GCI Matériaux de l’ingénieur Dégradation (corrosion) Partie 4e Les propriétés des matériaux LA CORROSION Des Matériaux Section 8.1 sauf

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1 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Partie 4e Les propriétés des matériaux LA CORROSION Des Matériaux Section 8.1 sauf 8.1.3.1 et 8.1.3.2 Sections 8.2, 8.3

2 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Quelques chiffres... - aux USA, ½ tonne d’acier est détruit à chaque heure par la corrosion - dans les pays industrialisés, le coût de la corrosion s’élève à environ 4% du P.N.B. * La dégradation dépend... - du type de matériau - de l’environnement dans lequel se trouve ce matériau Dégradation des métaux (corrosion)

3 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Exemples de corrosion des barres d’armature métalliques dans le cas de ponts. La corrosion est grandement accélérée par l’utilisation de sels de déglaçage

4 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) RAPPEL Réaction d’oxydo-réduction oxydation:M  M n+ + néanode réduction: M n+ + né  Mcathode

5 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Potentiel électrochimique * Exemple plonger deux métaux (Cu et Fe) dans une solution acide  mesure d’une différence de potentiel électrolyte électrodes E ddp d’où vient-elle ?

6 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Potentiel électrochimique * Dissolution - dans le métal  excès de charges - - dans l’électrolyte  excès de charges +

7 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Potentiel électrochimique * Dissolution Potentiel entre le métal et l’électrolyte  loi de Nerst ++++++++++ ---------- { double couche une accumulation de charges créent une tension Vidéo 8.3

8 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Potentiel électrochimique * Potentiel d’équilibre - donne la tendance de dissolution d’un métal - mesuré p/r à une électrode de référence (H) tendance à passer en solution - + métaux nobles métaux actifs

9 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Potentiel standards * Exemple d’un système composé de deux électrodes

10 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Potentiel standards * En résumé Chaque métal a une tendance à la dissolution qui lui est propre; Pour deux métaux différents, celui qui aura la plus forte tendance à la dissolution sera l’anode. AnodeCathode dissolutiondéposition oxydationréduction * Exemple 2 : Fe-Cu ??? 0,78 V anode cathode

11 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Réactions électrochimiques * à l’anode (perte d’é-) - réaction simple : dissolution du métal * exemple : Fe  Fe 2+ + 2e * à la cathode (gain d’é-) - plusieurs cas sont possibles, selon le type d’électrolyte nombre d’électrons de valence Milieu acide Milieu neutre ou basique sans O 2 dissout avec O 2 dissout

12 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Réactions électrochimiques à la cathode * Milieu acide (sans O 2 dissout) - dégagement d’hydrogène gazeux - exemple : Fer dans HCl Le fer donne des électrons aux ions H + (transfert des é- du métal aux ions) Vidéo 8.1

13 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Réactions électrochimiques à la cathode * Milieu acide (avec O 2 dissout) - exemple : Fer dans HCl (avec O 2 dissout) Le fer donne des électrons aux ions H + et à l’O 2 (transfert des é- du métal aux ions) Vidéo 8.2

14 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Réactions électrochimiques à la cathode * Milieu neutre ou basique (avec O 2 dissout) - exemple : la rouille (milieu neutre) Fe 2+ OH - é- Fer anode cathode hydroxyde ferreux (instable) hydroxyde ferrique (rouille) Vidéo 8.2b

15 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Réactions électrochimiques (résumé) * à l’anode (perte d’é-) * à la cathode (gain d’é-) Milieu acide Milieu neutre ou basique Dépôt métallique sans O 2 dissout avec O 2 dissout Solution avec ions métalliques Vidéo 8.2c

16 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Cinétique de la corrosion * Vitesse de corrosion - ne dépend pas du potentiel entre les électrodes, mais plutôt du courant de corrosion * Courbe de polarisation - variations de potentiel aux électrodes * Passivation - couche passive qui protège le matériau. Cette couche peut disparaître (ex. changement de pH, attaque des Cl-, érosion, etc.. Vidéo 8.9a

17 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Types de corrosion * Corrosion uniforme - diminution d’épaisseur constante dans le temps (température donnée) - réactions électrochimiques - ex.: réservoirs, conduites, plaques, etc.

18 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Corrosion galvanique - deux métaux différents en contact entre eux - le métal le moins noble devient anodique - série galvanique : potentiel de dissolution dans l’eau de mer

19 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) La série galvanique montre la possibilité de corrosion entre deux métaux et non la cinétique (vitesse) de corrosion De plus, cette série n’est valable que pour l ’eau de mer à 25°C... Ex: à des températures > 70°C, la réaction s’inverse et, dans le couple fer-zinc, le fer devient l’anode ! On peut toutefois utiliser la série galvanique dans la plupart des cas dans l’eau douce aux températures normales

20 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) EFFET DE SURFACE Une très grande cathode par rapport à une petite anode engendrera la corrosion très rapide de cette dernière... Ex. boulons en alliage d’aluminium dans une tôle d’acier inoxydable....

21 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Corrosion galvanique (suite) - exemple : raccordement de tuyauterie joints d’étanchéité - exemple 2 : phases différentes d’un même matériau Types de corrosion

22 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Types de corrosion * Pile de concentration - variation du milieu environnant - ex.: pile à oxygène  les surfaces à basse concentration en O 2 sont anodiques eau stagnante marée et variation d’O 2 goutte d’eau Vidéo 8.26

23 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Corrosion par piqûre - attaque localisée : percement du métal - endroits : * défauts de surface * dépassivation (ex.: attaque des ions Cl - ) - attaque en profondeur, même si faible perte de masse --difficile à déceler métal Types de corrosion

24 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) ZONES AYANT SUBI DES DÉFORMATIONS PLASTIQUES IMPORTANTES Dans un même matériau, ces zones de déformation se comporteront comme des anodes... Ex. Barre pliée, matériaux écrouis localement, etc... Autres types de corrosion

25 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) ZONES DE GRADIENTS THERMIQUES D ans un même matériau, un gradient thermique peut favoriser la corrosion, la zone froide devenant l’anode Autres types de corrosion

26 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) CORROSION PAR ÉROSION D ans un même matériau, la turbulence créée par l’écoulement rapide d’un liquide peut engendrer une corrosion localisée (action à la fois mécanique et électrochimique) Autres types de corrosion

27 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Lutte contre la corrosion * Choix des matériaux - si possible, choisir des matériaux stables, pour éviter les micropiles - exemple béton armé : barres d’armature en matériaux composites ($$$) * Conception - éviter les couples galvaniques  isoler électriquement les métaux - éviter les interstices (corrosion caverneuse) - éviter les eaux stagnantes - éviter les changements brusques de section (corrosion par érosion) - rapport des surfaces des électrodes  plus la cathode est grande p/r à l’anode, plus l’annode se corrode rapidement (ex.: boulons et rivets)

28 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Conception (suite) - exemples eaux stagnantes joint trop petit et changement brusque de direction Lutte contre la corrosion

29 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Action sur le milieu (a)diminution de la teneur en O 2 pour minimiser la réaction à la cathode (b) addition d’inhibiteurs de corrosion - inhibiteurs cathodiques  ralentir la réaction à la cathode - inhibiteurs anodiques (passivateurs)  - film mince sur la pièce à protéger - élévation du potentiel de corrosion jusque dans le domaine de passivité Lutte contre la corrosion

30 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Revêtements - isoler le matériau de l’électrolyte - revêtement continu et adhérent à lasurface à protége - types de revêtement Lutte contre la corrosion

31 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Revêtements (suite) (a) revêtements métalliques - application d’une couche de métal sur le matériau à protéger - la couche protectrice sera anodique ou cathodique 1- protection par revêtement anodique ex.:Zn sur acier (tôles galvanisées)  le Zn sert d’anode et se dégrade à la place de l’acier 2- protection par revêtement cathodique ex.:Cr sur acier (pare-chocs, robinets)  le Cr sert de cathode et l’acier se dégrade s’il y a discontinuité de la couche protectrice 1 2 Lutte contre la corrosion

32 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Revêtements (suite) (b) revêtements non-métalliques - inorganique * émail * ciment et béton - organique * peintures * huiles, goudrons * graisses (c) revêtements chimiques - modifier chimiquement la surface des métaux * phosphatation * oxydation Lutte contre la corrosion

33 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) * Protection électrochimique (a) protection anodique - augmentation du potentiel de corrosion de façon à ce qu’il se situe dans la zone passive - uniquement les métaux passivables - énergie électrique nécessaire protection anodique protection cathodique Lutte contre la corrosion

34 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Lutte contre la corrosion * Protection électrochimique (suite) (b) protection cathodique (le métal à protéger devient une cathode) 1- protection par anode sacrificielle -couplage du métal à protéger avec un moins noble -corrosion galvanique de l’anode -dans le cas de l’acier, on utilise des anodes de Zn ou de Mg - ex.:bateaux, canalisations,réservoirs d’eau  on doit changer les anodes périodiquement anode sacrificielle (Mg) 2- protection par courant extérieur imposé -on impose un courant extérieur de façon à ce que le métal à protéger devienne une cathode -anode inerte (ex.: graphite) - ex.:réservoir sous terre  on doit appliquer un courant permanent

35 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 4.2.2 Dégradation (corrosion) Résistance à la corrosion Pour information... tiré de : Dieter Landolt Traité des matériaux 12. Corrosion et chimie de surfaces des métaux Presses Polytechniques et Universitaires Romandes 1993