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.

Elle contribue à garantir la durée de vie des matériaux, à minimiser les répercussions économiques négatives et à renforcer la sécurité dans divers domaines. Cette compréhension fournit aux industries des mesures et des stratégies visant à réduire le taux de dégradation des matériaux, améliorant ainsi la durabilité des composants critiques. Cela permet, en retour, de réduire les coûts de réparation et de remplacement. La mise en œuvre à l'échelle mondiale des meilleures pratiques en matière de prévention de la corrosion pourrait générer des économies significatives, estimées entre 15 et 35% du coût des dommages, soit entre $375 et $875 milliards de dollars US par an.^[1]. Il est essentiel de réguler ces phénomènes afin d’éviter des défaillances catastrophiques susceptibles de mettre des vies en danger dans des secteurs essentiels tels que la construction et les transports. De plus, ces connaissances sont à l’origine d’innovations, comme le développement de nouveaux matériaux résistants à la corrosion. Elles contribuent à la conception de produits de meilleure qualité et plus durables, car elles constituent un vecteur de changement.

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

Les effets de la corrosion se répercutent sur l'ensemble de la chaîne de valeur industrielle, dans la plupart, voire la totalité, des secteurs qui utilisent des métaux. L'impact de cette menace sur les économies est tel que les industries perdent plusieurs milliards de dollars chaque année à cause de la corrosion. Le coût mondial de la corrosion est estimé à $2,5 billions de dollars américains, soit l'équivalent de 3,4% du produit intérieur brut (PIB) mondial en 2013, certaines estimations suggérant qu'il dépasse désormais $3 billions de dollars américains par an.^[1]. Ces pertes comprennent les coûts d’entretien et de remplacement des ouvrages touchés par la corrosion, les pertes de production dues à la corrosion, ainsi que d’autres effets connexes. La détérioration de la sécurité, de la fiabilité et de la durabilité fait partie des conséquences de la corrosion. La corrosion peut entraîner la défaillance soudaine d’ouvrages, de moyens de transport et d’infrastructures telles que les ponts, les pipelines et les aéronefs. L’intégrité structurelle se détériore sous l’effet de la corrosion en raison du risque élevé de défaillance soudaine.

En ce qui concerne l'environnement physique, la corrosion entraîne des risques tels que le rejet de substances dangereuses provenant de canalisations et de réservoirs de stockage corrodés, ainsi que de structures en béton armé dans les ouvrages de génie civil. Cet effet comporte des dangers pour l'environnement physique et humain. Pour relever ces défis, les ingénieurs ont recours à diverses méthodes de lutte contre la corrosion. Ces méthodes comprennent notamment le choix de matériaux et de revêtements anticorrosion, la mise en œuvre de la protection cathodique et l’utilisation d’inhibiteurs de corrosion, autant de techniques qui nécessitent des connaissances approfondies en matière de corrosion. Le marché des revêtements anticorrosion, qui constitue une stratégie clé d’atténuation, était évalué à 20,59 milliards de dollars en 2023 et devrait atteindre 33,28 milliards de dollars d’ici 2030, avec un TCAC de 7,41 %. ^[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 – Étude « International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technologies » (IMPACT) http://impact.nace.org/economic-impact.aspx

[2] Grand View Research – Rapport sur la taille du marché des revêtements anticorrosion, 2030 ; [3] Grand View Research – Taille et parts de marché des inhibiteurs de corrosion | Rapport sectoriel 2030 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/corrosion-protective-coatings-market