发布时间 : 星期二 文章【精品】材料腐蚀与防护工程课后习题答案.docx更新完毕开始阅读
缓蚀效率:
式中vO—未加缓蚀剂时金厲的腐蚀速度；V—添加缓蚀剂后金属的蚀速度。
外加电流阴极保护：外加电流阴极保护法是将被保护金属接到外加直流电源的负极，进行 阴极极化而受到保护，达到防蚀的目的。
P = J 仃 x］（X） % = （1 - -^-）x 100 %
保护程度： J , icorr、ia分别为未加阴极保护时的金
属腐蚀电流密度、阴骂保护时的金厲腐蚀电流密度。
? ?
Z = J _ J X 100 %
保护效率： \外
，icorr、ia、（i外）iappl分别为未加阴极保护时的金属腐蚀
电流密度、阴极保护时的金属腐蚀电流密度和阴极保护时外加电流密度。
协同效应：采用两种或两种以上的缓蚀剂以适当的比例混合使用以保护金属时，常常比单 独使用时的效果好得多，这种现象称为协同效应。
电镀：电镀是将材料或部件浸入含有要镀金属离子的溶液中，在直流电的作用下，电解液 中的金属离子在阴极表面还原，并沉积到表面，形成具有一定性能的金属镀层的工艺过程。 化学镀：化学镀是指不利用外加电源，而利用氣化还原反应，将溶液中的金属离子还原并 沉积在具有催化活性的镀件表面上，便之形成金属镀层的工艺方法。
热喷涂：热喷涂也叫热喷镀，是以燃烧能或电能为热源，采用专用的设备（喷枪）将加热
到熔融或接近熔融的丝状或粉状金属涂覆材料，借助离压空气或保护气氛使其雾化，然后 喷射到零部件或基体材料表面形成均匀沉积层，具有特殊性能的工艺过程。
渗镀：渗镀法是把金厲部件放进渗镀层金属或它的化合物的粉末混合物、熔盐浴及蒸气等 环境中，通过热分解或还原等反应析出的金属原子在高温下扩散，使一种或几种金属元素 渗入工件表面，形成与基体成分和性能不同的合金扩散层。
热浸镀：亦称热镀，是将被保护金属浸渍在另一种熔点较低的熔融金属浴中，经过一段时 间取出，在其表面形成一层保护性金属覆盖层。
物理乞相沉积：是扌旨在真空条件下，将金属气化成原子、分子、或离子，直接沉积到镀件 表面上的方法。
化学气相沉积：是利用镀层材料的挥发性化彰勿气体发生分解，在已经加热的工件表面发 生化学反应，生成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层的工艺方法。
涂料：涂于物体表面能形成具有保护装饰或特殊性能（如绝缘、防腐、标志等）的固态涂膜 的一类液体或固体材料之总称。
钢铁的化学氧化膜：利用化学方法可在钢铁制件表面生成一层保护性的氧化膜。钢铁的氧 化膜主要由磁性氧化铁（Fe3O4）组成，一般呈黑色和深蓝色。
阳极氧化：它是将铝或铝合金制品作为阳极，放入硫酸、珞酸或草酸的电解液中，通以电 流进行电解，在其表面生成几十到几百微来厚的多孔的A12O3氧化膜的工艺过程。
气相缓蚀剂：称挥发性缓蚀剂，具有足够高的蒸气压，即在常温下有一定挥发性，能很快 充满包装容器，在金属表面上形成吸附膜，从而阻滞金属的腐蚀过程，起到防锈作用。 水溶性缓蚀剂：这类缓蚀剂是指以水为溶剂的缓蚀剂。
水油溶性缓蚀剂：这类缓化剂。在水中能使有机坯
化合物发生乳化，甚至使其溶解。
油溶性缓蚀剂：这类缓蚀剂能溶于油中，作为防锈油（脂）的主要添加剂。
三、思考题
1. 明确工作条件、查阅权心手册，借鉴失效经验、腐蚀试验兼顾经济性与耐用性考虑防腐措 施考虑材料的加工性能
2, 缓蚀剂是一种当它以适当的浓度或形式存在于环境（介质）时，可以防止或减缓腐蚀的 化学物质或复合物质。缓蚀剂又叫作阻蚀剂、阻化剂或腐蚀抑制剂等。
电化学理论认为缓蚀剂的作用是通过加大腐蚀的阴极过程或阳极过程的阻力（即极化），从而 减缓金属腐蚀的。
（1） 阳极型缓蚀剂
阳极型缓蚀剂按其电极反应过程分为阳极抑制型缓蚀剂（或阳极钝化型缓蚀剂、钝化剂）和 阴极去极化型缓蚀剂两种。下面分别讨论其缓蚀机理。
① 阳极抑制型缓蚀剂
当溶液中加入阳极抑制型缓蚀剂时，缓蚀剂使金属表面容易发生氧化，生成一层致密的钝化 膜，或者使原来破损的氧化膜得到修复，提高了金属在腐蚀性介质中的稳定性，从而阻滞金 属的腐蚀。例如，在含氧的中性水溶液中加入少量洛酸盐（如珞酸纳），可使钢铁、铝、锌、 铜等金属的腐蚀速率显著降低，其机理就属于此种情况。
② 阴极去极化型缓蚀剂
此类缓蚀剂不会改变阳极极化曲线，但会加速阴极反应过程，增大阴极电流，使阴极极化曲 线正移，导致腐蚀电流的降低。典型阴极去极化型缓蚀剂有亚硝酸盐、硝酸盐、高价金属离 子（如Fe3+、Cu2+）,在酸性溶液中使用的钿酸盐、钩酸盐和珞酸盐也属于此类缓蚀剂。 （2） 阴极型缓蚀剂
阴极型缓蚀剂能在金属表面形成沉淀膜，覆盖阴极裘面，阻碍氧的扩散或提高氧或H+还原 反应的过电位，使腐蚀速率降低。阴极型缓蚀剂又有三种类型。
① 缓蚀剂的阳离子向腐蚀微电池的阴极迁移，与阴极产生的0H-离子反应，形成氢氣化物 或碳酸盐沉
淀膜，阻碍氧向阴极扩散，提高阴极过电位.从而降低腐蚀速度。例如ZnS04、 Ca（HC03） 2可以和OH-反应生成Zn（0H）2、CaC03沉淀以阻滞腐蚀。
② 缓蚀剂中阳离子在腐蚀微电池阴极区放电，析出的金属能提高氢过电位，抑制氢离子放 电反应，从
而阻滞阴极阴极还原过程。例如，呻盐和解盐在酸性介质中可在阴极区还原为金 属As和Sb的抵盖层，提高析氢的过电位，而起到缓蚀作用。
③ 缓蚀剂能与水溶液中某些阳离子作用，生成大的胶体阳离子，然后向阴极表面迁移，在 阴极区放电
并形成较厚的保护膜。附，，在循环冷却水和锅炉水中经常采用的聚磷酸盐缓蚀 剂。 （3） 混合型缓蚀剂
混合型缓蚀剂既能抑制电极过程的阳极反应，同时又能抑制阴极反应。这类缓蚀剂对腐蚀电 化学过程的彩响主要通过以下三种方式：
① 能与阳极溶解反应生成的金属离子作用，生成难溶物。这样的保护膜既抑制了阳极过程而 起到缓蚀
作用，同时也使阴极上氧的还原过程变得困难。
② 能形成复杂胶体体系的化合物可作为有效的缓蚀剂，带负电荷的胶体粒子主要在阳极区集 中和沉
积，抑制阳极过程。
③ 有些有机物可以通过在金属表面的吸附实现缓蚀的，这些物质不都是含氮、硫、氧的化合 物。
3. 电化学保护是根据电化字原理，将被保护金属的电位极化到免蚀区或钝化区，以降低腐 蚀速度，对金属实施保护的方法。
两种阴极保护技术异同点见教材P247；阴极保护和阳极保护的比较参见教材P249：阴极保 护的环境条件参见教材P240-241,阳极保护的环境条件是特别适合强腐蚀环境的金属防腐 蚀，目前阳极保护已应用到硫酸、磷酸及有机酸等设备的上。对于不能钝化的体系或者含 Cl「介质中，阳极保护不能应用，因而阳极保护的应用是有限制的。 4. 牺牲阳极材料应当满足以下基本要求：
(1) 电位足够负且彎，但电位又不宜太负，以免在阴极区发生析氢反应引起氢脆。 一般牺牲阳
极材料与被保护金属构件间形成的电位差在0. 25V左右；
(2) 不易钝化，阳极极化小、电位可长时间保持稳定，具有足够长的工作寿命；表面 溶解均
匀，腐蚀产物松软，易脱落，不形成阻隔层；
(3) 电流效率(有效电量在理论发生电量中所占的百分数)且稳定。牺牲阳极的电流 效率是指实
际电量与理论电量的百分比。理论输出电量高，即单位质量阳极溶解时产生的电 量多，由于牺牲阳极本身存在局部电池作用，则有部分电量消耗于牺牲阳极的自腐蚀。因此， 牺牲阳极的自腐蚀电流小，则电流效率高，一般电流效率在80%~90%：
(4) 阳极的自腐蚀电流小，金属溶解所产生的电量应大部分用于阴极保护； (5) 具有一定得力学性能、加工性能等； (6) 来源广、成本低、不污染环境等。
5. 如果覆盖层金属在介质中的电位比基体金属电位更负，则前者为阳极，后者为阴极，故 称为阳极性覆盖层(电镀中称为阳极性镀层)。例如钢上镀Zn、Cd等。阳极性覆盖层的优点 是，当镀层有微孔时，由于电化学保护作用，仍然使基体金属得到保护，不影响它的防蚀作 用。阳极性覆盖层常用于保护在大气、淡水和海水中工作的金属设备。如果履盖层金属的电 位比基体金属的电位更正，则称为阴极性覆盖层(电镀中称为阴极性镀层)。如钢上镀Sn、 Pb、Ni、Cr等都属于阴极性镀层。该镀层若有孔隙，则形成小阳极大阴极的腐蚀电池，加 速孔隙处铁基体的腐蚀，危害性更大。因此，镀层制造要求比较严格，只有在完整无孔的情 况下才起保护作用。
6. 【答案要点】镀锡钢板在酸性(罐头)条件下，由阴极性镀层转变为阳极性镀层，当镀层 有微孔时，由于电化学保护作用，仍然使基体金属得到保护，不影响它的防蚀作用。
当溶液的温度升高到70?80°C时，锌镀层将由阳极性镀层转变为阴极性镀层。该镀层若有 孔隙，则形成小阳极大阴极的腐蚀电池，加速孔隙处铁基体的腐蚀，危害性更大。
7. 缓蚀剂分子吸附在金属表面，形成了连续的吸附层，把腐蚀介质与金属表面隔离开，从 而起到抑制腐蚀的作用。目前普遍认为，许多有机缓蚀剂如胺类、亚胺类、硫醇及硫淼等含 硫化合物、啖咻及毗唉等含氮化合物的缓蚀机理都可以用吸附理论予以解释。这些有机缓蚀 剂均属于表面活性物质，其分子是由两部分组成，即亲水疏油的极性基(大多以电负性较大 的N、0、S、P原子为中心原子)和亲油疏水的非极性基(如烷基)组成，当将缓蚀剂加入 到介质中时，缓蚀剂的极性基容易定向吸附排列到金属种上，极性基的一端祉金属表面所 吸附，改变双电层，以提高金属离子化过程的活化能，計由C、H原子组成的非极性基則远 离金属表面，向上定向排列，形成连续的吸附层，这样便排除了水分子或更离子等腐蚀性介 质或使金属与腐蚀介质隔离，使之难于接近金属表面，从而起到缓蚀作用。缓蚀剂分子被吸 附的原因可以归结为物理吸附和化学吸附。
物理吸附 具有缓蚀能力的有机离子或偶极子与带电的金属表面静电引力和范德华力的结 果。物理吸附的特点是：吸附作用小，吸附热小，活化能低，与温度无关；吸附快而可逆性 大，易吸附，也易脱附；对金属无选择性；既可以是单分子吸附，也可能是多分子吸附；吸 附质与金属不发生直接接触，依靠保持在金属表面的水分子层使之与腐蚀介质隔开，防止介 质对金属的腐蚀，是一种非接触式吸附。 化学吸附 缓蚀剂分子中的N、0、S、P等原子在金属表面形成化学镀而发生的一种不完全 化字吸附 缓蚀刑分于屮的N、0、S、P等冰于在金属袁面形成化字键而发生的一种不完全 可逆的、直接接触的特性吸附。化学吸附的特点是：吸附作用力大，吸附热高，活化能高， 与温度有关；不可逆吸附，吸附速度慢；对金属具有选择性；只形成单分子吸附层；是直接
8. 参见教材P268-271,自己归纳 9. 参见教材P261O
10. 在金属表面形成保护性覆盖层，可使金属制品与周围介质隔离开来，或者利用覆盖层对 基体金属的电化学保护或缓蚀作用，达到防止金属腐蚀的目的。例如金属覆盖层保护是在金 属表面覆盖上一层或多劲蚀性较强的金属或合金涂层（或镀层），尽量避免金属和介质直 接接触，以防止腐蚀的方法，是金属材料的主要防护技术。这种保护方法主要用来防止大气 腐蚀和满足某些功能性金属除层的需要。
四、案例分析题
（I）锈蚀原因 1）湿度
该工程所处地区空气湿度RH>75%o钢铁的临界湿度一般在60% — 70%之间。当高 于临界湿度时，其腐蚀类型由化学腐蚀转变为电化学腐蚀，锈蚀速度突然增加此时锈蚀 影响是很大的。 2）温度
泉州地处亚热带，年平均气温19.59?2TC,夏季7?月月平均气温常年高于3（）9。气 温高促使锈蚀加剧，尤其在潮湿的环境里气温越高锈蚀越快。当高于临界温度时，随气 温升高，锈蚀程度急剧增大。此外，大气与钢材之间的温差导致在钢材表面形成冷凝水, 也加剧了锈蚀。 3）大气中所金的介质
近海大气中含有大量的CT,钢材上盐分的沉积量大°空气中的腐蚀性粉尘等因素也加速 J制杆住久弋十旳斶他。71牛血?￡ +笛侗 只玄旳15、$1丿2以艾艇社亿初，也疋：K研御第 构网架腐蚀源之一。
4）镀锌层厚度不够及未定期涂刷防锈漆维护
根据大桥所处的环境，锌层厚度>25 um,才能有效保护钢材。防锈淒应一至两年涂刷一 次，而该工程自建成以来未重刷防锈漆。 （2） 类型和机理
1） 大气腐蚀 主要是由空气中的水和氧气等的化学和电化学作用引起的。大气中的水汽 形成金属表层的电解液层，空乞中碾溶于其中作为阴极去极剂，二者与钢构件形成了 一个基本的腐蚀原电池。在钢构件表面形成锈层后，腐蚀产物会影响大气腐蚀的电极反 应，进一步加剧腐蚀。
2） 电偶腐蚀、缝隙腐蚀。电偶腐蚀主要发生在不同金属组合或者连接处，其中电位较负 的金属腐蚀速度较大，而电位校正的金属受到保护，两种金属构成了腐蚀原电池。缝隙 腐蚀，多发生在具备腐蚀条件的缝隙，缝隙中必须有一定的液体，缝隙宽度必须窄到可 以使得液体在缝内停滞，钢结构的缝隙腐蚀最敏感的缝宽为0.025—0.01 mu。
3） 应力腐蚀断裂和腐蚀疲劳 钢桥在拉伸应力或交变应力作用下，加上环境介质的作用， 容易发生SCC和CF （3） 控制措施
1） 防腐材料采用耐候钢。耐候钢的耐腐蚀性能优于一般钢材，虽然价格偏高，但在结构 寿命期内的总费用却较普通钢材低。
2） 防腐技术可选择热浸锌、热喷铝、涂料、有机涂层钢板技术等。
3）防腐设计钢结构的形状、形式尽可能絲孚合理；防止发生电偶腐蚀；结构上尽量避
卿弊隙.死角等。