東華分析——電偶腐蝕測試方法介紹

電偶腐蝕的定義(yi) 及其原理

電偶腐蝕也叫以異金屬腐蝕或接觸腐蝕，是指兩(liang) 種不同電化學性質的材料在與(yu) 周圍環境介質構成回路時，電位較正的金屬腐蝕速率減緩，而電位較負的金屬腐蝕加速的現象。構成這種現象的原因是這兩(liang) 種材料間存在著電位差，形成了宏觀腐蝕原電池。電偶腐蝕作為(wei) 一種普遍的腐蝕現象，可誘導甚至加速應力腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、氫脆等腐蝕過程的發生。產(chan) 生電偶腐蝕應同時具備下述三個(ge) 基本條件：

第一，具有不同腐蝕電位的材料，電偶腐蝕的驅動力是被腐蝕金屬與(yu) 電連接的高腐蝕電位金屬或非金屬之間產(chan) 生的電位差；

第二，存在離子導電支路，電解質必須連續地存在於(yu) 接觸金屬之間，構成電偶腐蝕電池的離子導電支路；

第三，存在電子導電支路，即被腐蝕金屬與(yu) 電位高的金屬或非金屬之間要麽(me) 直接接觸，要麽(me) 通過其他電子導體(ti) 實現電連接，構成腐蝕電池的電子導電支路。

電偶腐蝕原理如下圖所示：

圖1 電偶腐蝕原理示意圖

電偶腐蝕測試的意義(yi) 及應用領域

電偶腐蝕存在於(yu) 眾(zhong) 多的工業(ye) 裝置和工程結構中，它是一種最.普.遍的局部腐蝕類型。輪船、飛機、汽車等許多交通工具都存在著異種金屬的相互接觸，都會(hui) 引起程度不同的電偶腐蝕。電偶腐蝕甚至存在於(yu) 電子和微電子裝備中，它們(men) 在臨(lin) 界濕度以上及腐蝕性大氣環境下工作時，許多銅導線、鍍金、鍍銀件與(yu) 焊錫相接觸而產(chan) 生嚴(yan) 重的電偶腐蝕。紐約著名的自由女神銅像內(nei) 部的鋼鐵支架發生的嚴(yan) 重腐蝕就是因為(wei) 發生了電偶腐蝕，許多鋼鐵支架鏽蝕得隻剩下原來的一半，鉚釘也已脫落；同時在潮濕空氣、酸雨等作用下，銅皮外衣也被腐蝕得比原先薄了許多。據報道，各軍(jun) 兵種的裝備由於(yu) 電偶腐蝕，破壞了它們(men) 的可靠性，導致電子裝備的早期失效，直接影響乃至喪(sang) 失它們(men) 的作戰能力。

在某些情況下，兩(liang) 種不同的金屬雖然沒有直接接觸，在意識不到的情況下也有引起電偶腐蝕的可能。例如循環冷卻係統中的銅零件，由於(yu) 腐蝕下來的銅離子可通過擴散在碳鋼設備表麵上沉積，沉積下的疏鬆的銅粒子與(yu) 碳鋼之間便形成了微電偶腐蝕電池，結果引起了碳鋼設備嚴(yan) 重的局部腐蝕。這種現象起因於(yu) 構成了間接的電偶腐蝕，可以說是一種特殊條件下的電偶腐蝕。

電化學測試方法部分

電偶腐蝕儀(yi) 器測試的基本原理：

電偶腐蝕的測試是在不施加任何電壓或電流的條件下，簡單測量兩(liang) 個(ge) 不同電極的自由流動的電流值以及工作電極和參比電極之間的電壓差，如下圖所示：

圖2 偶對配置及電連接示意圖

電偶腐蝕法的測量信號：

測試方法：

1、儀(yi) 器與(yu) 裝置

DH7000或DH7003雙恒電位儀(yi) ，玻璃燒杯，飽和甘汞電極，天平，尺子。

2、樣品的製備

按照《GB/T 15748-2013船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》取尺寸為(wei) 100mm x40mm x2mm的銅片和鍍銀銅片作為(wei) 我們(men) 的實驗試樣。將試樣表麵用水砂紙打磨，使表麵粗糙度按照《GB/T 1031-2016產(chan) 品幾何規範(GPS)表麵結構輪廓法》的要求Ra<3.2μm(建議使用砂紙顆粒度由大到小：1500、2000、3000和5000目，依次打磨至顆粒度小於(yu) 等於(yu) 14μm的砂紙)，並用去離子水和乙醇進行衝(chong) 洗，按照《GB/T6384-2008船舶及海洋工程用金屬材料在天然環境中的海水腐蝕試驗方法》用丙酮或乙醇清除表麵油汙，去除表麵的雜物後稱重，精確到0.1mg。同時，應有一個(ge) 未偶聯的對比試樣。W₀--陽極組元對比試樣試驗前質量=17.3143g，W_c0--陽極組元偶聯試樣試驗前質量=17.8901g。

通過改變陰極和陽極上塗料塗封區麵積來控製陽極和陰極麵積S為(wei) 20cm²。用絕緣塗料塗封，塗封時要確保塗層與(yu) 基體(ti) 之間沒有縫隙。

試驗溶液為(wei) pH7~8的3.5%氯化鈉溶液，由分析純化學試劑和蒸餾水配製而成。

3、測試流程

按照《GB/T 15748-2013船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》將低合金結構銅片作為(wei) A極組元，鍍銀銅片作為(wei) B極組元，把A極組元與(yu) B極組元配成偶對，每一偶對的兩(liang) 個(ge) 組元並排垂直放置。將配好的偶對放人燒杯中，加入試驗溶液，試驗溶液與(yu) 試樣麵積比不小於(yu) 20mL/cm²，兩(liang) 試樣之間的距離為(wei) 30mm，每一組平行樣之間的距離應保持一致且兩(liang) 個(ge) 試樣水平中心線應在同一高度。按圖3電連接偶對。

圖3 偶對配置及電連接

利用電偶腐蝕方法分別測量試樣在實驗溶液中的開路電位值，待試樣在溶液中達到穩定後(推薦判斷標準為(wei) 開路電位5min內(nei) 的極差值小於(yu) 3mV)，再繼續測試600s，總測試時間不少於(yu) 1800s。

自試驗開始，在曆經4h試驗後，測量偶聯試樣的電偶電位和電偶電流。電偶電位的測量精確到1mV，電偶電流的測量精確到1μA。

將電偶電位測量結果繪製成電偶電位時間曲線，如下圖所示：

由上圖可知，該電偶電位相差238mV大於(yu) 50mV，可認為(wei) 其發生了電偶腐蝕。

將電偶電流測量結果繪製成電偶電流時間曲線，如下圖所示：

由上圖可觀察出電偶電流隨著時間的增加先從(cong) 252μA快速減小至130μA，然後穩定在115μA左右，在穩定之後沒有發現瞬時突變的電偶電流。

試驗過程中注意添加蒸餾水使燒杯內(nei) 試驗溶液液麵維持原始高度。試驗期間，應使偶聯試樣始終處於(yu) 電連接狀態。當經過210h後取出試樣按照《GB/T6384-2008船舶及海洋工程用金屬材料在天然環境中的海水腐蝕試驗方法》規定清除腐蝕產(chan) 物，並除盡塗封層。絕緣塗料可用丙酮浸泡一段時間，直至*去除雜物後稱量試樣質量，精確至0.1mg。W₁--陽極組元對比試樣試驗後質量=17.2778g，W_c1--陽極組元偶聯試樣試驗後質量=17.8015g。

數據處理

平均電偶腐蝕速度按公式(1)計算:

K_c=[(W_c0-W_c1)-(W₀-W₁)]/St…（1）式中：

K_c--電偶平均腐蝕速度的數值，單位為(wei) 毫米每年(mm/a)；

W_c0--陽極組元偶聯試樣試驗前質量的數值，單位為(wei) 克(g)；

W_c1--陽極組元偶聯試樣試驗後質量的數值，單位為(wei) 克(g)；

W₀--陽極組元對比試樣試驗前質量的數值，單位為(wei) 克(g)；

W₁--陽極組元對比試樣試驗後質量的數值，單位為(wei) 克(g)；

S--陽極組元試樣試驗表麵積的數值，單位為(wei) 平方米(m²)；

t--試驗時間，單位為(wei) 小時(h)。

將本次實驗所得數據帶入上式可得

K_c=[(W_c0-W_c1)-(W₀-W₁)]/St

=[(17.8901-17.8015)-(17.3143-17.2778)]/(0.002×210)

=0.124mm/a

is電偶電流密度=電偶電流/幾何麵積

            =115/20

            =5.7μA/cm²

按照電偶電流密度可以判定電偶腐蝕等級。

結論

當兩(liang) 個(ge) 試樣在溶液中的放置距離為(wei) 30mm時，根據平均電偶電流密度的值將電偶腐蝕敏感性分為(wei) 以下等級。

查表可知3.0μA/cm²＜is=5.75μA/cm²≤10.0μA/cm²屬於(yu) D級別較嚴(yan) 重腐蝕，所以鍍銀銅片和銅片不能直接接觸，需進行防護後再使用。鍍銀銅片和銅片電偶平均腐蝕速度K_c=0.124mm/a。