若有一个试样发生破裂，则判试验结果不合格。8. 2试验报告 试验报告应至少包括下列内容: a)本标准编号; b)试验的合金及状态;c)试验条件及C环的径向压缩量;d)试验的时间;e)破裂时间(发生破裂时经历的试验时间);f)试验结果合格与否;g)试验者、审核者、试验日期。二、变形铝合金拉伸应力腐蚀试验方法1适用范围1 .1本标准供评定变形铝合金材料(板材、棒材、型材、锻件等)以及能加工成相应试样的半成品的应力腐蚀开裂敏感性。2试验设备和试剂

26、2.1推荐采用YF一500拉伸应力腐蚀试验机（图1），也可以采用符合国家规的其他类型的拉伸应力腐蚀试验机。2 .2精度为士0.02mm的螺旋测微尺，其量程为025mm。2.3试剂;氯化钠(化学纯)，过氧化氢(化学纯)，蒸馏水或去离子水(电阻<2*10-5欧姆)。3试样3.1试样规格:板形应力腐蚀试样(图2)和棒形应力腐蚀试样(图3)。 3.2取样方向:根据试验目的，材料的尺寸和形状而定。板材一般取横向，小截面的型材和棒材取纵向。对大截面的材料和零件以高向取样为主。 3.3试样加工 3.3.1试样加工时应防止过热及变形。 3.3.2试样表面不允许有划伤。 3.3.3试样四面光洁度应保持一致

27、，棱角处光滑无毛刺。 3 .3.4试样“R”与工作段连接处要圆滑，不应有凸台。 3.3.5同一批试验用的试样及机械性能试样，要用同批材料和同一炉热处理。 3.4试样标记:试样端部打号或用电刻机刻写。 3.5试样的清洗 3.5.1棒材试样:试验前用汽油和酒精清洗。 3.5.2板材试样:用汽油和酒精清洗后，在10%NaOH溶液中于60士5下去除包铝层，去除量为包，铝层平均厚度的200%为宜。要求平行试样厚度一致，相差不大于0.01mrn。HNO3溶液进行“出光”。自来水清洗，随后用30%，最后用自来水冲洗并吹干。3.6试样保存：试样保存在千燥器中备用。4试验环境4.1腐蚀介质:采用3%NaC1+0.5%H2O2溶液(化学纯的过氧化氮浓度变化范围较大，应按分析后的浓度计算加入)。4.2温度为35士l。5试验应力5.1根据实际需要施加应力，但最大应力值应低于材料的屈服强度。5.2为了比较材料的抗应力腐蚀优劣，可在屈服强度以下选4一5个应力值进行试验，每一应力下的平行试样不得少于五个，绘制应力一寿命曲线。6试验时间6.1从试验开始至断裂的总时数(小时)做为评定的标准。7试验操作程序7.1按第3项处理过的试样，进行尺寸测量、计算截面积和施加力值。试验记录见附表。P=XX%0.02X S(kg)P试验负荷(kg );XX%0.02材料屈