Fiche de révision : Corrosion des matériaux métalliques

📋 Plan du Cours

1. Définition et milieux corrosifs
2. Thermodynamique de la corrosion
3. Cinétique et mesure de corrosion
4. Transferts de charge et de matière
5. Mécanismes de corrosion
6. Couplage galvanique et aération différentielle
7. Formes particulières de corrosion
8. Passivation et aciers inoxydables
9. Conception et prévention
10. Inhibiteurs de corrosion
11. Revêtements métalliques

📖 1. Définition et milieux corrosifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Corrosion : Attaque de l’environnement sur un métal ou un alliage, entraînant sa transformation vers son état thermodynamiquement stable d’origine, le minerai.

📝 Points essentiels

📌 La corrosion aqueuse est une oxydation par l’eau ou des espèces solubles dans l’eau, tandis que la corrosion sèche à haute température est une oxydation par des gaz.

• En France, le coût de la corrosion est estimé à 80 milliards d’euros, soit 3,5 % du produit intérieur brut en 2019.

💡 Astuce mémo

Milieu agressif → métal → retour vers le minerai

📖 2. Thermodynamique de la corrosion

🔑 Notions clés & Définitions

• Domaine d’immunité : Zone de stabilité thermodynamique du métal, dans laquelle il ne s’oxyde pas et ne subit pas de corrosion.
• Domaine de passivité : Zone où des oxydes ou hydroxydes condensés recouvrent le métal et réduisent la vitesse de corrosion.

★ À maîtriser

• Dans la série galvanique fournie, les potentiels standards sont notamment Al3+/Al = −1,66 V, Zn2+/Zn = −0,76 V, Fe2+/Fe = −0,44 V, Cu2+/Cu = 0,34 V, Ag+/Ag = 0,80 V et Au3+/Au = 1,52 V.

📐 Formule - La limite de stabilité de l’eau pour le couple O2/H2O est donnée par $E = 1{,}23 - 0{,}06\,pH$.

Compléments

• 🔄 Selon le pH, l’aluminium s’oxyde en :
  1. Al3+ à pH inférieur à 5
  2. Al2O3 entre pH 5 et 8,2
  3. AlO2− à pH supérieur à 8,2

💡 Astuce mémo

Immunité : métal stable ; corrosion : ion stable ; passivité : oxyde protecteur

📖 3. Cinétique et mesure de corrosion

🔑 Notions clés & Définitions

• Point de corrosion : Au point de corrosion, le potentiel vaut Ecorr et le courant extérieur est nul, car les courants anodique et cathodique se compensent.

📝 Points essentiels

• La vitesse de corrosion est directement proportionnelle au courant de corrosion et dépend du nombre d’électrons transférés dans la réaction anodique.

• Un potentiostat impose le potentiel entre l’électrode de travail et l’électrode de référence, puis mesure le courant entre l’électrode de travail et la contre-électrode.

💡 Astuce mémo

Potentiel imposé → courant mesuré → vitesse de corrosion

📖 4. Transferts de charge et de matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Transfert de charge : Transfert d’électrons entre les espèces en solution et l’électrode à l’interface électrode-solution.
• Transfert de matière : Déplacement d’espèces entre le volume de la solution et la surface de l’électrode.

📝 Points essentiels

📐 Formule - La première loi de Fick relie le courant limite de diffusion à la surface de l’électrode, au nombre d’électrons, au coefficient de diffusion, au gradient de concentration et à la constante de Faraday $F = 96500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}$.

💡 Astuce mémo

Charge : électrons à l’interface ; matière : espèces dans la solution

📖 5. Mécanismes de corrosion

📝 Points essentiels

📌 La corrosion uniforme affecte homogènement toute la surface, qui joue simultanément le rôle d’anode et de cathode, tandis que la corrosion localisée concentre l’attaque sur des zones anodiques distinctes des zones cathodiques.

📐 Formule - Pour une corrosion localisée, l’égalité des courants s’écrit $j_a S_a = j_c S_c$ et la vitesse augmente avec le rapport entre la surface cathodique et la surface anodique.

💡 Astuce mémo

Uniforme : surface entière ; localisée : anode et cathode séparées

📖 6. Couplage galvanique et aération différentielle

🔑 Notions clés & Définitions

• Couplage galvanique : Contact électrique entre deux métaux ou alliages de potentiels différents exposés au même milieu.
• Aération différentielle : Phénomène apparaissant lorsqu’une surface métallique homogène est exposée à des milieux contenant des quantités différentes d’oxygène.

★ À maîtriser

📌 Dans un couplage galvanique, le métal le moins noble s’oxyde et se corrode, tandis que l’agent oxydant de l’électrolyte se réduit sur le métal le plus noble.

Compléments

• En 1789, Luigi Galvani observe la contraction des muscles d’une grenouille au contact du cuivre et du fer.

• En 1801, Volta empile des disques de cuivre et de zinc séparés par du papier imprégné de vinaigre, démontrant le principe de la cellule électrochimique.

💡 Astuce mémo

Hétérogénéité → zones anodique et cathodique → corrosion localisée

📖 7. Formes particulières de corrosion

★ À maîtriser

• La corrosion intergranulaire attaque localement et profondément les joints de grains appauvris en chrome après la précipitation de Cr23C6.

Compléments

📌 La corrosion caverneuse provient de l’aération différentielle entre des zones confinées et des zones extérieures, tandis que la corrosion bactérienne résulte d’une modification de l’environnement chimique par des biofilms.

• La fissuration sous contrainte est due aux contraintes mécaniques, tandis que la corrosion par fretting est due à l’hétérogénéité des contraintes mécaniques.

📖 8. Passivation et aciers inoxydables

🔑 Notions clés & Définitions

• Passivation : Croissance naturelle d’un film superficiel d’oxyde ou d’hydroxyde qui réduit la vitesse de corrosion du métal.

★ À maîtriser

📌 Une bonne aptitude à la passivation est caractérisée par un faible courant critique de passivation Icr, tandis qu’un faible courant de passivation Ip indique une couche passive efficace.

• Dans l’ordre d’aptitude à la passivation indiqué, le chrome est meilleur que le nickel, lui-même meilleur que le fer, avec Icr : Cr < Ni < Fe et Ip : Cr < Ni < Fe.

📌 Un acier inoxydable doit contenir plus de 12 % de chrome et moins de 1,2 % de carbone.

Compléments

• Un film passif superficiel a typiquement une épaisseur d’environ 5 à 10 nm.

📌 Le chlorure Cl− défavorise la passivation en formant des oxychlorures et en rendant le film passif moins protecteur.

💡 Astuce mémo

Film passif compact → courant réduit → corrosion ralentie

📖 9. Conception et prévention

📝 Points essentiels

• La conception anticorrosion évite les zones confinées et la stagnation d’eau afin de prévenir la corrosion caverneuse due à l’aération différentielle.

• Pour éviter le couplage galvanique, il faut isoler électriquement les métaux différents et éviter les associations de potentiels rédox très éloignés.

• La protection cathodique par anode sacrificielle utilise un métal moins noble qui s’oxyde à la place du métal à protéger.

💡 Astuce mémo

Éviter les crevasses → isoler les métaux → protéger par anode sacrificielle

📖 10. Inhibiteurs de corrosion

🔑 Notions clés & Définitions

• Inhibiteur de corrosion : Espèce ajoutée à faible concentration au milieu et qui diminue la vitesse de corrosion du métal.

📝 Points essentiels

📐 Formule - L’efficacité d’inhibition vérifie $\%IE = 100 \times \frac{r_{\mathrm{sans\ inhibiteur}} - r_{\mathrm{avec\ inhibiteur}}}{r_{\mathrm{sans\ inhibiteur}}}$.

📌 L’adsorption de l’inhibiteur sur la surface métallique diminue la corrosion, et l’efficacité est optimale lorsque le taux de recouvrement vaut 1 à la concentration critique Ccritique.

📌 Un inhibiteur anodique augmente Ecorr, un inhibiteur cathodique diminue Ecorr, et un inhibiteur mixte ne modifie pas Ecorr tout en diminuant Icorr.

💡 Astuce mémo

Adsorption de l’inhibiteur → surface couverte → vitesse diminuée

📖 11. Revêtements métalliques

★ À maîtriser

📌 En cas de défaut d’un revêtement métallique, un revêtement moins noble que le substrat est préféré car il se corrode comme anode sacrificielle et protège le substrat cathodique.

• 🔄 La préparation de surface comprend :

  1. Le dégraissage
  2. Le rinçage
  3. L’activation de la surface

• La galvanisation à chaud consiste à plonger une pièce métallique dans du zinc fondu à 450 °C afin de la recouvrir.

📐 Formule - Lors d’un dépôt chimique, le cation métallique et l’agent réducteur réagissent selon $M^{n+} + Red \rightarrow M + Ox$, sans courant électrique imposé.

• À la cathode d’une électrodéposition, le cation métallique est réduit selon $M^{n+} + ne^- \rightarrow M$, tandis qu’à l’anode le substrat métallique peut être oxydé selon $M \rightarrow M^{n+} + ne^-$.

Compléments

• Le bain électrolytique peut contenir :
  • Un sel du cation métallique
  • Un tampon de pH
  • Des agents complexants
  • Des tensioactifs
  • Des agents brillants

💡 Astuce mémo

Préparer la surface → déposer le métal → contrôler le revêtement

📊 Tableaux de synthèse

Domaines thermodynamiques

Mécanismes de corrosion localisée