Corrosion des métaux
publicité
Technologie des matériaux : cours #6 MEC-200 Dégradation g des matériaux : Corrosion Références chapitre p 8 pp. 324-391 6-1 Plan MEC-200 • Corrosion des métaux – – – – – Aspects p électrochimiques q Vitesse de corrosion Passivité Formes de corrosion Prévention de la corrosion • Corrosion des matéria matériaux céramiques céramiq es • Dégradation des polymères – Gonflement et dissolution – Rupture de liaisons 6-2 MEC-200 Introduction Si la corrosion était un phénomène simple à maîtriser, maîtriser elle nn'existerait existerait plus depuis longtemps! 6-3 MEC-200 6-4 MEC-200 6-5 MEC-200 Motivations • Motivations: connaître les types de corrosion afin de prendre des mesures préventives: – Modifier M difi le l milieu ili ambiant bi t – Choisir un matériau moins réactif – Protéger le matériau – Prévoir la vie des matériaux en milieux corrosifs. corrosifs 6-6 Objectifs MEC-200 • Décrire les différents types de corrosion. • Calculer le ppotentiel d’une cellule et indiquer q le sens et le type de réaction électrochimique. • Déterminer la vitesse dd’oxydation oxydation d’un d un métal métal. • Énumérer des mesures de protection contre le corrosion. • Expliquer pourquoi les céramiques sont très résistantes à la corrosion. 6-7 Plan MEC-200 • Corrosion des métaux – – – – – Aspects p électrochimiques q Vitesse de corrosion Passivité Formes de corrosion Prévention de la corrosion • Corrosion des matéria matériaux céramiques céramiq es • Dégradation des polymères – Gonflement et dissolution – Rupture de liaisons 6-8 Aspects électrochimiques MEC-200 Corrosion = phénomène électrochimique - Réaction chimique - Transfert a s e t d’électrons d é ect o s entre e t e 2 espèces chimiques c ques Phénomène d’oxydation Perte d’électrons (e-) de l’atome métallique (M) Réaction dd’oxydation oxydation : M M n ne Fe Fe 2 2e exemples l : 3 Al Al 3e Lieu de l’oxydation se nomme l’anode d’où l nom de le d réaction é ti anodique di Phénomène de réduction Pour garder la neutralité électrique, les électrons libérés doivent être transférés à une autre espèce chimique => cathode (réaction cathodique) 6-9 Corrosion généralisée en milieu acide MEC-200 Réaction anodique pH < 7 F Fe Fe F 2 2e Réaction cathodique 2 H 2e H 2 Réaction globale Fe 2 H Fe 2 H 2 Dégagement de H2 6-10 MEC-200 Corrosion généralisée en milieu acide + O2 Réaction anodique F Fe Fe F 2 2e Réaction cathodique O2 4 H 4e 2 H 2O Réaction globale 2 Fe O2 4 H 2 Fe 2 2 H 2O La solution ss’enrichit enrichit en H2O 6-11 MEC-200 Milieu basique ou neutre + O2 Réaction anodique Réaction cathodique Fe Fe 2 2e O2 2 H 2O 4e 4 OH Ré ti globale Réaction l b l 2 Fe O2 2 H 2O 2 Fe OH 2 Hydroxyde ferreux (instable) Fe 2 Fe3 e 1 2 Fe OH 2 H 2O O2 2 Fe OH 3 2 Formation d’hydroxyde ferrique (=rouille) 6-12 Bilan : réactions d’oxydo-réduction MEC-200 Réactions anodiques Fe 2 e Fe 2 EX. Zn 2 e Zn 2 n M ne M Réactions cathodiques 2 H 2e H 2 solution acide, dégagement de H2 O 2 4 H 4e 2 H 2 O Réduction de O2: solutions acides O 2 2 H 2O 4e 4(OH ) M nn ne M Réduction de Réd d O2 : solutions neutres ou basiques Dépôt métallique Electrolyte = eau pure 6-13 Électrode réversible MEC-200 Réactions oxydoréduction oxyy Cu Cu 2 2e red Introduction du métal dans l’électrolyte Perturbation de la neutralité t lité Couche h de d Helmholtz Double couche d’ions positifs (e = qq nm) c Couche diffuse [Cu2+]cd > [Cu2+]elec 6-14 Relation de Nernst MEC-200 Relation de Nernst Potentiel s’établissant entre le métal et son électrolyte (cas d’une électrode réversible) E E0 RT ln aM n nF E0 : potentiel "normal" du métal R : Constante molaire des gaz 8.31442 J mol.K T : Température absolue (Kelvins) F : Constante C t t de d Faraday F d 96500 C À 25ºC (298 K) n : nombre d'électrons de valence aM n : activité des ions M n dans l'électrolyte y 0.059 E E0 log M n n M n : concentration molaire en ions M n 6-15 MEC-200 Mesure du potentiel d’un métal • En pratique, il est impossible de mesurer directement le potentiel t ti l d'équilibre d'é ilib quii s'établit 'ét blit entre t le l métal ét l ett la l solution car la sonde de mesure serait aussi le siège d'une réaction électrochimique électrochimique. • Standardise donc à l'aide de deux demi-piles jumelées. 6-16 MEC-200 Mesure du potentiel d’un métal Les tensions mesurées entre l’anode et la cathode ne représentent que des différences de potentiel électrique (ddp). Intérêt de fixer un point de référence => utilisation d’une électrode de référence. 1. Électrode normale à hydrogène (ENH) Cellule de mesure du potentiel standard E0 d d’un un métal M 2. Électrode au calomel saturé (ECS) E0 (H2) = 0 v : potentiel de référence 2 H 2e H 2 6-17 MEC-200 Série des potentiels standard d’équilibre Conditions expérimentales : T = 25ºC ENH Cathodique Anodique 6-18 Plan MEC-200 • Corrosion des métaux – – – – – Aspects p électrochimiques q Vitesse de corrosion Passivité Formes de corrosion Prévention de la corrosion • Corrosion des matéria matériaux céramiques céramiq es • Dégradation des polymères – Gonflement et dissolution – Rupture de liaisons 6-19 Cinétique de la corrosion MEC-200 Vitesse de corrosion: m f courant t Loi de Faraday A icorr t m 96500 n Perte en masse de métal de l’anode (g) A: masse atomique (g/mole) icorr: courant de corrosion (A) t: temps (secondes) n: nombre d’électrons de valence du métal Si la dissolution est uniforme, alors icorr devient la densité de courant (A/dm2) m/t est exprimée p en perte p d’épaisseur p par p 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: g 0.15 mm/année ou 33 mg /dm2/jour densité de courant: i0 = 1.3 mA /dm2 6-20 Montage pour courbes de polarisation MEC-200 i E0a E0c Circuit fermé - Passage des électrons de l’anode vers la cathode - apparition d’une densité de courant entre l’anode et la cathode (i) - Diminution de la ddp entre les électrodes Potentiel (V P V) E0c Circuit ouvert - Cathode : E0c et ic - Anode : E0a et ia Ecorr E0a icorr log i 6-21 MEC-200 Loi de Tafel P t des Pente d droites d it η β log( i ) i0 : surtension : pente de la courbe i0 : courant d’échange 6-22 Plan MEC-200 • Corrosion des métaux – – – – – Aspects p électrochimiques q Vitesse de corrosion Passivité Formes de corrosion Prévention de la corrosion • Corrosion des matéria matériaux céramiques céramiq es • Dégradation des polymères – Gonflement et dissolution – Rupture de liaisons 6-23 Passivation MEC-200 • Cas des métaux dont la vitesse de corrosion baisse et devient moins de 10-3 mm /an. • Le métal devient passif. iactif pp de courant • Rapport 5510 4 i passif • Principaux p métaux p passivables – – – – Aciers inox. Alliages de nickel-chrome : inconel alliages de cobalt cobalt-chrome: chrome: stellite Titane et ses alliages 6-24 Corrosion des alliages passivables MEC-200 État actif (de Ea à EF) M M n ne Quand i = icrit => formation de la couche passivation Et É passif (de EF à Et) État Le courant de corrosion ip est très faible => vitesse de corrosion nulle État transpassif (après Et) Le film passif se rompt et la vitesse de corrosion augmente => oxydation du métal EF Ea 6-25 Corrosion des alliages passivables MEC-200 Pouvoir oxydant de C1> C2 > C3 1 – Le métal est protégé par sa couche de passivation => faible corrosion (ip) A C1 B C2 C3 E F 2 – Point P i t de d fonctionnement f ti tB cependant si apparition d’une égratignure => rupture de film passif et corrosion (point E) => icorr élevé => corrosion rapide et très localisée (corrosion par piqûre) 3 – Dans D lle domaine d i actif tif => corrosion uniforme du métal 6-26 Mécanisme de piqûre MEC-200 M n nH 2O Cl M (OH )n nH Cl 6-27 Plan MEC-200 • Corrosion des métaux – – – – – Aspects p électrochimiques q Vitesse de corrosion Passivité Formes de corrosion Prévention de la corrosion • Corrosion des matéria matériaux céramiques céramiq es • Dégradation des polymères – Gonflement et dissolution – Rupture de liaisons 6-28 Corrosion galvanique : cellule électrochimique de Fe et Cu Potentiels E (Cu) = +0.34 V E(Fe) = - 0.44 V E = 0.78 V MEC-200 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 6-29 MEC-200 Corrosion galvanique Corrosion accélérée par la mise en contact de deux systèmes ayant des potentiels d’équilibre différents. On appelle aussi ce phénomène l’effet pile! Que se passe-t-il lorsque les deux métaux sont électriquement couplés: • 1 réaction anodique est favorisée • 1 réaction cathodique est favorisée Eau de mer Eau de mer Fe et Cu se corrodent indépendamment l’un de l’autre C Corrosion i du d fer f 6-30 Cathodique MEC-200 Série galvanique g q Potentiels de corrosion des métaux dans l’eau de mer 33 g/L de sel (NaCl) pH = 8.2 Température : 25°C Anodique 6-31 MEC-200 Courbes de polarisation Réaction anodique (quand i =0) Circuit ouvert: i = 0 Réaction anodique: Cu Réaction anodique Fe Icorr élevé ! 6-32 Exemple de corrosion MEC-200 Fe Bronze Fe Cu Accouplement A l t Fe/Cu/Bronze F /C /B sur un tuyau t d’eau d’ chaude domestique 6-33 Exemple de corrosion galvanique MEC-200 Bronze Fe Cu Ex de E d corrosion i d’un d’ stent t t en NiTi avec marqueur radioopaque en platine 6-34 Choix des dimensions des électrodes en cas de corrosion galvanique MEC-200 B l Al Boulon: Al: anode Al d Inox: cathode Tôle: acier inox. Sc/Sa >> 1 Vitesse de corrosion élevée 6-35 MEC-200 Autres formes de corrosion Conditions pouvant créer la formation de système ayant des potentiels différents (piles): • métaux différents en contacts • différence de concentration d’ions • hétérogénéité métallurgique • revêtement 6-36 MEC-200 Carbure de chrome sur acier inox 2 m [Cr] requis pour passivation Ségrégation g g du Cr-C dû à la mise en forme de l’acier inox. 6-37 Effet de crevasse MEC-200 Concentration en O2 faible 6-38 Effet de crevasse MEC-200 Eau Zone cathodique q Concentration en O2 élevée Zone anodique q Concentration en O2 faible 6-39 MEC-200 Effet de contraintes - environnement corrosif + contraintes mécaniques - Contraintes peuvent être faibles (résiduelle) 6-40 MEC-200 Corrosion par courant vagabond 6-41 MEC-200 Influence de la conductibilité électrique de l’électrolyte y C d tibilité électrique Conductibilité él t i Conductibilité électrique Vitesse de corrosion proportionnelle à la densité de courant i 6-42 Influence du milieu MEC-200 Très agressif moins agressif 6-43 Corrosion et tenue en fatigue MEC-200 La corrosion abaisse la limite d’endurance à la fatigue 6-44 Plan MEC-200 • Corrosion des métaux – – – – – Aspects p électrochimiques q Vitesse de corrosion Passivité Formes de corrosion Prévention de la corrosion • Corrosion des matéria matériaux céramiques céramiq es • Dégradation des polymères – Gonflement et dissolution – Rupture de liaisons 6-45 Lutte contre la corrosion MEC-200 • Actions sur le milieu – Éliminer O2 dissout – Éliminer É cl– Inhibiteurs de corrosion: réduire corrosivité du milieu • Action sur s r la pièce – Design – Choix des matériaux • Revêtement des électrodes • Protection électrochimique – Anode sacrificielle – Courant imposé p 6-46 Protection par revêtement MEC-200 • 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) f ) • 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 6-47 MEC-200 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) 6-48 anode sacrificielle MEC-200 6-49 Protection par courant imposé MEC-200 Corrosion par courant p vagabond m A i0 t 96500 n 6-50 Protection par revêtement: galvanisation MEC-200 Zn Revêtement plus anodique que l métal le é l protégé é é Acier plus anodique que l chrome le h DANGER 6-51 Protection par passivation MEC-200 ( Ti, Nb, Ta, Cr, Ni, Co) • Protection par développement d’une couche protectrice • Le métal devient passif suite à la formation d’une couche protectrice (d’ions ou d’oxydes) • Rapport R t de d courantt iactif 4 i passif 510 • Principaux métaux passivables – – – – Aciers inox. Alliages de nickel-chrome : inconel alliages de cobalt-chrome: cobalt chrome: stellite Titane et ses alliages Lire section 8.1.4 page 820 (mise en évidence et mécanismes) 6-52 Design des assemblages et corrosion MEC-200 6-53 MEC-200 Corrosion des assemblages boulonnés Faible F ibl en O2 6-54 MEC-200 Conception (assemblages et choix des matériaux) 6-55 Design des réservoirs et corrosion MEC-200 6-56 Design des coudes et corrosion MEC-200 6-57 Plan MEC-200 • Corrosion des métaux – – – – – Aspects p électrochimiques q Vitesse de corrosion Passivité Formes de corrosion Prévention de la corrosion • Corrosion des matériaux matéria céramiques céramiq es • Dégradation des polymères – Gonflement et dissolution – Rupture de liaisons 6-58 Dégradation des céramiques MEC-200 • Liaison covalente/ionique forte • Types – Oxydes: Al2O3, SiO2, Fe2O3 (rouille) – C Carbures: bu es: WC-Co, WC Co, S SiC, C, B4C, Fee3C – Nitrures: BN, AlN • Déjà oxydés dé ----> > STABLES 4 Al +3 3 O2 -----> 2 Al2O3 4 Fe + 3O2 ----> 2 Fe2O3 6-59 Dégradation des céramiques MEC-200 • La réduction des céramiques donne encore des céramiques • SiO2 + N2 ----HT---> 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 6-60 Plan MEC-200 • Corrosion des métaux – – – – – Aspects p électrochimiques q Vitesse de corrosion Passivité Formes de corrosion Prévention de la corrosion • Corrosion des matériaux céramiques • Dégradation des polymères – Gonflement et dissolution – Rupture de liaisons 6-61 Dégradation des polymères MEC-200 • Absorbe le solvant et se gonflent. Les molécules du soluté s’installent entre les molécules des polymères et les forcent à s ’écarter. ---> affaiblissement ff ibli des d liaisons li i de d Van V derWalls d W ll --> matériaux éi devient d i 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 6-62 MEC-200 *** À retenir aujourd’hui *** 1. Les matériaux sont anode ou cathode 2 Il faut 2. f t prendre d en compte t les l risques i de d corrosion i des d métaux lors de la conception 3. Courbes de polarisation 4. Il existe trois types yp de milieux propices p p à la corrosion 5 La loi de Faraday permet de calculer la vitesse de 5. corrosion 6 Attention au couple galvanique!!!!! 6. 6-63
