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试验一金属的腐蚀测量张裕祺
金屬的腐蝕與量測
一、實驗目的
測試金屬腐蝕的電化學特性。
研究影響腐蝕的因素。
二、實驗原理
從定義上來看腐蝕,腐蝕可有四種不同的定義:(1)由於材料和其環境反應造成的損壞;(2)因為非機械方法造成的材料損壞;(3)逆向的冶金反應;(4)材料和環境的不良影響。但其中最重要的一點,就是材料和環境之間的關係。因絕大部分金屬的腐蝕過程均有電子的轉移行為,因此可以視之為一種電化學反應,依Fontana氏的分類,腐蝕的分類可分為八種,即所謂的八大腐蝕:
均勻腐蝕:金屬的表面出現一層均勻的腐蝕產物。
伽凡尼腐蝕:兩種不同金屬偶合接觸時,化學性質活潑的金屬會加速腐蝕,惰性比較大的金屬則減慢腐蝕。
間隙腐蝕:金屬的縫隙處因滯流不通,缺少氧氣,形成氧濃差電池,特別容易腐蝕,若有鹽類的滲入,則間隙腐蝕會加速惡化。
孔穴腐蝕:發生在鈍化金屬(如不銹鋼)在氯離子溶液中會發生極度集中的腐蝕,在表面行程四處散佈的孔穴。
晶界腐蝕:金屬晶界附近的化學活性比較強,因此容易發生腐蝕。
選擇性腐蝕:合金中的某一元素被選擇性的侵蝕
沖磨腐蝕:金屬在流動的腐蝕環境中,因為衝擊而產生加速腐蝕的結果。
應力腐蝕:當應力和腐蝕環境同時存在時,金屬將會逐漸在達到斷裂點之前提早破裂。 以鋅片在鹽酸溶液的腐蝕反應為例,鋅在鹽酸溶液的反應如下:Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
因為氯離子未實際參予反應,故上式可簡化為Zn + 2H+ → Zn2+ + H2
由上式可知反應可分為兩部份,一是金屬鋅被氧化為鋅離子,另一是氫離子被還原成氫氣。換言之,反應包括了鋅的氧化,與氫離子的還原兩個部份。因此,上式可改寫為:
Zn → Zn2+ + 2e- (a)
2H+ + 2e- → H2 (b)
反應式(a)的氧化作用即為一種陽極作用,因為鋅片放出電子;反應式(b)的還原則為一種陰極作用,因為氫離子吸收電子。因此金屬鋅片在鹽酸溶液的腐蝕現象,實際上就是電化學反應。腐蝕的結果就是使金屬氧化為帶正電的陽離子游離出來,而陰極反應除了使溶液的氫離子還原之外,亦有可能其他的化學反應,端看腐蝕環境(氧化劑)的不同而定。
(一)儀器
直流伏特計(勉強可用三用電表代替0~2 V)
直流電流計(勉強可用三用電表代替0~10 mA)
分析天平
超音波清洗裝置
電源供應器
材料與設備
不同濃度食鹽水溶液(5 wt%、10 wt%)
0.2 M稀鹽酸水溶液0.2 M氨水溶液
銅片、鋅片、鐵片、鋁片
燒杯數個
砂紙()滴管數支實驗步驟
試片前處理
分別以粗細砂紙打磨金屬表面,並用清水清洗。
2.以有機溶劑或鹼性清潔劑去試片表面之油污。
3.酸洗以去表面之氧化物膜。
4.乾燥試片,詳細記錄尺寸及重量。實驗流程
配置400 ml的5 wt %與10 wt %食鹽水,倒入反應槽中。
2.將兩金屬片(鋅片與銅片、鋁片與鐵片、鐵片與銅片)浸入,二者相距2 cm,且保持懸空。
每量測兩金屬片之間的電流值。
改變銅片和鋅片的距離(相距4與相距),重複1~3步驟浸入10 wt %食鹽水比較三種不同距離的結果。
取兩片大小相同之鐵片,一片折成L型,一片以銅線和銅片連接。精秤重量後,浸入10 wt %食鹽水,相距2 cm,一週後取出,洗淨後,再秤其重量,並仔細觀察各金屬片之表面情況及溶液之狀態。
注意事項
測試中
(1)避免試片和不必要之金屬間的接觸。
(2)實驗條件要仔細控制,並記錄。
2.試片之測試後處理
(1)仔細觀察試片的外觀及特徵,並記錄。
(2)試片之清理以移除腐蝕產物為原則,對試片之本身不可有任何損傷為考量要點。原則上例如超音波震破法去除腐蝕所得薄膜,或用化學法溶除之。
大量清水清洗,並乾燥之,再記錄尺寸及重量。
六、實驗數據
(1)改變試片種類、距離及反應槽濃度:
金屬片: 、 距離:________ NaCl濃度: 金屬片 反應前重量(g) 反應後重量(g) 經過時間電流值(mA) 溶液狀態 20 40 60 80 100 120
(2)改變試片形狀並以銅線連接:
金屬片/狀態 反應前重量 反應後重量 金屬表面狀態 溶液狀態 Fe(L型) Cu Fe Cu
七、問題與討論
試計算腐蝕速率(依損失重量換算成均勻腐蝕之速率,以”mm/年”為單位),比較不同條件之腐蝕速率,並討論之。
試片表面在不同條件下之腐蝕特徵,需加以分析及討論。
電化學反應
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