La corrosion, l'oxydation et la rouille sont des processus liés mais distincts. La corrosion est la détérioration progressive des matériaux, en particulier des métaux, causée par des interactions chimiques avec leur environnement. L'oxydation, la corrosion et d'autres réactions chimiques entraînent une décoloration, une déformation ou une métamorphose du matériau composant. Il est donc essentiel de connaître les différences et les relations entre la corrosion, l'oxydation et la rouille.

It aids in determining the preservation of the lifespan of materials, minimizing adverse economic effects, and increasing safety in various fields. Such an understanding provides industries with measures and strategies to reduce the degradation rate of the materials, thus enhancing the durability of critical components. This, in turn, decreases the costs of repair and replacement. Implementing corrosion prevention best practices globally could yield significant savings, estimated between 15-35% of the cost of damage, translating to US$375 billion to US$875 billion annually^[1]. It is essential to regulate these phenomena to prevent catastrophic failures that can endanger lives in necessary fields such as construction and transport. Additionally, this knowledge creates innovations, such as developing new materials that do not corrode easily. It assists in making better and more sustainable product formations, as it is an enabler of change.

Définition de la corrosion

La corrosion est un type de dégradation qui affecte des matériaux tels que les métaux en raison de la réaction chimique entre le matériau et son environnement, ce qui donne lieu à des produits non économiques, dangereux et malsains. Cette dégradation peut se produire en plusieurs étapes. Elle conduit généralement à la formation d'oxyde, d'hydroxyde ou de composés similaires au sein de la substance, ce qui a pour effet de bosseler/détruire la construction d'origine de ce matériau.

Types de corrosion

La coronation peut se présenter sous différentes formes en fonction des environnements et des matériaux en contact avec les agents de corrosion. Les types les plus courants sont les suivants :

1. Corrosion galvanique

Il se produit lorsque deux métaux différents sont reliés électriquement dans un environnement humide. Le métal anodique se détériore plus rapidement que lorsqu'il existe indépendamment, tandis que le métal cathodique se détériore plus lentement. La différence de potentiel entre deux métaux est essentielle dans la corrosion galvanique et fait intervenir l'équation de Nernst :

E_Cellule=E⁰_cathode-E⁰_anode-(RT/nF) ln([Ox]/[Red] )

E_Cellule=potentiel cellulaire, E⁰=potentiels d'électrode standard, R=Constante du gaz, T= température, n=le nombre d'électrons transférés, et F est la constante de Faraday.

2. Corrosion par piqûres

La corrosion par piqûres est un type de corrosion localisée qui crée de petits trous profonds dans le matériau. Elle est particulièrement dangereuse car elle peut entraîner une défaillance rapide du matériau, même si la perte globale de matériau est minime. Le facteur de piqûre permet d'évaluer l'impact de la corrosion par piqûres. Lorsque le facteur de piqûre est plus élevé, cela indique que la corrosion par piqûres est grave.

Facteur de piqûre=(profondeur de la piqûre la plus profonde)/perte d'épaisseur moyenne due à la corrosion

3. Corrosion par crevasses

Ce type de corrosion implique des cellules de concentration d'oxygène qui se développent dans les puits, les crevasses ou les sous-dépôts. Par conséquent, la solution locale peut stagner, provoquant une corrosion localisée. La corrosion caverneuse se produit, par exemple, autour du joint d'une plaque métallique, là où le métal rejoint un joint d'étanchéité ou lors de l'utilisation de boulons et d'écrous. La vitesse de la corrosion caverneuse dépend de facteurs tels que la concentration d'ions chlorure ([Cl^-et le pH de la solution à l'intérieur de la fissure :

Taux de corrosion ∝ [Cl^–]e^(-∆G/RT)

Dans cette équation, ΔG est la variation de l'énergie libre de Gibbs, R est la constante des gaz, et T est la température.

Matériaux sensibles à la corrosion

La résistance à la corrosion dépend de la composition du matériau, de sa structure et de l'environnement dans lequel se trouve le matériau métallique ou non métallique. Le fer et l'acier sont particulièrement sujets à la rouille car ils s'oxydent rapidement, surtout lorsqu'ils entrent en contact avec l'humidité et l'oxygène. Bien que l'aluminium développe une couche d'oxyde passive, il subit également une corrosion par piqûres et crevasses dans des conditions contenant du chlorure. Cuivre et ses alliages sont sensibles à la corrosion galvanique. C'est particulièrement vrai lorsqu'ils sont en contact avec des métaux comme l'aluminium ou l'acier et qu'ils sont exposés à un environnement aquatique. En tant que membre du groupe des anodes utilisées dans la protection cathodique, le zinc agit comme une anode dans les modèles de protection galvanique pour se corroder tout en préservant le métal lui-même.

Impact industriel de la corrosion

The effects of corrosion are shared across the industrial value chain, across most, if not all, industries that use metals. The impact of this menace on economies is that industries lose several billion dollars every year due to corrosion. The global cost of corrosion is estimated at US$2.5 trillion, equivalent to 3.4% of the global Gross Domestic Product (GDP) in 2013, with some estimates suggesting it now exceeds US$3 trillion annually^[1]. The loss includes the cost of maintenance and replacement of structures experiencing corrosion, production loss due to corrosion, and other related effects. Deteriorated safety, reliability, and durability are some of the impacts of corrosion. Corrosion can cause sudden failure of structures, transport, and utilities like bridges, pipelines, and aircraft. Structural integrity diminishes under corrosion owing to the high risk of sudden failure.

Regarding the physical environment, corrosion leads to hazards such as releasing hazardous material from corroded pipelines and storage tanks and reinforcement concrete structures in civil engineering structures. This effect has subsequent dangers to the physical and human environment. To address these challenges, engineers use various methods of corrosion control. Such methods include a selection of anti-corrosive materials and coatings, cathodic protection applications, and corrosion inhibitors, all requiring corrosion knowledge. The market for corrosion protective coatings, a key mitigation strategy, was valued at USD 20.59 billion in 2023 and is projected to grow to USD 33.28 billion by 2030 at a CAGR of 7.4% ^[2].

Comprendre l'oxydation

L'oxydation est une réaction chimique primaire cruciale dans de nombreux processus naturels et industriels. Fondamentalement, l'oxydation implique le don ou le partage d'électrons avec d'autres espèces, avec une tendance générale à la perte d'électrons par une substance, souvent un métal, et au gain d'électrons par d'autres substances, généralement l'oxygène.

L'oxydation est un processus chimique général qui peut se produire indépendamment de la corrosion. Bien qu'elle puisse entraîner la corrosion des métaux, l'oxydation n'est pas toujours dommageable et peut être bénéfique, comme dans la formation de couches d'oxyde protectrices sur des métaux tels que l'aluminium.

Réaction chimique Processus d'oxydation

L'oxydation est un processus chimique au cours duquel un atome ou une molécule perd un ou plusieurs électrons. Ce processus implique généralement une réduction par laquelle une autre substance prend les électrons libérés ou perdus par la matière oxydée. Ces deux processus sont des réactions d'oxydoréduction (réduction-oxydation). L'équation suivante peut représenter la forme générale d'une réaction d'oxydation :

M→Mⁿ⁺+ne^–

Où M est le métal ou la substance qui subit l'oxydation. Mⁿ⁺ est la forme oxydée de la substance (un cation dans le cas des métaux).n représente le nombre d'électrons perdus. Par exemple, dans l'oxydation du fer, la réaction est la suivante :

Fe→Fe²⁺+2e^–

L'oxygène est généralement l'agent oxydant dans la plupart des processus d'oxydation. Cela signifie que c'est lui qui gagne les électrons que le métal ou toute autre substance perd. Cela peut conduire à la formation d'oxydes, tels que

4Fe+3O₂→2Fe₂O₃

Dans cette équation, le fer (Fe) réagit avec l'oxygène (O₂) pour former de l'oxyde de fer (Fe₂O₃), qui est la rouille.

Exemples courants d'oxydation dans la vie quotidienne

L'oxydation est un processus omniprésent qui se produit dans de nombreuses situations de la vie quotidienne et dont les effets sont souvent perceptibles :

Rouille du fer et de l'acier :

Lorsque le fer ou l'acier est exposé à l'oxygène et à l'humidité, il réagit pour former une substance brun rougeâtre appelée rouille, qui est principalement composée d'oxyde de fer. Il s'agit d'un cas typique d'oxydation conduisant à la destruction d'objets métalliques tels que des outils, des véhicules et des structures.

Ternissement de l'argent :

Les couverts et les ornements en argent sont d'autres produits qui peuvent devenir rouillés en raison de l'oxydation. En effet, lorsqu'il est exposé à l'air, l'argent réagit avec des composés sulfurés, ce qui entraîne la formation de sulfure d'argent, de couleur noire, qui adhère à la surface du métal.

2Ag+H₂S→Ag₂S+H₂

Différence entre l'oxydation et la corrosion

Il est essentiel de faire la différence entre l'oxydation et la corrosion, bien qu'elles soient souvent interchangeables. L'oxydation est un type de réaction chimique au cours de laquelle un composé perd des électrons, souvent en présence d'oxygène. Elle peut se produire dans les composés organiques et inorganiques. Il s'agit d'un processus plus large qui peut être utile, par exemple, dans le processus de combustion qui produit de l'énergie ou dans la formation de couches d'oxyde sur certains métaux comme l'aluminium.

D'autre part, la corrosion est la dégradation d'un matériau, en particulier des métaux, par action chimique avec le milieu environnant. Il est important de noter que si l'oxydation est un type de corrosion, par exemple la rouille du fer, il existe d'autres types de corrosion, notamment les effets des acides, des bases, de l'humidité et des sels. En outre, la corrosion est liée à des implications indésirables telles que la défaillance des matériaux, les pertes et les dangers potentiels. La connaissance de l'oxydation et de la corrosion est cruciale dans divers domaines d'application, car elle permet de trouver des moyens d'atténuer la détérioration des matériaux.

Principales différences et effets de l'oxydation et de la corrosion

Bien que l'oxydation et la corrosion soient liées, il s'agit de deux processus différents ayant des effets différents sur les matériaux. L'oxydation est un processus chimique au cours duquel une substance perd des électrons, généralement par l'intermédiaire de l'oxygène, et peut se produire dans les matériaux organiques et inorganiques. Il s'agit d'un processus plus étendu qui peut être constructif, comme dans les processus d'inflammation pendant la combustion ou la formation d'une couche d'oxyde sur des métaux comme l'aluminium.

Elle diffère toutefois de la corrosion. La corrosion est la détérioration des matériaux, en particulier des métaux, par interaction chimique avec leur environnement. Si l'oxydation est une forme de corrosion, comme la rouille du fer, la corrosion englobe d'autres types de réactions, notamment celles qui se produisent sous l'effet des acides, des bases, de l'humidité et des sels. La corrosion a généralement des effets néfastes qui entraînent une détérioration des matériaux, des pertes financières et des risques pour la sécurité et la santé. Il est essentiel de comprendre la différence entre l'oxydation et la corrosion dans de nombreux domaines d'étude, car cela contribue à la formulation de méthodes efficaces pour surmonter la détérioration des matériaux.

Qu'est-ce que la rouille ?

La rouille est un type de corrosion qui affecte le fer et les alliages apparentés comme l'acier. Il s'agit d'une matière floconneuse brun-rougeâtre qui se dépose à la surface du fer en raison d'une réaction chimique entre le fer, l'oxygène et l'humidité. La rouille est courante dans de nombreux usages industriels et quotidiens car elle nuit à la résistance et à l'esthétique des produits à base de fer.

Le processus de formation de la rouille

La formation de la rouille est un processus chimique qui se déroule en plusieurs étapes. La première étape comprend la formation d'oxydes de fer à l'aide d'eau et d'oxygène et l'oxydation du fer. Le processus général est le suivant :

Réaction d'oxydation

Le fer (Fe) perd des électrons et réagit avec l'oxygène (O₂) en présence d'eau (H₂O) pour former des ions fer(II) (Fe²⁺).

Fe→Fe²⁺+2e^–

Formation d'hydroxyde de fer : Les ions Fe²⁺ réagissent avec l'eau et l'oxygène pour former de l'hydroxyde de fer(II) (Fe(OH)₂).

Fe²⁺+2H₂O+O₂→Fe(OH)₂

Oxydation de l'hydroxyde de fer : L'hydroxyde de fer(II) s'oxyde ensuite pour former de l'hydroxyde de fer(III) (Fe(OH)₃).

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃

Formation de la rouille : L'hydroxyde de fer(III) se déshydrate pour former de l'oxyde-hydroxyde de fer(III) (FeO(OH)), communément appelé rouille. La rouille est un mélange complexe d'oxydes et d'hydroxydes de fer.

4Fe(OH)₂→Fe₂O₃ .3H₂O

Conditions qui conduisent à la rouille

La formation de rouille et d'autres facteurs dépendent de certains facteurs sous-jacents. Ces facteurs comprennent la disponibilité de l'humidité, l'exposition à l'oxygène et aux électrolytes, les conditions environnementales, la température et les contaminants présents à la surface.

L'eau est essentielle à la formation de la rouille car c'est un électrolyte. L'eau fournit un environnement propice aux réactions d'oxydation-réduction nécessaires à la formation de la rouille, une forte humidité ou une pluie directe étant plus dangereuses.

L'oxygène est également une condition essentielle à la formation de la rouille. Les zones bien aérées ou riches en oxygène, telles que les structures métalliques, les voitures et les machines, sont sujettes à la rouille. Le taux de rouille peut augmenter si l'on utilise des sels et des acides qui augmentent l'activité électrochimique du métal. Ce problème découle de l'utilisation de l'eau de mer pour améliorer la conductivité.

Par exemple, un environnement très acide accélère la formation de rouille car l'oxydation s'accélère dans des conditions acides (pH faible). Les conditions alcalines favorisent également la formation de rouille, mais moins vigoureusement que les conditions acides.

La température joue un rôle, car les températures élevées augmentent les taux de rouille en augmentant les taux de réactions chimiques. Toutefois, la rouille peut se produire à basse température en présence d'humidité et d'oxygène.

Enfin, d'un point de vue chimique, la contamination de la surface par des matériaux tels que la saleté ou l'huile entrave l'élimination de l'humidité du métal, exposant ainsi des zones localisées à la rouille.

Matériaux couramment affectés

Le fer, la fonte et l'acier allié sont les matériaux les plus couramment touchés par la rouille. Le fer est le plus vulnérable à la rouille car il forme une réaction chimique avec l'oxygène et l'humidité là où il est ouvert. L'acier au carbone est principalement constitué de fer, avec un faible pourcentage de carbone et d'autres éléments. Bien qu'il puisse également rouiller facilement, le carbone et ces éléments d'alliage peuvent augmenter le taux de rouille ou modifier les propriétés de la rouille. Chaque type de matériau en fer est capable de rouiller. Toutefois, le fer forgé rouille plus rapidement que l'acier ou la fonte, car cette dernière contient un pourcentage plus élevé de carbone et forme une rouille plus poreuse et floconneuse.

Les aciers alliés à faible teneur en carbone et à teneur moyenne en carbone offrent un certain niveau de protection contre la rouille, mais sont susceptibles de rouiller dans certaines circonstances. Les matériaux comme le chrome et l'acier inoxydable sont plus résistants en raison du film d'oxyde passif qui se forme à leur surface et qui empêche la formation de rouille.

Principales différences entre la corrosion, l'oxydation et la rouille

Conclusion

Il est essentiel de connaître les différences entre la corrosion, l'oxydation et la rouille pour protéger les infrastructures et les machines d'une usure prématurée. Les matériaux innovants, notamment les alliages d'acier inoxydable, d'aluminium et de titane, les revêtements protecteurs, les capteurs intelligents et les matériaux auto-cicatrisants, jouent un rôle essentiel dans la résolution de ces problèmes.

D'autres études visant à faire progresser la science de la corrosion comprennent le développement de la nanotechnologie, de l'intelligence artificielle dans la prédiction de la corrosion et des inhibiteurs verts. Ces matériaux sont essentiels à l'amélioration des propriétés des matériaux. Si ces industries continuent à parrainer et à soutenir ces innovations, elles pourront améliorer la protection des biens, minimiser les pertes et garantir la sécurité et la fiabilité de plusieurs applications.

Références

[1] NACE International – International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technologies (IMPACT) study http://impact.nace.org/economic-impact.aspx

[2] Grand View Research – Corrosion Protective Coatings Market Size Report, 2030; [3] Grand View Research – Corrosion Inhibitors Market Size, Share | Industry Report 2030 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/corrosion-protective-coatings-market