Коррозия и защита металлов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 427 

Кафедра защиты металлов и технологии поверхности

 
 
 

Коррозия и защита металлов

 

Лабораторный практикум 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению Металлургия 

Москва  2011 

УДК 620.197 
 
К68 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. Н.И. Полушин 

Авторы: Ю.А. Пустов, А.Г. Ракоч, В.А. Баутин, И.В. Бардин, Л.В. Ковалев 

 
 
 
Коррозия и защита металлов : лаб. практикум / Ю.А. Пустов, 
К68 А.Г. Ракоч, В.А. Баутин [и др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 
153 с. 
 

Представлены 20 лабораторных работ, экспериментально иллюстрирующих основные разделы курса. Каждая работа содержит краткое теоретическое введение, описание аппаратуры и методики работы, а также методы обработки опытных данных. Приведены необходимые для расчетов справочные 
данные. 
Предназначен для студентов металлургических и материаловедческих 
специальностей, обучающихся по направлению 150400 «Металлургия», 
150100 «Материаловедение и технология материалов», 150700 «Физическое 
материаловедение» по специальности 150701 «Физико-химия процессов и 
материалов» и 150702 «Физика металлов». 

 

 
© Коллектив авторов, 2011 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..............................................................................................5 
Общие правила проведения лабораторных работ 
и оформления отчета................................................................................6 
Техника безопасности при выполнении лабораторных работ .............8 
Лабораторная работа 1. Кинетика окисления металлов на воздухе ....9 
Лабораторная работа 2. Влияние температуры на скорость 
окисления металлов на воздухе.............................................................21 
Лабораторная работа 3. Жаростойкость металлов и сплавов 
на воздухе................................................................................................27 
Лабораторная работа 4. Электродные потенциалы металлов ............32 
Лабораторная работа 5. Влияние катодных структурных 
составляющих сплава на скорость электрохимической 
коррозии ..................................................................................................40 
Лабораторная работа 6. Поляризация и деполяризация 
электродов работающей коррозионной пары ......................................45 
Лабораторная работа 7. Кислородная деполяризация катода ............52 
Лабораторная работа 8. Перенапряжение водорода на металлах ..........60 
Лабораторная работа 9. Пассивность стали.........................................67 
Лабораторная работа 10. Контактная коррозия алюминиевых 
сплавов.....................................................................................................74 
Лабораторная работа 11. Расслаивающая коррозия 
алюминиевых сплавов............................................................................79 
Лабораторная работа 12. Межкристаллитная коррозия 
сталей и сплавов .....................................................................................84 
Лабораторная работа 13. Питтинговая коррозия алюминиевых 
сплавов.....................................................................................................92 
Лабораторная работа 14. Кинетика коррозионного 
растрескивания сплавов.........................................................................96 
Лабораторная работа 15. Диагностика коррозионного разрушения.....103 
Лабораторная работа 16. Ингибиторы коррозии металлов ..............106 
Лабораторная работа 17. Защита сталей от коррозии 
внешним током .....................................................................................123 
Лабораторная работа 18. Защита стали от коррозии 
с помощью анодного протектора........................................................130 
Лабораторная работа 19. Защитные металлические покрытия........135 
Лабораторная работа 20. Металлические неорганические 
защитные покрытия на стали...............................................................142 

Библиографический список.................................................................148 
Приложение 1. Физические свойства некоторых металлов 
и их оксидов..........................................................................................149 
Приложение 2. Таблица стандратных потенциалов металлов 
и некоторых окислительно-восстановительных реакций.................150 
Приложение 3. Средние коэффициенты активности некторых 
сильных электролитов γ± в водных растворах при 25 °С..................150 
Приложение 4. Произведение растворимости (L) 
труднорастворимых веществ в воде ...................................................151 
Приложение 5. Давление насыщенного водяного пара при 
температрах от 10 до 39 °С..................................................................152 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Лабораторный практикум по коррозии и защите металлов составлен коллективом авторов кафедры защиты металлов и технологии 
поверхности на основе книги Н.Д. Томашов, Н.П. Жук, В.А. Титов, 
М.А. Веденеева. Лабораторные работы по коррозии и защите металлов. 
М.: Металлургия, 1971, а также лабораторного практикума № 128 под 
редакцией профессора Б.К. Опары (авторы Ю.А. Пустов, В.И. Телков, 
В.Б. Яковлев, В.Ю. Васильев, А.П. Кравчинский, Б.К. Опара, И.М. Квокова) с учетом многолетнего опыта преподавания курса «Коррозия и 
зашита металлов». 
В связи с необходимостью совершенствования методов защиты 
металлов от коррозии во всех отраслях промышленности важной задачей является повышение качества подготовки инженеров и исследователей-коррозионистов. Дисциплина «Коррозия и защита металлов» базируется на экспериментальных исследованиях, поэтому для 
ее усвоения необходимо не только изучить основы теоретического 
курса, но и овладеть современными экспериментальными методами в 
этой области. При исследовании коррозионных процессов и повреждений используют весь арсенал современных средств изучения 
свойств металлов и сплавов и растворов электролитов. В кратком 
курсе невозможно познакомить студентов со всеми методами, которые могут быть использованы для исследования коррозионных процессов. Поэтому в данном практикуме выполнение лабораторных 
работ основано на использовании современных, наиболее простых 
методов исследования, наглядно иллюстрирующих соответствующие 
положения теоретического курса. 
 

Общие правила проведения лабораторных работ 
и оформления отчета 

Продолжительность лабораторных работ – 2 ч, выполнение работ 
индивидуальное. Студент должен заранее подготовиться к выполнению работы: составить конспект работы, нарисовать и изучить схему 
установки для исследования, подготовить все таблицы для записи 
наблюдений. Студент должен также подготовиться к допуску к лабораторной работе. 
Образец вопросов контроля-допуска прилагается в конце каждой 
работы. Подготовка к допуску предусматривает проработку теоретической части лабораторной работы, а подготовка к защите – еще и 
проработку литературы, указанной в конце практикума в библиографическом списке. 
Отчет о лабораторной работе рекомендуется составлять по следующей (примерной) схеме: 
1) название работы; 
2) цель работы; 
3) краткое теоретическое введение; 
4) методика работы (схема установки и порядок проведения опыта); 
5) результаты опытов (в виде таблицы) и их обработка; 
6) выводы. 
Первые четыре пункта отчета и таблица для записи результатов 
измерений оформляются при подготовке к лабораторной работе, 
пункт пятый – в процессе ведения опыта и после его окончания, 
пункт шестой – после обработки результатов измерений. 
Теоретическое введение должно быть изложено кратко и с предельной ясностью. 
Схему установки нужно вычерчивать и снабжать надписями так, 
чтобы она была наглядна и понятна без устных пояснений. 
При описании порядка проведения опыта все выполняемые операции излагают кратко, не повторяя текста практикума. 
Результаты опытов записываются в заранее составленную таблицу, примерная форма которой приведена в описании каждой работы. 
В таблицу записывают результаты непосредственных измерений, 
некоторые необходимые поправки и расчеты делают во время проведения опыта. Результаты измерений, как правило, подлежат дополнительной обработке – аналитической и графической. Аналитическая 
обработка результатов измерений состоит в пересчете электродных 

потенциалов на водородную шкалу, в расчете показателя скорости 
коррозии. Графическая обработка результатов измерений состоит в 
построении соответствующих графиков, последующем спрямлении 
кривых и представлении результатов измерений в виде уравнений. 
При использовании персонального компьютера аналитическая и 
графическая обработка результатов экспериментов может быть проведена с использованием программы Microsoft Office Excel или любой подобной. Результаты расчетов на персональном компьютере 
приводятся в отчете в виде распечатки соответствующих таблиц и 
графиков. 
Отчет по работе завершается краткими выводами, отражающими 
результаты соответствующей обработки полученных экспериментальных данных. 
 

Техника безопасности при выполнении 
лабораторных работ 

Выполнение ряда работ настоящего практикума связано с применением растворов кислот и щелочей, которые при попадании в глаза 
и на кожу могут вызвать легкие ожоги, а при попадании на одежду – 
ее порчу. Поэтому следует строго выполнять следующие правила: 
• не работать без халата, не класть личные вещи на лабораторные столы, а убирать их в специально отведенные места; 
• не курить и не принимать пищу во время работы в лаборатории; не пробовать на вкус сухие реактивы и их растворы; 
• при переливании раствора из сосуда в сосуд пользоваться воронкой и не разливать жидкости; воронки после употребления ополаскивать проточной водой; жидкость, разлитую на стол или пол, 
немедленно удалить сухой тряпкой, а затем тряпкой, обильно смоченной водой, защитив руки резиновыми перчатками; 
• при попадании на руки растворов кислот или щелочей необходимо тщательно вымыть руки водой с мылом, а при необходимости 
пораженные участки кожи нейтрализовать слабым раствором уксусной кислоты, если попала щелочь; брызги кислот, попавшие на одежду, нужно нейтрализовать гидроксидом аммония, а на кожу – раствором соды; 
• во избежание ожогов нельзя брать руками неостывшие тигли, 
образцы и т.п.; 
• электрооборудование и приборы, которые при работе могут дать 
искру (например, при обрыве провода, коротком замыкании и т.п.), 
должны быть изолированы экраном из прозрачного материала. Снимать экран во время работы прибора запрещается. 
ЗАПРЕЩАЕТСЯ ВКЛЮЧАТЬ РУБИЛЬНИКИ МОКРЫМИ РУКАМИ! 
ЗАПРЕЩАЕТСЯ ПРИСТУПАТЬ К РАБОТЕ БЕЗ РАЗРЕШЕНИЯ 
ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ИЛИ ЛАБОРАНТА. 
О всех несчастных случаях немедленно сообщать преподавателю, 
ведущему занятие. 

Лабораторная работа 1 

КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ 
НА ВОЗДУХЕ 

1.1. Цель работы 

Установить закон роста оксидной пленки во времени при окислении металла на воздухе при высокой температуре. Определить постоянные коэффициенты в уравнении скорости окисления. 

1.2. Теоретическое введение 

Законы роста оксидной пленки в значительной степени определяются ее структурой и защитными свойствами. По защитной способности оксидные пленки можно разделить на два основных класса: 
первый класс – если объемное отношение Vок/VМе, т.е. отношение молярного объема оксида на 1 г-ат металла к атомному объему металла 
меньше единицы, то оксид не сможет полностью покрыть поверхность металла и не будет обладать защитными свойствами; второй 
класс – если объемное отношение Vок/VМе больше единицы, то оксид 
обладает защитной способностью. 
Для первого случая имеет место линейный закон роста оксидной 
пленки: 

 
Δm (или δ) = K1τ, 
(1.1) 

где K1 – константа скорости окисления, г/(м2·ч); τ – время окисления, ч; 
Δm – удельное увеличение массы образца, г/м2; δ – толщина пленки, м. 
Скорость линейного окисления постоянна во времени и не зависит от количества уже прореагировавшего газа или металла. Наиболее заторможенной стадией процесса является реакция на поверхности или фазовой границе (кинетический контроль). 
У сплошных пленок, обладающих защитными свойствами (Vок/VМе > 1), 
скорость роста пленки лимитируется скоростью термодиффузии реагентов (диффузионный контроль). Процесс сопровождается самоторможением: по мере роста пленки скорость диффузии реагентов 
(металла и кислорода) через нее уменьшается, что приводит к замедлению скорости коррозионного процесса. В этом случае пленка растет по параболическому закону: 

Δm2 (или δ2) = K2τ, 
(1.2) 

где K2 – параболическая константа скорости окисления, г2/(м4·ч) или 
(м2/ч). 
Если скорость роста пленки лимитируется и скоростью диффузии 
реагентов, и скоростью химической реакции (смешанный диффузионно-кинетический контроль), рост пленки может быть описан квадратичным уравнением Эванса 

 
K1Δm2 + K2Δm = K1K2τ, 
(1.3) 

где K1 и K2 – постоянные коэффициенты, 
или степенным законом 

 
Δmn (или δn) = Knτ, 
(1.4) 

где Kn – степенная константа скорости окисления; n – показатель 
степенного закона, причем 1 < n < 2. 
Рост тонких пленок на металлах при низких температурах и на 
первых стадиях окисления металлов при высоких температурах сопровождается большим самоторможением во времени, чем при параболическом законе. Этому случаю, соответствуют 
логарифмический закон  

 
Δm (или δ) = K3lgτ, 
(1.5) 

или обратный логарифмический закон 

 
1/Δm (или 1/δ) = K4lgτ, 
(1.6) 

При низких температурах диффузия ионов через пленку затруднена, в то время как электроны могут проходить через тонкий слой 
оксида либо благодаря термоионной эмиссии, либо вследствие туннельного эффекта, обусловливающего высокую проводимость оксидной пленки. При этом на поверхности раздела Ме–МеО образуются катионы, а на поверхности раздела оксид–газ – анионы кислорода. Внутри оксидной пленки создается сильное электрическое поле, благодаря которому через пленку проникают главным образом 
ионы; скорость роста пленки определяется более медленным, т.е. заторможенным процессом. 
В реальных процессах окисления металлов часто наблюдаются 
нарушения приведенных выше соотношений из-за нарушения 
сплошности пленки, внутренних напряжений, возникающих при росте пленки или изменении температуры, а также вследствие других 
причин. 

1.3. Аппаратура, методика и порядок 
проведения работы 

Работа основана на периодическом измерении электрического сопротивления или массы проволочных или пластинчатых образцов, находящихся в печи при определенной температуре. Нагрев металла при 
высокой температуре в атмосфере воздуха сопровождается увеличением массы образца, что связано с образованием на поверхности (или в 
объеме при внутреннем окислении) металла оксида, имеющего более 
высокую молярную массу, чем атомная масса основного металла. Прирост массы образца при окислении может быть представлен функцией 
электрического сопротивления, которое растет при высокотемпературном отжиге вследствие уменьшения поперечного сечения образца. 
Электрическая проводимость окисленного металлического образца описывается выражением 

 
æ = 1/RMe + 1/Rок = SMe/ρMel + Sок/ρокl, 
(1.7) 

где RMe, Rок – электрическое сопротивление металлической части образца и оксида соответственно; ρMe, ρок – удельное электрическое сопротивление металла и образующегося оксида соответственно; SMe, 
Sок – площадь поперечного сечения металла и оксида соответственно; 
l – длина образца. 
Так как ρMe << ρок (приложение 1), то можно считать, что изменение электросопротивления связано только с изменением геометрических размеров образца. 
Пусть М0 – масса образца до окисления; М = М1 + М2 – масса образца после окисления при температуре Т в течение времени τ; М1 – 
масса металлической части образца после окисления; М2 – масса образовавшегося оксида (рис. 1.1). 
Изменение (прирост) массы образца в результате окисления 
 
ΔМ = (М1 + М2) – М0, 
(1.8) 
где М1 = V1d1, М2 = V2d2, V1 и V2 – объем металлической части образца 
и образовавшегося оксида соответственно; d1 и d2 – плотность металла и оксида соответственно. 
Учитывая, что V0 = S0l (где S0 – площадь поперечного сечения образца, l – длина образца), V1 = S1l1, а V2 = S2l2 (где S1 и S2 – площадь 
поперечного сечения металлической части образца и оксида соответственно, l1 = l2 – длина металлической части образца и слоя оксида 
соответственно), а также, принимая S0 ≈ S1 + S2 и l1 = l2 = l, получим 
выражение 

ΔМ = l(S0 – S1)(d2 – d1). 
(1.9) 

 

Рис. 1.1. Схема распространения процесса окисления 
на металлическом образце 

Относительное изменение массы образца при окислении может 
быть представлено уравнением 

 
1
2

0
2
1

(1
) (
1) .
S
d
M
M
S
d
Δ
=
−
−
 
(1.10) 

Степень окисления образца можно представить следующим образом: 

 
0
1
1

0
0

1
.
S
S
S

S
S

−
γ =
= −
 
(1.11) 

Учитывая, что электрическое сопротивление металлического образца R = ρl/S, имеем 

 
1
0
1

0
1
1

/
1
,
/
R
R
l
R
R

l
R
R
R

−
ρ
Δ
γ = −
=
=
ρ
 
(1.12) 

где ρ – удельное электросопротивление исследуемого металла; R0 – 
электросопротивление неокисленного образца, пересчитанное на температуру опыта с учетом температурной зависимости: R0 = R0′(1 + αΔT); 
здесь R0′ – электросопротивление образца при комнатной температуре; 
α – температурный коэффициент электросопротивления; R1 – электросопротивление образца после окисления при температуре опыта. 
Из выражений (1.8–1.11) получаем уравнение, с помощью которого рассчитывается прирост массы образца при окислении: