Partie 4e Les propriétés des matériaux

1. Partie 4e Les propriétés des matériaux Des Matériaux Section 8.1 sauf 8.1.3.1 et 8.1.3.2 Sections 8.2, 8.3 LA CORROSION

2. Dégradation des métaux (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

3. 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. RAPPEL Réaction d’oxydo-réduction oxydation: M Mn+ + né anode réduction: Mn+ + né  M cathode

5. ddp E électrolyte électrodes Potentiel électrochimique • Exemple plonger deux métaux (Cu et Fe) dans une solution acide ® mesure d’une différence de potentiel d’où vient-elle ?

6. Potentiel électrochimique • Dissolution- dans le métal ® excès de charges - • - dans l’électrolyte ® excès de charges +

7. une accumulation de charges créent une tension double couche + + + + + { - - - - - Vidéo 8.3 Potentiel électrochimique • Dissolution Potentiel entre le métal et l’électrolyte ® loi de Nerst

8. Potentiel électrochimique • Potentiel d’équilibre - donne la tendance de dissolution d’un métal - mesuré p/r à une électrode de référence (H) - métaux nobles tendance à passer en solution métaux actifs +

9. Potentiel standards • Exemple d’un système composé de deux électrodes

10. Anode Cathode dissolution déposition oxydation réduction cathode anode 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. • Exemple 2 : Fe-Cu ??? 0,78 V

11. Réactions électrochimiques • à l’anode (perte d’é-) - réaction simple : dissolution du métal • exemple : Fe ® Fe2+ + 2e • à la cathode (gain d’é-)- plusieurs cas sont possibles, selon le type d’électrolyte nombre d’électrons de valence sans O2 dissout avec O2 dissout Milieu acide Milieu neutre ou basique avec O2 dissout

12. Réactions électrochimiques à la cathode • Milieu acide (sans O2 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. Réactions électrochimiques à la cathode • Milieu acide (avec O2 dissout)- exemple : Fer dans HCl (avec O2 dissout) Le fer donne des électrons aux ions H+ et à l’O2 (transfert des é- du métal aux ions) Vidéo 8.2

14. Fe2+ OH- cathode Fer anode é- Réactions électrochimiques à la cathode • Milieu neutre ou basique (avec O2 dissout)- exemple : la rouille (milieu neutre) hydroxyde ferreux (instable) hydroxyde ferrique (rouille) Vidéo 8.2b

15. sans O2 dissout avec O2 dissout Milieu acide Milieu neutre ou basique Dépôt métallique avec O2 dissout Réactions électrochimiques (résumé) • à l’anode (perte d’é-) • à la cathode (gain d’é-) Solution avec ions métalliques Vidéo 8.2c

16. 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. Types de corrosion • Corrosion uniforme - diminution d’épaisseur constante dans le temps (température donnée) - réactions électrochimiques - ex.: réservoirs, conduites, plaques, etc.

18. 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. 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. 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. Types de corrosion • Corrosion galvanique (suite) - exemple : raccordement de tuyauterie joints d’étanchéité - exemple 2 : phases différentes d’un même matériau

22. Types de corrosion • Pile de concentration- variation du milieu environnant - ex.: pile à oxygène ®les surfaces à basse concentration en O2 sont anodiques eau stagnante marée et variation d’O2 goutte d’eau Vidéo 8.26

23. Types de 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

24. Autres types de 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...

25. Autres types de corrosion ZONES DE GRADIENTS THERMIQUES Dans un même matériau, un gradient thermique peut favoriser la corrosion, la zone froide devenant l’anode

26. Autres types de corrosion CORROSION PAR ÉROSION Dans 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)

27. 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. Lutte contre la corrosion • Conception (suite)- exemples joint trop petit et changement brusque de direction eaux stagnantes

29. Lutte contre la corrosion • Action sur le milieu (a) diminution de la teneur en O2 pour minimiser la réaction à la cathode • (b) addition d’inhibiteurs de corrosion - inhibiteurs anodiques (passivateurs) ® - film mince sur la pièce à protéger - élévation du potentiel de corrosion jusque dans le domaine de passivité - inhibiteurs cathodiques ® ralentir la réaction à la cathode

30. Lutte contre la corrosion • Revêtements - isoler le matériau de l’électrolyte - revêtement continu et adhérent à la surface à protége - types de revêtement

31. Lutte contre la 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 1 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 2

32. Lutte contre la 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

33. Lutte contre la 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

34. anode sacrificielle (Mg) 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 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. 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