Cours_06 Corrosion
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Session 6 Dégradation des matériaux: Corrosion Références chapitre 8 p. 324-391 MEC-200 – Technologie des matériaux 6-1 Contenu • Dégradation des polymères et des céramiques • Dégradation des métaux par corrosion – Types de corrosion et influence du milieu • Corrosion généralisée • Corrosion galvanique • Oxygénation différentielle – Vitesse de corrosion – Protection contre la corrosion • • • • Anode sacrificielle Isolation électrique: revêtement Potentiel imposé Passivation MEC-200 – Technologie des matériaux 6-2 Si la corrosion était un phénomène simple à maîtriser, elle n'existerait plus depuis longtemps! MEC-200 – Technologie des matériaux 6-3 Motivations • Motivations: connaître les types de corrosion afin de prendre des mesures préventives: – Modifier le milieu ambiant – Choisir un matériau moins réactif – Protéger le matériau – Prévoir la vie des matériaux en milieux corrosifs. MEC-200 – Technologie des matériaux 6-4 Objectifs • Expliquer pourquoi les céramiques sont très résistantes à la corrosion. • Décrire les différents types de corrosion. • Calculer le potentiel d’une cellule et indiquer le sens et le type de réaction électrochimique. • Déterminer la vitesse d’oxydation d’un métal. • Énumérer des mesures de protection contre le corrosion. MEC-200 – Technologie des matériaux 6-5 Dégradation des céramiques • Liaison covalente/ionique forte • Types – Oxydes: Al2O3, SiO2, Fe2O3(rouille) – Carbures: WC-Co, SiC, B4C, Fe3C – Nitrures: BN, AlN • Déjà oxydés ----> STABLES 4 Al +3 O2 -----> 2 Al2O3 4 Fe + 3O2 ----> 2 Fe2O3 MEC-200 – Technologie des matériaux 6-6 Dégradation des céramiques • La réduction des céramiques donne encore des céramiques • SiO2 + N2 ----HT---> Si3N4 + NO/NO2 • SiO2 + C ----HT ---> SiC + CO/CO2 • Nitrures résistent à la nitruration Si3N4 + N2 ----HT---> rien Carbures résistent à la carburation SiC + C ----HT---> rien AlN + N2 ----HT---> rien MEC-200 – Technologie des matériaux 6-7 Dégradation des polymères • absorbe le solvant et se gonflent. Les molécules du soluté s’installent entre les molécules des polymères et les forcent à s ’écarter. ---> affaiblissement des liaisons de Van derWalls --> matériaux devient mous . • Rupture des liaisons: scission • Dégradation sous rayons ultra-violet • altère la structure moléculaire. Ces rayonnements pénètrent dans les polymères et interagit avec les atomes. – Polyéthylène + T élevée + O2 devient fragile – Polychlorure de vinyle + T élevée acquiert un coloration et perd son intégrité • Chaleur – Rupture des liaisons à T° élevée et déclenchement des réactions chimiques --> perte de masse des polymères. – Plus la liaison est forte, meilleure est la stabilité thermique MEC-200 – Technologie des matériaux 6-8 Corrosion des métaux MEC-200 – Technologie des matériaux 6-9 Corrosion généralisée en milieu acide À l’anode M ne M n pH < 7 À la cathode M n ne M 2H 2e H 2 Dégagement de H2 MEC-200 – Technologie des matériaux 6-10 Corrosion généralisée en milieu acide + O2 À l’anode Fe 2e Fe 2 À la cathode O2 4H 4e 2H 2O La solution s’enrichit en H2O MEC-200 – Technologie des matériaux 6-11 Milieu basique ou neutre + O2 À l’anode Cu 2e Cu 2 À la cathode O2 4H 2O 4e 4OH La solution s’enrichit en ions MEC-200 – Technologie des matériaux 6-12 Réactions d’oxydo-réduction Réactions anodiques Fe 2e Fe 2 EX. Zn 2e Zn 2 M ne M n Réactions cathodiques Dégagement de H2 2H 2e H 2 solution acide O2 4H 4e 2H 2 O Réduction de O2: solutions acides O2 2H 2O 4e 4(OH ) M n ne M Réduction de O2: solutions neutres ou basiques Dépôt métallique Electrolyte = eau pure MEC-200 – Technologie des matériaux 6-13 Mesure du potentiel d’un métal • En pratique, il est impossible de mesurer directement le potentiel d'équilibre qui s'établit entre le métal et la solution car la sonde de mesure serait aussi le siège d'une réaction électrochimique. • Standardise donc à l'aide de deux demi-piles jumelées. MEC-200 – Technologie des matériaux 6-14 Mesure du potentiel d’un métal En pratique on utilise de l ’hydrogène 2H 2e H 2 E0 (H2) = 0 v : potentiel de référence MEC-200 – Technologie des matériaux 6-15 Cathodique Anodique MEC-200 – Technologie des matériaux 6-16 Corrosion galvanique MEC-200 – Technologie des matériaux 6-17 Corrosion galvanique : cellule électrochimique de Fe et Cu Potentiels E (Cu) = +0.34 V E(Fe) = - 0.44 V DE = 0.78 V Solution riche en ions Fe 2+ Solution riche en ions Cu 2+ Circuit ouvert: pas de corrosion. Réactions d’oxydo-réduction réversibles déplacement d’e du fer ( E = -0.44 v ) au Cu (E =+0.34v) Circuit fermé Corrosion du fer (anode) Fe -----> 2e+ Fe 2+ Dépôt du cuivre à la cathode: Cu 2+ +2e----> Cu MEC-200 – Technologie des matériaux 6-18 Corrosion galvanique (2) Fe et Cu se corrodent indépendamment l’un de l’autre Eau de mer Corrosion du fer Eau de mer MEC-200 – Technologie des matériaux 6-19 Cathodique Potentiels de corrosion des métaux dans l’eau de mer 33 g/L de sel (NaCl) pH = 8.2 Température : 25°C Anodique MEC-200 – Technologie des matériaux 6-20 Détermination de la vitesse de corrosion MEC-200 – Technologie des matériaux 6-21 Vitesse de corrosion • Vitesse de corrosion: m/t = f (courant) Loi de Faraday Perte en masse de métal de l’anode (g) A i0 t m 96500 n A: masse atomique (g/mole) i0: courant de corrosion (A) t: temps (secondes) n: nombre d’électrons de valence du métal Si la dissolution est uniforme, alors i0 devient la densité de courant (A/dm2) m/t est exprimée en perte d’épaisseur par année: e/t (mm/a) m/t la perte de masse par dm2 par jour (mg/(dm2 x j)) Ex. Vitesse de corrosion de l’acier dans l’eau de mer stagnante: 0.15 mm/année ou 33 mg /dm2/jour densité de courant: i0 = 1.3 mA /dm2 MEC-200 – Technologie des matériaux 6-22 Montage pour courbes de polarisation Courant: i = ? MEC-200 – Technologie des matériaux 6-23 Courbes de polarisation • On suit l'évolution de E au fur et à mesure que la résistance R diminue (I augmente) • Quand la résistance R est nulle (théorie) les potentiels cathodique et anodique s'équilibrent •Corrosion en régime permanent = icorr Loi de Tafel i η β log( ) i0 : surtension b: pente de la courbe MEC-200 – Technologie des matériaux 6-24 Réaction anodique (quand i =0) Circuit ouvert: i = 0 Réaction anodique: Cu Réaction anodique Fe MEC-200 – Technologie des matériaux 6-25 Intérêt de la loi de Tafel: Choix des dimensions des électrodes Boulon: Al Al: anode Inox: cathode Tôle: acier inox. Sc/Sa >> 1 Vitesse de corrosion élevée MEC-200 – Technologie des matériaux 6-26 Passivation et corrosion par piqure MEC-200 – Technologie des matériaux 6-27 Passivation • Cas des métaux dont la vitesse de corrosion baisse et devient moins de 1/103 mm /année. • Le métal devient passif. iactif • Rapport de courant 510 4 i passif • Principaux métaux passivables – – – – Aciers inox. Alliages de nickel-chrome : inconel alliages de cobalt-chrome: stellite Titane et ses alliages MEC-200 – Technologie des matériaux 6-28 Corrosion des alliages passivables Courant de corrosion ip = cte MEC-200 – Technologie des matériaux 6-29 A Pouvoir oxydant de C1 > C3 C C1 E D C2 B C3 MEC-200 – Technologie des matériaux 6-30 Mécanisme de piqûre M n nH 2O Cl M (OH )n nH Cl MEC-200 – Technologie des matériaux 6-31 Carbure de chrome sur acier inox 2 mm [Cr] requis pour passivation Ségrégation du Cr-C dû à la mise en forme de l’acier inox. MEC-200 – Technologie des matériaux 6-32 Piqûre sur un couteau MEC-200 – Technologie des matériaux 6-33 Autres facteurs influençant la corrosion MEC-200 – Technologie des matériaux 6-34 Influence de la conductibilité électrique de l’électrolyte Conductibilité électrique Conductibilité électrique Vitesse de corrosion proportionnelle à la densité de courant i MEC-200 – Technologie des matériaux 6-35 Effet de crevasse Concentration en O2 faible MEC-200 – Technologie des matériaux 6-36 Effet de crevasse Eau Zone cathodique Concentration en O2 élevée Zone anodique Concentration en O2 faible MEC-200 – Technologie des matériaux 6-37 Corrosion par courant vagabond MEC-200 – Technologie des matériaux 6-38 Influence du milieu Très agressif moins agressif MEC-200 – Technologie des matériaux 6-39 Corrosion et tenue en fatigue La corrosion abaisse la limite d’endurance à la fatigue MEC-200 – Technologie des matériaux 6-40 Lutte contre la corrosion MEC-200 – Technologie des matériaux 6-41 Lutte contre la corrosion • Actions sur le milieu – Éliminer O2 dissout – Éliminer cl– Inhibiteurs de corrosion: réduire corrosivité du milieu • Action sur la pièce – Design – Choix des matériaux • Revêtement des électrodes • Protection électrochimique – Anode sacrificielle – Courant imposé MEC-200 – Technologie des matériaux 6-42 Protection par revêtement • Revêtements non métalliques: continues et adhérentes. (contiennent souvent des poudres de Zn ou Al qui agissent comme anodes) – peintures – Polymères, plastiques – Goudrons ou bitume (structures enfouies) • Revêtements métalliques – Anodiques: Zn sur Fe (galvanisation) – Cathodiques : Sn, Ni, Cr, .., sur Fe • Modifications de la surface par voie chimique – Aciers: Phosphatation (formation d’une couche de phosphate de fer, protectrice, à la surface de l’acier lorsqu’il est trempé dans l’acide phosphorique) – Aluminium: oxydation anodique (Al2O3): anodisation MEC-200 – Technologie des matériaux 6-43 Protection cathodique par anode sacrificielle Protection cathodique: fournir au métal à protéger des électrons d’une source extérieure Ce métal devient un cathode: Mn+ + ne ----> M (réaction inverse) MEC-200 – Technologie des matériaux 6-44 anode sacrificielle MEC-200 – Technologie des matériaux 6-45 Protection par courant imposé Corrosion par courant vagabond A i0 t m 96500 n MEC-200 – Technologie des matériaux 6-46 Protection par revêtement: galvanisation Revêtement plus anodique que le métal protégé Zn Acier plus anodique que le chrome DANGER MEC-200 – Technologie des matériaux 6-47 Protection par passivation ( Ti, Nb, Ta, Cr, Ni, Co) • Protection par développement d’une couche protectrice: La vitesse de corrosion baisse et devient moins de 10-3 mm /année. • Le métal devient passif suite à la formation d’une couche protectrice (d’ions ou d’oxydes) iactif • Rapport de courant 510 4 i passif • Principaux métaux passivables – – – – Aciers inox. Alliages de nickel-chrome : inconel alliages de cobalt-chrome: stellite Titane et ses alliages Lire section 8.1.4 page 820 (mise en évidence et mécanismes) MEC-200 – Technologie des matériaux 6-48 Design des assemblages et corrosion MEC-200 – Technologie des matériaux 6-49 Corrosion des assemblages boulonnés Faible en O2 MEC-200 – Technologie des matériaux 6-50 Design des réservoirs et corrosion MEC-200 – Technologie des matériaux 6-51 Design des coudes et corrosion MEC-200 – Technologie des matériaux 6-52 *** À retenir aujourd’hui *** 1. Les matériaux sont anode ou cathode 2. Il existe une courbe de polarisation 3. Il existe trois types de milieux propices à la corrosion 4. La loi de Faraday permet de calculer la vitesse de corrosion 5. Attention, couple galvanique!!!!! MEC-200 – Technologie des matériaux 6-53
