电化学腐蚀

2024-04-16

电化学腐蚀（精选6篇）

篇1：电化学腐蚀

电化学腐蚀与防护

姓名：吴三（09化学）

学号：0909401069

金属腐蚀现象在日常生活中是司空见惯的，在腐蚀时,在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应,使金属转入氧化(离子)状态.这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能,破坏金属构件的几何形状,增加零件间的磨损,恶化电学和光学等物理性能,缩短设备的使用寿命,甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故.美国1975年因金属腐蚀造成的经济损失为700亿美元,占当年国民经济生产总值的4.2％.据统计,每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的10~20%.金属腐蚀事故引起的停产、停电等间接损失就更无法计算.所以金属的防腐蚀意义重大。

1.金属腐蚀的分类

金属表面由于外界介质的化学或电化学作用而造成的变质及损坏的现象或过程称为腐蚀。介质中被还原物质的粒子在与金属表面碰撞时取得金属原子的价电子而被还原，与失去价电子的被氧化的金属“就地”形成腐蚀产物覆盖在金属表面上，这样一种腐蚀过程称为化学腐蚀；不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。钢铁在潮湿的空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀最突出的例子。在金属腐蚀中最为严重的就是电化学腐蚀。

金属电化学腐蚀一般分为两种：（1）析氢腐蚀；（2）吸氧腐蚀。

(1)析氢腐蚀(钢铁表面吸附水膜酸性较强时)

负极(Fe)：Fe－2eˉ=Fe2+

Fe2++2H2O= Fe(OH)2+2H+ 正极(杂质)：2H++2eˉ=H2 电池反应：Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2↑ 由于有氢气放出，所以称之为析氢腐蚀。

(2)吸氧腐蚀(钢铁表面吸附水膜酸性较弱时)负极(Fe)：Fe－2eˉ=Fe2+ 正极：O2+2H2O+4eˉ=4OHˉ 总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 由于吸收氧气，所以也叫吸氧腐蚀。

析氢腐蚀与吸氧腐蚀生成的Fe(OH)2被氧所氧化，生成的4Fe(OH)3脱水生成Fe2O3铁锈。

反应式：4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 钢铁制品在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀。

Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2↑ O2+2H2O+4eˉ→4OHˉ

2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 2H++2eˉ→H2

析氢腐蚀主要发生在强酸性环境中，而吸氧腐蚀发生在弱酸性或中性环境中。

2.金属腐蚀的防护

从腐蚀角度保护金属材料最简单易行的方法是将材料与腐蚀环境隔离。例如有机涂料、无机物的搪瓷等涂覆金属表面以使材料与环境隔绝。当这些保护层完整时是能起到保护作用的。这里主要介绍已经广为人们采用的电化学防腐蚀的方法。（1）.金属镀层

在钢铁底层上常用电镀一薄层更耐腐蚀的金属（如Cr、Ni、Pb等）的方法来保护钢铁制品。如果用金属Zn、Cd等作镀层，构成腐蚀电池的极性则与上述相反，镀层微孔内裸露的钢为阴极，Zn或Cd的镀层为阳极，通过牺牲阳极，使钢得到阴极保护。镀Sn的Fe（马口铁）广泛用于食品罐头，虽然Sn的标准电极电位高于Fe，但在食品有机酸中却低于Fe,也可起牺牲阳极的作用。镀层如为贵金属（Au、Ag等）、易钝化金属（Cr、Ti）以及Ni、Pb等时，由于它们的电极电位比Fe高，如果出现破损，在电极反应中这些金属将成为阴极，会加速底层铁的腐蚀，因此这类镀层不适于强腐蚀环境（如酸），但可用于大气、水等环境。除了电镀外，还常用热浸镀（熔融浸镀）、火焰喷镀、蒸气镀和整体金属薄板包镀等方法。（2）.阳极保护

一些可以钝化的金属，当从外部通入电流，电位随电流上升，达到致钝电位后，腐蚀电流急速下降，后随电位上升，腐蚀电流不变，直到过钝区为止。利用这个原理，以要保护的设备为阳极导入电流，使电位保持在钝化区的中段，腐蚀率可保持很低值。在保持钝性的电位区间，决定金属的阳极溶解电流密度大小的是钝化膜的溶解速度，所以，金属的钝态不是热力学稳定状态，而是一种远离平衡的耗散结构状态。阳极保护法需要一台恒电位仪以控制设备的电位（以免波动时进入活化区或过钝化区）。由于只适用于可钝化金属，所以这种方法的应用受到限制。阳极保护法在工业上用于生产、处理H2SO4、H3PO4、NH4HCO3溶液、NH4NO3复合肥等的不锈钢或碳钢制容器和设备等。（3）.阴极保护

金属电化学腐蚀过程中，微型电池的阴极是接受电子产生还原反应的电极，阳极是失去电子发生氧化反应的电极，只有阳极才发生腐蚀。阴极保护法就是将需要保护的金属作为腐蚀电池的阴极（原电池的正极）或作为电解池的阴极而不受腐蚀。前一种称为牺牲阳极法，后一种称为外加电流法。牺牲阳极法，就是电极电位较负（较活泼）的金属或其合金连接在被保护的设备上，例如钢铁设备连接一块Zn、Mg或Al合金，使它们在形成的原电池中作为阳极而被腐蚀，而使金属设备作为阴极受到保护，这种被牺牲的阳极须定时更换。外加电流法，是在体系中连接一块导流电极（石墨、铂或镀钌、钛、高硅铁、废钢等）作为阳极，当外部导入的阴极电流，使局部阴极电流与局部阳极电流相等、方向相反而相互抵消时，金属腐蚀停止，达到保护设备的目的。阴极保护广泛用于土壤和海水中的金属结构、装置等，如管道、电缆、海船、港湾码头设施、钻井平台、水库闸门、油气井等。为了减少电流输入，延长使用寿命，阴极保护法一般和金属表面涂料法联合应用，是一种经济简便、行之有效的金属防腐方法。（4）.加入缓蚀剂

在可能引起金属腐蚀的介质中加入少量缓蚀剂就能大大减缓金属腐蚀过程。缓蚀剂可分为无机缓蚀剂、有机缓蚀剂和气相缓蚀剂三类。

有些无机缓蚀剂使阳极过程变慢，称为阳极型缓蚀剂，如促进阳极钝化的氧化剂（铬酸盐、亚硝酸盐、Fe3+）或阳极成膜剂（碱、磷酸盐、硅酸盐、苯甲酸盐）；另一类无机缓蚀剂是促进阴极极化，称为阴极缓蚀剂，如Ca2+、Zn2+、Mg2+、Cu2+、Cd2+、Mn2+、Ni2+等，能与在阴极反应中产生的OH-形成不溶性的氢氧化物，以厚膜形态覆盖在阴极表面，因而阻滞氧扩散到阴极，增大浓差极化。也有同时阻滞阳极过程和阴极过程的混合型缓蚀剂。有些溶液中的杂质，如S、Se、As、Sb、Bi等化合物，能阻抑阴极放氢过程，使阴极极化增大，减缓腐蚀。缓蚀剂的用量一般要先通过试验才能确定。

有机缓蚀剂属于吸附型缓蚀剂，它们吸附在金属表面形成几个分子厚的不可见膜，一般同时阻滞阳极和阴极反应，但阻滞效果并不相同。常用品种有含N、含S、含O、含P的有机化合物，如胺类、杂环化合物、长链脂肪酸化合物、硫腺类、醛类、有机磷类等。缓释剂的吸附类型有静电吸附、化学吸附。静电吸附剂有苯胺及其取代物，吡啶、丁胺、苯甲酸及其取代物如苯磺酸等；化学吸附剂有氮和硫杂环化合物；有些化合物同时具有静电和化学吸附作用。此外，有些螯合剂能在金属表面生成一薄层金属有机化合物。近年来，有机缓蚀剂发展很快，应用广泛，使用这些缓蚀剂也会产生缺点，如可能污染产品，可能对生产流程产生不利影响等。

气相缓蚀剂多是挥发性强的物质，也属于吸附型缓蚀剂。它的蒸气被大气中水分解出有效的缓蚀基团，吸附在金属表面使腐蚀减缓，一般用于金属零部件的保护、贮藏和运输。它必须用于密封包装内，海洋油轮内舱也可用它来保护。常见的有效气相缓蚀剂有脂环胺和芳香胺；聚甲烯胺；亚硝酸盐与硫脲混合物；乌洛托品和乙醇胺；硝基苯和硝基萘等。总结：对于金属的防护还有很多其他新型措施，但以上几种是目前源与能源紧缺的时代，解决好金属腐蚀问题将会创造出无以估计的价值。

参考资料

[1] 《应用电化学》杨辉卢文庆编著科学出版社 [2] 《物理化学》傅献彩主编高等教育出版社 [3] 《电化学基础》[4] 《腐蚀电化学》

杨文治

曹楚南北京大学出版社化学工业出版社

篇2：电化学腐蚀

高材1205班

穆仕敏 20120221165

摘要：

1.金属腐蚀：金属和金属制品在一定环境中使用或者放置，会自发的发生氧化反应，逐渐的变成氧化物，氢氧化物或各种金属盐，而金属本身则早饭到破坏。例如：钢铁在潮湿的空气中生锈、铝锅盛食盐而穿孔等。这类现象称为金属的腐蚀。

2.腐蚀电池：金属的电化学腐蚀是金属与介质接触时发生的自溶解过程。在这个过程中金属被氧化，所释放的电子完全为氧化剂消耗，构成一个自发的短路电池，这类电池被称之为腐蚀电池。

关键词：电化学腐蚀，腐蚀电池，金属的保护，电化学腐蚀的应用。

一、电化学腐蚀现象：

1，黄铜制作的的铜锣不易产生铜绿

2，.生铁比软铁芯容易生锈

3，锈质铁器附有铜质配件，在接触处容易生铁锈 4，钢铁在潮湿的空气中生锈。5，铝锅盛食盐而穿孔

二、电化学腐蚀的原理：当金属被放置在水溶液中或潮湿的大气中，金属表面会形成一种微电池，也称腐蚀电池，阳极上发生氧化反应，使阳极发生溶解，阴极上发生还原反应，一般只起传递电子的作用。也就是说金属腐蚀就是腐蚀电池的形成和发生反应的过程。

三、.电化学腐蚀的原因：腐蚀电池的形成原因主要是由于金属表面吸附了空气中的水分，形成一层水膜，因而使空气中，等溶解在这层水膜中，形成电解质溶液，而浸泡在这层溶液中的金属又总是不纯的，如工业用的钢铁，实际上是合金，即除铁之外，还含有石墨、渗碳体()以及其它金属和杂质，它们大多数没有铁活泼。这样形成的腐蚀电池的阳极为铁，而阴极为杂质，又由于铁与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行。

四、.化学反应方程举例：

（1)析氢腐蚀(钢铁表面吸附水膜酸性较强时)负极(Fe)：

正极(杂质)：电池反应：

由于有氢气放出，所以称之为析氢腐蚀。(2)吸氧腐蚀(钢铁表面吸附水膜酸性较弱时)(3)负极(Fe)：正极：总反应：由于吸收氧气，所以也叫吸氧腐蚀。，生成铁锈。

钢铁制品在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀。

析氢腐蚀主要发生在强酸性环境中，而吸氧腐蚀发生在弱酸性或中性环境中。，析氢腐蚀与吸氧腐蚀生成的被氧所氧化，生成脱水

五、化学腐蚀的危害：

1。由于金属表面与铁垢之间的电位差异，从而引起金属的局部腐蚀，而且这种腐蚀一般是坑蚀，主要发生在水冷壁管有沉积物的下面，热负荷较高的位置。如喷燃器附近，炉管的向火侧等处，所以非常容易造成金属穿孔或超温爆管。尽管铜铁的高价氧化物对钢铁会产生腐蚀，但腐蚀作用是有限的，但有氧补充时，该腐蚀将会继续进行并加重。危害性是非常大的，一方面，它会在短期内使停用设备金属表面遭到大面积腐蚀。另一方面，由于停用腐蚀使金属表面产生沉积物及造成金属表面粗糙状态，使机组启动和运行时，给水铁含量增大。不但加剧了炉管内铁垢的形成，也加剧了热力设备运行时的腐蚀。

2.电化学腐蚀往往伴随着电化学腐蚀和化学腐蚀同时发生。而且电化学腐蚀中常常伴有重金属。

3.浪费金属材料，毁坏金属设施，对金属制品有着严重的威胁，全球大约有五分之一的金属被腐蚀掉了。

4.减少许多金属材料的制品的寿命，使金属设备更新周期加快，浪费大量的财力、人力、物力。

5.金属电化学腐蚀阻碍了科学在材料方面的发展，影响科学的进步。

六、电化学腐蚀的防护及应用

1．阳极保护（适用有钝化曲线的金属）

凡是在某些化学介质中，通过一定的阳极电流，能够引起钝化的金属，原则上都可以采用阳极保护法防止金属的腐蚀。

例如我国化肥厂在碳铵生产中的碳化塔已较普遍地采用阳极保护法，取得了良好效果，有效地保护了碳化塔和塔内的冷却水箱。

使用此法注意点：钝化区的电势范围不能过窄，否则容易由于控制不当，使阳极电势处于活化区，则不但不能保护金属，反将促使金属溶解，加速金属的腐蚀。

2．阴极保护就是在要保护的金属构件上外加阳极，这样构件本身就成为阴极而受到保护，发生还原反应。阴极保护又可用两种方法来实现。

1）称为牺牲阳极保护法：它是在腐蚀金属系统上联结电势更负的金属，即更容易进行阳极溶解的金属(例如在铁容器外加一锌块)作为更有效的阳极，称为保护器。这时，保护器的溶解基本上代替了原来腐蚀系统中阳极的溶解，从而保护了原有的金属。此法的缺点是用作保护器的阳极消耗较多。

（2）外加电流的阴极保护法：目前在保护闸门、地下金属结构(如地下贮槽、输油管、电缆等)、受海水及淡水腐蚀的设备、化工设备的结晶槽、蒸发罐等多采用这种方法，它是目前公认的最经济、有效的防腐蚀方法之一。该法是将被保护金属与外电源的负极相连，并在系统中引入另一辅助阳极，与外电源的正极相连。电流由辅助阳极(由金属或非金属导体组成)进入腐蚀电池的阴极和阳极区，再回到直流电源B。当腐蚀电池中的阴极区被外部电流极化到腐蚀电池中阳极的开路电势，则所有金属表面处于同一电势，腐蚀电流消失。因此，只要维持一定的外电流，金属就可不再被腐蚀。

（3）气相中阴极保护。电化学方法能否在气相环境中使用是人们一直希望解决的问题。1988年，中国研究出了气相环境中的阴极保护技术，用于架空金属管道、桥梁、铁轨、海洋工程构件上的飞溅区保护，并在架空金属管道的实际试验中取得了非常好的保护效果，使材料的寿命延长了20多倍，为气相环境中的构件保护提供了一个崭新的途径。气相阴极保护原理与溶液中的阴极保护原理相同，只是用固体电介质代替溶液，成为阴极保护电流从阳极层流向阴极层的主要离子迁移通道。外加阴极电流从辅助阳极流入，经过固体电介质至阴极(即被保护的结构材料)，从而使处于气相环境中的结构得到保护。

3.缓蚀剂的防腐作用

把少量的缓蚀剂(如万分之几)加到腐蚀性介质中，就可使金属腐蚀的速率显著的减慢。这种用缓蚀剂来防止金属腐蚀的方法是防腐蚀中应用得最广泛的方法之一。电化学腐蚀的速率是由阳极过程和阴极过程的极化特征所决定的。只要加入的缓蚀剂能够抑制上述过程中的一种或二种，腐蚀速率就会降低。根据缓、蚀剂所能抑制的过程，我们可以把缓蚀剂分为阳极型缓蚀剂、阴极型缓蚀剂和混合型缓蚀剂。加入缓蚀剂，加快极化程度，降低腐蚀电流。作用的机理主要是在电极表面形成钝化膜或者吸附膜。缓蚀剂的种类繁多，属于无机类的缓蚀剂有亚硝酸盐、铬酸盐、重铬酸盐，磷酸盐等等；属于有机类的缓蚀剂有胺类、醛类、杂环化合物、咪唑啉类等等。

参考文献：

1.《物理化学简明教程》第四版7.13节金属的腐蚀与防护 2:电化学现象

http://zhidao.baidu.com/link?url=2RNFkZMF2vK3laQcUNuyJwaxUNq1xDjn0OXKb888VL5syI-1Jk4JvN0KrURCk99z7tDE0-2S3fuXZujZRVidB_ 3电化学在金属防护的应用

http://zhidao.baidu.com/link?url=tiwPiHr_VvRC0XbtoUj00OM0q-W8-9kJQVXhE2IFxxkWAXIAdnHVEFhK7xyVJAEeZQPD0CLAaukxjvCzuiZFH_ 4.电化学基础课件

篇3：电化学腐蚀

Inconel718(国内牌号GH4169) 镍基合金是重要的耐腐蚀材料之一,与其他耐腐蚀金属、非金属材料相比,不仅在诸多工业腐蚀环境中具有独特的抗腐蚀甚至抗高温腐蚀性能,并且兼有较好的力学及加工性能,被广泛应用于石化、能源、海洋、航空航天等领域[1,2]。Inconel718合金是一种时效强化的变形高温合金[3],由γ基体、 NbC、γ′(Ni3AlTi)、γ″(Ni3Nb)及δ(Ni3Nb)相组成,其中γ″相为主要强化相[4,5],γ′相的数量与γ″相数量相当,起到一定的强化作用,其中,在高温服役期间γ″相易于转变成为δ相[6]。

随着世界能源危机的加剧,油气勘采目标逐步向复杂地区、深海、深层和低压低渗、高温高压、高含H2S的储层发展[7],钻探条件更加恶劣[8],特别是含H2S酸性油气井的开采对选材要求日益严格,以前应用于普通油气井开发的普碳钢、低合金钢、低级不锈钢等材料已远不能满足含H2S酸性油气井开采的要求。根据住友公司和NKK公司选材图[9],金属材料中只有镍基合金(如Inconel718、Alloy C-276、Alloy825和Alloy028等)可以满足含H2S酸性油气井的开采要求。影响镍基合金耐蚀性能的因素[10]很多,其不仅与外界条件如温度、组分、浓度、pH值、压力、应力状态等有关,外界条件一定的情况下,合金本身的特性也起很重要的作用,包括化学成分、组织结构、力学性能等。镍基合金具有优良耐腐蚀性能的原因在于其表面形成致密的钝化膜作为阻隔层,减缓了基体与腐蚀介质的接触,从而有效保护了基体[11] 。但尽管如此,在一定环境下还是会有腐蚀发生。研究表明应力腐蚀开裂和晶间腐蚀等不同类型的失效与材料的晶界化学成分有关[12],作为钝化膜的基本组成元素,Ni、Cr、Mo等合金元素对镍基合金的耐腐蚀性能具有重要影响[13]。很多环境下Inconel718合金表现出良好的耐腐蚀性能,主要是由于镍自身电极电位较高,钝化能力强,而且对卤族元素有高度稳定性,镍除了在强氧化环境外,对很多无机、有机和混合酸碱在很宽的酸碱度范围的耐腐蚀性能都有贡献,镍对防止Cl-应力腐蚀开裂也很有用;其次,合金化元素如Cr、Mo、Cu、W等具有优良的耐不同介质腐蚀的能力,如铬使合金具有承受氧化介质和硫化物侵蚀的能力,钼对很多介质中的点蚀有限制作用;此外,合理的热处理制度对Inconel718合金的耐腐蚀性能有很大的影响。另一方面,Inconel718合金的腐蚀评价技术至关重要,有必要研究镍基合金钝化膜的形成机理以及钝化膜电子结构对耐腐蚀性能的影响,以利于镍基合金的开发及使用环境的选择,而电化学方法在这方面有很大的优势,因此,本文提出运用多种电化学方法综合评价镍基合金的腐蚀性能。

1 Inconel718合金的耐腐蚀性能

1.1 均匀腐蚀

均匀腐蚀是在接触腐蚀介质的全表面或大部分表面均匀进行的腐蚀。均匀腐蚀是考核材料耐腐蚀性能的主要指标,也是设计部门最为关注的参数之一,因具有直观性、实用性和不可替代性而一直受到各个国家和地区的普遍重视。Inconel718合金具有优良的抗均匀腐蚀性能[14,15]。实验[16]发现Cl-的出现对合金的均匀腐蚀影响较轻,但Inconel718合金发生明显的Ni的选择性溶解腐蚀,引起较严重的点蚀现象。

1.2 应力腐蚀

应力腐蚀开裂(SCC)是指敏感金属或合金在一定的拉应力(施加的外应力或残余应力)和一定的腐蚀介质共同作用下产生的一种特殊开裂方式。应力腐蚀开裂的机理众说纷纭,主要分成两大类:一种是氢致开裂(HIC)或氢脆裂(HE)理论,一种是阳极溶解型应力腐蚀-活性通路理论。氢致开裂主要是针对碳钢和低合金钢,以H2S作为氢源,在金属裂纹或缺陷处积聚产生压力,导致裂纹扩展,材料失效。阳极溶解机理主要适用于高强钢和不锈钢,在有Cl-参与的情况下,裂纹源于Cl-引发的蚀孔,呈台阶状向内部扩展,沿夹杂物或基体界面晶界择优溶解导致裂纹扩展,引发失效。典型的理论有氢引起局部塑性增强(Hydrogen-enhanced localized plasticity)理论[17]、氢引起结合力下降 (Hydrogen-induced decohesion) 理论[18,19]、粒子捕获氢促进裂纹形核及扩展理论[20,21,22]等。热处理是诱发相组织析出或消失的主要因素,会在很大程度上影响合金耐SCC的性能。Deleume等[23]研究发现在较低温时效(约750 ℃)形成的δ相(记为δLT)与在高温时效(900~1000 ℃)形成的δHT耐SCC的性能不同;Garzarolli等[24]进一步证实标准低温退火(720 ℃/8 h+620 ℃/8 h)和高温(954 ℃)时效时析出δ相都具有优良的耐SCC性能,而在760 ℃过时效时形成的δLT相则发生SCC。Wilson等[25]研究发现,Inconel718合金可抵抗轻水反应堆环境中应力腐蚀裂纹的萌生,但与材料中小缺陷相连的裂纹可能扩展;可以采用热处理来改善合金抵抗SCC萌生和扩展的能力;Laves相的存在与SCC萌生及扩展的敏感性之间关系密切。合金经固溶处理比经固溶+时效处理耐蚀性好[14,26],主要是由于合金经固溶+时效处理有第二相粒子析出,基体相为阳极,微小的第二相粒子为阴极,合金中不同相之间的电位不同,容易形成微观腐蚀电池,腐蚀微电池的数量增加,使合金的失重增大,合金的耐腐蚀性能下降;而固溶处理后的合金中基本上形成了单相奥氏体组织,微电池数量少。高温高压含湿H2S油气环境下Inconel718合金组织演变对其耐SCC性能影响的相关研究未见报道。在实际应用过程中,Inconel718合金一般用作石油钻探设备的关键部件,长期在高温高压环境下引发组织的相态变化会对合金的性能产生根本影响,由此导致材料失效,造成巨大的经济损失,但目前其组织对腐蚀开裂的内在作用机制仍不清楚。因此,系统深入地开展这方面的基础研究,对于推进我国酸性油气开采与工程技术装备的自主创新都具有较大的现实意义。

1.3 电偶腐蚀

在井下环境中很容易满足电偶腐蚀发生所需的3个条件:电解质溶液、两种拥有不同自腐蚀电位的金属且存在电接触、两种金属同时与电解质溶液有电接触[27]。在油气井生产管柱结构中[28],两种具有不同自腐蚀电位的油套管采用螺纹联接结构,且处在溶有H2S和CO2、Cl-等的地层水组成的电解质溶液中,两种材料必将产生电偶腐蚀。电偶效应会加速腐蚀低电位材料而导致油套管穿孔断裂[29,30,31]。低合金钢与Inconel718高合金钢偶合后,Inconel718合金作为阴极会受到保护而腐蚀减缓,低合金钢作为阳极会加速腐蚀,应当避免出现大阴极小阳极的不利面积比。在模拟酸性油气井中[32]采用组合套管串设计,即在腐蚀严重井段采用Inconel718合金,其余部分选用抗硫钢材如VM80SS,可靠性较高。Inconel718合金与抗硫钢材组成的电偶对在模拟油气井环境中的电偶腐蚀实验鲜有报道,研究Inconel718合金与抗硫钢材的电偶腐蚀特征与规律对提高组合套管串设计的可靠性以及安全开采酸性油气井具有重要意义。

1.4 热腐蚀

热腐蚀是金属材料在高温含硫的燃气工作条件下与沉积在其表面的盐发生反应而引起的高温腐蚀形态,通常可将热腐蚀分为两种类型,即高温热腐蚀(Ⅰ型)和低温热腐蚀(Ⅱ型)[33,34]。影响两种热腐蚀过程的主要参数包括:合金成分、工艺条件、腐蚀介质成分、腐蚀气氛的流动速度、热循环温度以及燃气组成等。Inconel718合金因在中低温具有优良的综合力学性能以及耐氧化[35]和耐热腐蚀[36]性能而广泛用于涡轮发动机关键部件[37,38]。研究发现[39],650 ℃、100 h浸盐热腐蚀(热腐蚀介质为混合盐, 配比为75% Na2SO4+25% NaCl)预处理后,Inconel718合金的室温拉伸性能变化不大;650 ℃拉伸强度无明显改变,但拉伸塑性略有降低;650 ℃、700 MPa持久性能明显下降,其主要原因是S降低晶界强度。同时,外加应力可加快Inconel718合金热腐蚀速率。随热暴露温度的升高,腐蚀加剧[40]。在涡轮发动机中,Inconel718合金需要在比较恶劣的腐蚀环境中长时间工作,然而目前关于Inconel718合金热腐蚀行为,尤其是热腐蚀预处理对力学性能影响的研究还相对较少。因此,研究Inconel718合金在正常工作温度(650 ℃)下的热腐蚀行为及热腐蚀预处理对力学性能的影响规律,能为Inconel718合金在腐蚀环境中的长期应用提供研究基础和参考。

1.5 氢脆

一般认为,氢脆是由于氢会促进合金中裂纹的萌生和扩展。因此,能够不可逆地捕获氢的碳化物会促进合金对氢的吸收,进而影响合金的氢脆。Symons[41]研究了Cr含量对Ni-Cr-Fe合金氢脆的影响,发现当Cr含量较低时,氢对合金的塑性影响较小;而当Cr含量较高时,氢可显著降低材料的塑性。Fukuyama等指出沿晶界分布的δ相对氢脆裂纹的扩展有促进作用,但没有通过实验加以证明;Thompson指出Inconel718中的基体强化相(γ″和γ′)对氢脆可能也有一定的影响,但同样没有实验数据支持[42]。刘六法等[43]研究表明,电解充氢会引起Inconel718合金塑性下降;塑性下降倾向与合金退火状态有相关性;通过对标准时效态的合金进行退火,降低强化相的体积分数,可以明显降低合金氢脆倾向;充氢引起的合金塑性损失随γ″的体积分数的增加而线性增加。对特定工业应用而言,在满足强度要求的前提下,通过热处理调整合金中γ″与γ′的体积分数,可以控制或降低合金的氢脆倾向。对于Inconel718合金而言,由于其基体和碳化物的析出状态一般难以改变,因此一直没有有效增强其氢脆抗性的方法,这也是Inconel718合金的研究热点和难点。

2 电化学方法在镍基合金腐蚀评价中的应用

2.1 塔菲尔极化曲线法

塔菲尔(Tafel)极化曲线法主要是通过向浸泡在特定电解质溶液中的试样施加一个随时间线性变化的电位信号,并测量电流响应的电化学极化曲线来研究合金的腐蚀行为。赵雪会等[44]采用三电极体系,在6%的FeCl3饱和CO2水溶液中对G3和Incoloy825合金进行测试,结果表明,G3合金在700~900 mV时处于钝化状态,而Incoloy825合金无明显钝化区出现。同时,他们通过Tafel极化曲线得到合金的腐蚀电流密度,腐蚀电流密度越小合金的腐蚀速率越低;而合金的钝化电位区间的大小可以说明合金钝化的难易程度,区间越大,合金越容易钝化。合金的腐蚀电流密度越小,钝化区越宽,合金的耐蚀性能就越强。Canut等[45]研究了690、600TT和600MA在320 ℃、不同pH下的腐蚀速率,发现高铬含量的合金具有较低的腐蚀速率,并推测了不同阳极峰Fe、Ni和Cr氧化反应。通过Tafel极化曲线法可以得到合金在不同温度、pH、浓度和气体等多相复杂介质环境下的部分动力学参数,判断合金在介质中的腐蚀抗性。

2.2 电化学阻抗谱

电化学阻抗谱(EIS)被广泛用于研究电极的电化学行为,具体到金属的钝化或钝化膜,通过电极阻抗可以建立起不同电路元件的等效电路体系,与金属、钝化膜、溶液界面、离子扩散和吸附等存在对应关系,对深入研究钝化膜的耐蚀性、生长及破坏过程极有帮助。张艳等[46]对Ni-xCr(x=0,9,15,20,25)合金进行电化学阻抗研究,发现在室温下不同浓度的NaCl除氧溶液中,整个电极过程的控制步骤是界面电化学的电荷转移。袁曹龙等[47]在室温下对镍基600合金在0.05 mol/L的NaCl溶液中进行电化学阻抗谱研究,其复数平面图由位于第1象限的一个半圆和一条与实轴成约60°角的直线两部分组成,认为整个过程电化学反应的极化是由混合过程控制,频率较大时由电荷传递控制,频率较小时由离子扩散控制。此外,近几年动电位电化学阻抗谱[48]作为一门新的电化学测量技术快速发展,其能够连续测量电极表面在不同极化电位下的电化学阻抗谱。

2.3 Mott-Schottky曲线法

大部分合金耐蚀材料与腐蚀介质接触时会形成一层具有钝化作用的氧化膜,这种氧化膜通常具有半导体性质,当膜与溶液接触时,半导体膜与溶液分别带相反的电荷,半导体膜的过剩电荷分布在空间电荷层内,在空间电荷层显示耗尽层时,可以通过测量空间电荷层电容(CSC) 与电位(E)的变化关系来研究半导体膜的性质,一般用Mott-Schottky理论方程来进行描述[49,50]。Ries等[11]研究发现Alloy600在硫酸钠溶液中的钝化膜可能呈双层结构,内层为铬氧化物,外层为铁镍氧化物。尽可能通过改性让合金钝化膜具有阴离子选择性的内层和阳离子选择性的外层的结构,则既能阻止阳离子从金属基体或合金中迁移,也能防止如 Cl-、SO42-等阴离子从溶液中渗入,提高合金的抗腐蚀性能。

2.4 电化学动电位再活化法

电化学动电位再活化(EPR)检测技术的基本原理是当对待测材料进行从钝化区电位到活化区电位的再活化扫描时,覆盖于浸蚀敏化晶界处的钝化膜受到破坏, 从而引起电流密度的升高,而晶面和未敏化的晶界仍为钝态。所以,浸蚀敏化程度高的材料必然比轻度敏化的材料电流密度大,再活化峰值电流密度Ir、再活化电量Qr、再活化峰电流与活化峰电流比ir/ia和对应活化电量比Qr/Qa可作为评定晶间腐蚀浸蚀敏化程度的判据,进而确定材料的劣化性能[51]。EPR技术具有快速、灵敏和定量的特点,并能够对在役构件进行现场检测。高中平等[52]通过对奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti在10%草酸进行浸蚀实验得出电量判据较电流判据能更灵敏地反映材料晶间腐蚀敏感性的变化,而电量比Qr/Qa较电量Qr数据波动性更小,重现性更好。

2.5 循环伏安法

循环伏安法(CV)是一种常用的电化学研究方法,限定工作电极电势起始电位和终止电位,以一定的速率随时间以三角波形1次或多次反复扫描,并记录电流随电势的变化曲线。该法可以判断电极表面可能发生的氧化或还原反应,根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度[53]。CV法在国内较少用于镍基合金的研究。Ries等[11]用循环伏安法对Alloy600、Ni、Cr和Fe进行了对比实验,发现阳极极化生成的钝化膜不会被还原,钝化膜具有强烈的阻挡进一步氧化作用,而转速几乎不影响曲线形状,进而认定钝化膜为固态反应形成,而非溶解沉淀机制;钝化膜的形成与Ni、Cr、Fe的溶解或氧化物和氢氧化物有关。因此,采用循环伏安法可以深入研究钝化膜的成膜反应过程。

3 展望

不论在国内还是国外,Inconel718合金的耐腐蚀性能一直是腐蚀研究的热门话题,特别是高温高压含湿H2S酸性油气环境下耐腐蚀性能的研究更具有实际指导意义。电化学技术由于具有精度高、灵敏性高、时间短和投资少等优点,不仅在实验研究上有重大价值,而且在评估构件寿命和失效分析等工程实际应用方面也有着巨大的潜力。我国有丰富的镍资源,随着经济的快速发展, 高性能镍基合金需求将不断攀升,高温或高压等苛刻复杂腐蚀环境的应用将越发受重视,而国内高温高压环境电化学研究较为缺乏。未来相应的检测技术手段会不断提升,应发展新的电化学方法和自参比电极等设计思路,结合电子显微镜、X射线衍射和能谱等其他表征技术手段,力求达到在同一腐蚀环境中运用不同方法,多样化验证并确定不同因素对镍基合金耐蚀性能的影响程度。

摘要：综述了Inconel718合金抗均匀腐蚀、应力腐蚀、电偶腐蚀、热腐蚀、氢脆等常见耐腐蚀性能,指出了In-conel718合金耐腐蚀性能研究中存在的关键问题,分析了Inconel718合金具有优良耐腐蚀性能的原因。结合实例介绍了5种主要的电化学方法在评价同类镍基合金耐腐蚀性能方面的应用和原理,总结了不同电化学方法的主要研究目的,提出运用其他表征手段结合电化学方法进行综合研究的思路。最后展望了高温高压湿H2S腐蚀环境下In-conel718合金的腐蚀机理和电化学研究前景。

篇4：铁的电化学腐蚀实验探究改进

在骨干教师的培训过程中，依照培训标准，要求参与培训的教师每人上一节县级公开课，我恰逢上到“金属的电化学腐蚀”这一节内容，因此将这节内容选定为公开课讲授内容。由于县级公开课的要求较高，于是在备课之时我便亲自前往化学实验室，按照教材中的“活动探究”完整试验了整个案例的全部过程，以此保证公开课能够顺利无误地进行。但现实情况是，如果完全依照课本那样进行一整套的实验操作流程，那么等到具体的化学现象的出现需要近20分钟，我想一节课就45分钟，等现象就花了20分钟，那还有操作装置花费时间不就至少要30分钟，那剩下15分钟怎么能完成教学目标呢？于是就提出问题，和实验老师探讨是否能改进实验，缩短时间。

二、实验探究过程

课本的实验：

向还原铁粉中加入少量的炭粉，混合均匀后，将其小心撒入内壁分别用氯化钠溶液和稀醋酸润湿过的两支具支试管，按课本图1-28组装好仪器。几分钟后，打开止水夹，观察、比较导管中水柱的变化和试管中的现象。图1-28如下：

1.创新的设想

方案一涂老师提出把还原性铁粉用酸洗过再按课本那样操作分别浸氯化钠溶液和稀醋酸溶液。

方案二苏老师提出把铁粉改成铁片，然后在铁片表面涂抹铅笔蕊后卷成圆形分别用氯化钠溶液和稀醋酸溶液后再照课本那样做。

2.创新实验过程

实验药品：0.1mol NaCl溶液、0.1mol HCl溶液、稀醋酸、铁皮、铅笔蕊

实验仪器：具支试管、导管、试管、U型管、橡皮塞、电流计、碳棒、导线

操作：

先用方案一：结果反应所需花的时间还是较长，没得到预想结果。

而用方案二：两个实验同时做。

浸NaCl溶液只用5分钟就可观察到明显现象，大大缩短了时间。

现象：浸有NaCl溶液导管中水柱上升。

浸稀醋酸溶液，刚开始水柱下降，而后水柱又上升。

此时出现了反常的实验现象，之所以出现这样的问题，到底是哪个实验装置环节出现问题，是操作不当还是药品的问题？我们思考着，着手分析可能造成这种问题出现的具体原因。人们常说：尽信书不如无书。只有实践才能得出结论，原因是：

在这种实验条件下，稀醋酸润湿过的试管，水膜酸性较弱，仅有少量H+得电子生成H2，更主要的是溶解在水膜里的O2得电子发生吸氧腐蚀，而被酸浸湿过铁析氢腐蚀速度更快，瞬间完成后就发生吸氧腐蚀，倒吸的速度和程度均大于NaCl溶液润湿过的吸氧腐蚀。为了让学生明白铁在中性或弱酸条件下发生吸氧腐蚀，而在强酸性下发生析氢腐蚀，我们又改进实验装置。将课本实验装置改为对比实验装置，如下图：

观察现象：

红墨水起初向左侧流动，导致左侧水柱比右侧高。过了几分钟后，红墨水又向右侧流动，导致右侧水柱比左侧高。

实验结论：

装置中右侧b虽然用稀醋酸润湿开始发生析氢腐蚀，而后就发生吸氧腐蚀。

经过亲身实践，整个实验装置也改进得更为成功，继而决定在上课时采用这套改进后的装置为学生展现探究活动的魅力，通过化学实验的明显比对，让学生更深刻体会铁在什么条件下发生吸氧腐蚀和析氢腐蚀，从实验中培养学生分析问题，比较、归纳

能力。

三、與旧知识的联系

课本安排铁的电化学腐蚀实质是引导学生关注日常生活，用所学原电池工作原理解释化学现象达到学以致用，加深学习理论知识，为了取得新旧知识的联系，在上课中又补充一个实验：将铁片和碳棒用导线连接后放入NaCl溶液中并接入电流计。

此实验的实验现象为电流计的指针发生了明显偏转，这无疑说明了部分化学反应可能会催生电流。

篇5：电化学腐蚀

三维目标：

知识与技能：1．了解金属腐蚀及其危害。

2．了解金属电化学腐蚀的原因及反应原理。

3．了解金属防护的一般方法，特别是电化学防护的方法。

过程与方法：事例引入，激发兴趣；分组实验，总结结论，典型题例，强化理解。

情感态度与价值观：通过生活事例引发学生思考，体现化学与生活的紧密联系，激发学生的探索精神，并让学生体会到学以致用的科学精神。

教学重点：金属的电化学腐蚀及金属的电化学防护。

教学难点：金属发生吸氧腐蚀的电化学原理。

教具：提供试剂：锌片铜片稀硫酸氯化钠溶液

提供仪器：水槽导管电流表

教学过程：

【事例引入（配合投影）】在我们的生活中经常可以看到这些现象（投影图片）。这些现实均显示：我们辛苦制备的材料，尤其是金属材料在使用中往往会被腐蚀，造成损坏，浪费，甚至引起恶性事故。如：这是位于美国的俄亥俄桥，突然塌入河中，死亡46人。事后调查，是由于桥梁的钢梁被腐蚀产生裂缝所致。又如，这是日本大阪地下铁道的输气管道，因腐蚀而折断，造成瓦斯爆炸，乘客当场死亡75人。

这样的例子举不胜举，可见，金属腐蚀给人类造成的损失有多么巨大。据统计：（投影）。这些数据都说明金属腐蚀造成的损失已经远远超过了各种自然灾害造成的损失的总和。所以我们要有这样的使命感：用自己学过的知识，去研究金属腐蚀的原理，并尝试找出“防止腐蚀的方法”，甚至想想利用腐蚀原理为我们服务。今天这堂课我们就来走进“金属的腐蚀与防护”。

【板书】金属的电化学腐蚀与防护

[预设问题1]

钢铁生锈，铁锈的主要成分：Fe2O3·xH2O 铜器生锈，铜绿的主要成分：Cu2(OH)2CO3

思考：金属腐蚀的本质是什么？

[板书] 第四节金属的电化学腐蚀与防护

[板书]

一、金属的电化学腐蚀

1、金属的腐蚀

(1)定义：金属原子失电子被氧化的过程

(2)金属腐蚀的本质：M—ne—=Mn+

[实验探究]金属腐蚀的类型

[预设问题2] A、B装置中Zn棒的质量有无变化？

Zn发生了什么反应？

装置中是否有电流形成？

[板书](3)金属腐蚀的类型

[预设问题3] 钢铁在潮湿的空气中为什么在潮湿的空气中比干燥的空气中更易被腐蚀？

[多媒体投影] 钢铁的析氢腐蚀电化学腐蚀示意图

[板书] 析氢腐蚀（酸性溶液）

[指定学生板书] 负极（Fe）：Fe—2e—=Fe2+ 正极（C）：2H++2e—=H2↑

[引导] C装置中发生了什么电化学腐蚀？ [学生实验] 铁的吸氧腐蚀（教材85页实验4-3）

[演示实验]2.铁的吸氧腐蚀的改进实验：投影实验现象

[多媒体投影]实验现象

[板书]析氧腐蚀（中性和弱酸性溶液）

[多媒体投影] 钢铁的吸氧腐蚀电化学腐蚀示意图

[引导] 钢铁吸氧腐蚀时形成的原电池的正负极，写出电极反应方程式：

[板书] 负极（Fe）：2Fe—4e—=2Fe2+ 正极（C）：O2+2H2O+4e—=4OH—

总反应：2Fe+ O2+2H2O=2Fe(OH)2

[多媒体投影]铁锈形成：4Fe(OH)2+ O2+2H2O=4Fe(OH)3

Fe(OH)3失去部分水成为铁锈,结构疏松，不能起到保护作用。

【引导，并思考幻灯片上提示的问题，并板书】通过对具体实验的分析，我们来实现一次理论的升华。思考以下问题：

1、金属腐蚀的本质是什么？（M-ne=Mn+）

2、根据金属腐蚀的原理，我们可以给腐蚀怎样分类？直接接触反应（如1）——化学腐蚀

形成原电池反应（如3、4）——电化学腐蚀【3叫析氢腐蚀，4叫吸氧腐蚀（铁生锈的主要原理）】

3、按照腐蚀分类，哪种腐蚀的危害程度更大？（电化学腐蚀现象更具有普遍性，因为不纯金属多，易形成原电池，并且电化学腐蚀更快）

因为电化学腐蚀更普遍存在，当然危害也更大。比如::耸立在美国纽约港外，高15层楼的自由女神，历来被认为是美国的象征。但自由女神近百年来一直受着一种疾病的折磨。因为它的外壳材料是铜，而支撑整个雕塑的内支架却是铁，在它们之间被浸透油的毛毯隔开。时间长了，毛毯失去了隔离作用，大西洋潮湿的带着盐分的空气不断地向自由女神进攻, 无数的原电池便在自由女神的身上形成，【引导】通过对微观腐蚀原理的探讨，我们应该已经基本明白了金属被腐蚀的原理，那么为了让我们辛苦冶炼出的金属不被无谓浪费，结合生活常识，我们要怎么办？（鉴于金属发生腐蚀的原因，可以从哪些方面设想解决问题的思路？）

【过渡】怎样防护大海中船体的腐蚀？

【板书】

二、金属的电化学防护

【板书】

1、牺牲阳极的阴极保护法 [板书]

2、外加电流的阴极保护法

[引导] 其他金属防护方法

[引导]学生小结本节课重难点、易错点。

篇6：电化学腐蚀

公开课教案

第四节金属的电化学腐蚀与防护

一、教学目标 1．知识与技能目标

（1）知道金属腐蚀的两种类型（化学腐蚀和电化学腐蚀）。（2）能解释金属发生电化学腐蚀的原因,认识金属腐蚀的危害。（3）知道防护金属腐蚀的方法。2．过程与方法目标

（1）学会设计控制单一变量进行对比实验以及对实验设计进行评价。（2）从实验探究过程中提高对实验现象的观察能力和分析能力。3．情感态度与价值观目标

（1）通过金属腐蚀与生产、生活实际相联系的内容,增强学生学习兴趣.（2）通过课堂探究活动,发展学生的探究能力,学会与人合作,共同研究，探讨科学问题。（3）通过化学实验（设计、验证和评价）这一科学研究方法，培养学生实事求是的科学精神，帮助学生树立正确的科学态度。

二、教学重难点

教学重点金属的电化学腐蚀及金属的电化学防护。教学难点金属发生吸氧腐蚀的电化学原理。

三、教学内容安排

（一）本节内容在教材中的地位

“金属的腐蚀与防护”始终是一个世界性的异常棘手的科技难题。本节开篇提供的统计资料——“发达国家每年由于金属腐蚀造成的直接损失约占全年国民生产总值的2%～4%”，远远超过各种自然灾害造成损失的总和，这无疑会给人们一个重要的警示：金属腐蚀，不可等闲视之！金属曾是人类文明发展的历史标志，如铜器时代、铁器时代。在现代社会中，钢铁等金属材料的产量和质量仍是反映国民经济发展水平的重要指标。然而人们对随处可见的金属腐蚀现象早已习以为常，不以为怪。因此，本节教学一方面是让学生了解金属发生腐蚀的原因及现代防腐措施，同时还要让学生知道：防止金属腐蚀，任重道远。

本节处于该章的最后一节，在学习了原电池原理及电解池原理的基础上展开，介绍了金属腐蚀造成的严重危害、电化学腐蚀的原理及防止金属腐蚀的几种方法，重点是掌握金属电化学腐蚀（析氢腐蚀和吸氧腐蚀）的本质（金属表面形成了微型原电池），同时指出，人们根据对金属电化学腐蚀本质的认识，发现了防护金属电化学腐蚀的方法，并具体地介绍了牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法,不但运用原电池原理(牺牲阳极的阴极保

选修4

公开课教案

护法)，也再次运用了电解原理(外加电流的阴极保护法),加深了学生对化学能与电能相互转化的认识。

本节内容是本章理论知识的实际应用，有利于培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

为了拓展学生的知识面与培养他们的合作精神，教科书还安排了一项【实践活动】，要求学生查阅有关防治钢铁腐蚀方法的资料并交流。

（二）学时安排 1课时

附图

教

学

流

程

四、教学资源