Corrosion de l’Acier

1. Introduction : Qu'est-ce que la Corrosion ?

1.1 Définition et Nature Électrochimique

La corrosion est la dégradation d'un matériau métallique par réaction chimique ou électrochimique avec son environnement. Pour l'acier (alliage de fer et de carbone), la forme la plus courante est la formation de rouille, un mélange complexe d'oxydes et d'hydroxydes de fer hydratés.

La corrosion de l'acier dans les environnements aqueux (y compris l'humidité atmosphérique) est fondamentalement un processus électrochimique. Cela signifie qu'elle implique des transferts d'électrons entre différentes zones de la surface métallique, similaires à ce qui se passe dans une pile électrique.

Électrochimie

Branche de la chimie qui étudie les relations entre l'électricité et les réactions chimiques.

Oxydation

Perte d'électrons par une espèce chimique (ex: le fer métallique Fe se transformant en ions Fe\(^{2+}\)).

Réduction

Gain d'électrons par une espèce chimique (ex: l'oxygène O\(_2\) se transformant en ions hydroxyde OH\(^-\)).

1.2 Importance Économique et Sécuritaire

La corrosion a des conséquences économiques considérables :

• Coûts directs : Remplacement des pièces corrodées, application de systèmes de protection, réparations.
• Coûts indirects : Arrêts de production, pertes de produits, accidents, surdimensionnement initial des structures pour tenir compte de la perte de matière.

Au-delà de l'aspect économique, la corrosion non maîtrisée peut entraîner des ruptures structurales brutales, mettant en danger la sécurité des personnes et des biens (effondrement de ponts, rupture de pipelines, etc.). La gestion de la corrosion est donc un enjeu majeur en ingénierie.

2. Mécanismes Fondamentaux de la Corrosion Aqueuse

2.1 La Pile de Corrosion

Pour que la corrosion électrochimique de l'acier se produise, quatre éléments sont nécessaires, formant une "pile de corrosion" :

• Une Anode : Zone de la surface métallique où a lieu l'oxydation (dissolution du métal). C'est là que le métal "se corrode".
• Une Cathode : Zone de la surface métallique (ou d'un autre métal en contact) où a lieu la réduction d'une espèce présente dans l'environnement (souvent l'oxygène).
• Un Électrolyte : Milieu conducteur ionique (généralement de l'eau contenant des sels dissous) qui permet le transport des ions entre l'anode et la cathode. L'humidité atmosphérique condensée peut suffire.
• Une Connexion Électrique : Le métal lui-même assure la circulation des électrons libérés à l'anode vers la cathode.

Illustration du principe de la pile de corrosion.

2.2 Réactions Anodiques et Cathodiques

Sur une surface d'acier exposée à un électrolyte, des hétérogénéités (impuretés, différences de contraintes, variations d'aération) créent des zones anodiques et cathodiques.

• Réaction Anodique (Oxydation du Fer) : Le fer métallique perd des électrons et passe en solution sous forme d'ions ferreux (Fe\(^{2+}\)). \[ \text{Fe} \longrightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^- \]
• Réaction Cathodique (Réduction de l'Oxygène) : C'est la réaction la plus courante dans les milieux neutres ou alcalins (pH > 4) en présence d'oxygène dissous. L'oxygène capte les électrons arrivant de l'anode pour former des ions hydroxyde (OH\(^-\)). \[ \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \longrightarrow 4\text{OH}^- \] En milieu acide (pH < 4), la réaction cathodique principale est la réduction des ions hydrogène : \[ 2\text{H}^+ + 2e^- \longrightarrow \text{H}_2 \text{ (gaz)} \]

2.3 Rôle de l'Électrolyte et de l'Oxygène

La présence d'un électrolyte (eau + ions) est indispensable pour fermer le circuit ionique de la pile de corrosion. Plus l'électrolyte est conducteur (forte concentration en sels, comme les chlorures en bord de mer ou dus aux sels de déverglaçage), plus la corrosion est rapide. L'humidité relative de l'air est un facteur clé : la corrosion atmosphérique devient significative au-delà d'un seuil critique d'humidité (environ 60-80%, abaissé en présence de polluants).

L'oxygène est le "carburant" de la réaction cathodique dans la plupart des cas. Sa disponibilité influence directement la vitesse de corrosion. Les zones mieux aérées ont tendance à devenir cathodiques, tandis que les zones moins aérées (fond de fissure, sous un dépôt) deviennent anodiques (corrosion différentielle d'aération).

2.4 Formation de la Rouille

Les produits primaires des réactions anodique (Fe\(^{2+}\)) et cathodique (OH\(^-\)) réagissent ensuite entre eux et avec l'oxygène dissous pour former différents oxydes et hydroxydes de fer plus ou moins hydratés, qui constituent la rouille. Une réaction simplifiée globale est : \[ 4\text{Fe}^{2+} + \text{O}_2 + (4+2n)\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2(\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot n\text{H}_2\text{O}) + 8\text{H}^+ \] La rouille est un produit poreux, non adhérent et non protecteur (contrairement à la patine de certains aciers auto-patinables ou à la passivation de l'inox). Son volume est supérieur à celui du fer initial, ce qui peut générer des contraintes importantes (ex: éclatement du béton par corrosion des armatures).

Exemple de corrosion généralisée (rouille) sur acier.

3. Principaux Types de Corrosion de l'Acier

La corrosion ne se manifeste pas toujours de la même manière. On distingue plusieurs morphologies :

3.1 Corrosion Uniforme (Généralisée)

La perte de matière se produit de manière relativement homogène sur toute la surface exposée. C'est la forme la plus prévisible et souvent la moins dangereuse car la perte d'épaisseur peut être estimée et prise en compte dans le dimensionnement (surépaisseur de corrosion). Typique de l'acier au carbone en atmosphère rurale ou urbaine peu agressive.

3.2 Corrosion par Piqûres

Attaque très localisée, formant des cavités ou "piqûres" profondes dans le métal, tandis que le reste de la surface est peu ou pas attaqué. Dangereuse car difficile à détecter et peut entraîner une perforation rapide ou initier des fissures de fatigue ou de corrosion sous contrainte. Souvent causée par la rupture locale du film passif (pour les aciers inoxydables) en présence d'ions agressifs comme les chlorures (Cl\(^-\)).

Corrosion par piqûres : attaque localisée.

3.3 Corrosion Galvanique (Bimétallique)

Se produit lorsque deux métaux ou alliages de potentiels électrochimiques différents sont en contact électrique en présence d'un électrolyte. Le métal le moins noble (plus électronégatif, l'anode) se corrode préférentiellement, tandis que le métal le plus noble (la cathode) est protégé. Exemple classique : contact acier-cuivre ou acier-inox en milieu humide, l'acier (moins noble) se corrode rapidement près de la jonction. L'ampleur dépend de la différence de potentiel et du rapport des surfaces anode/cathode.

Corrosion galvanique accélérée de l'acier (anode) au contact du cuivre (cathode).

3.4 Corrosion Caverneuse (Crevice Corrosion)

Corrosion localisée se produisant dans des zones confinées (cavernes, fissures, sous des dépôts, sous des joints ou rondelles) où l'électrolyte est stagnant et l'accès à l'oxygène est limité. La zone confinée devient anodique par rapport à la surface extérieure mieux aérée (cathode), entraînant une dissolution intense du métal dans la crevasse.

3.5 Corrosion sous Contrainte (CSC)

Fissuration progressive du métal résultant de l'action combinée d'une contrainte de traction (appliquée ou résiduelle) et d'un environnement corrosif spécifique (ex: présence de chlorures, nitrates, H\(_2\)S pour certains aciers). Peut conduire à une rupture brutale sans déformation plastique visible.

3.6 Corrosion par Érosion / Abrasion

Accélération de la corrosion due à l'action mécanique d'un fluide en mouvement rapide (érosion) ou de particules solides en suspension (abrasion) qui enlèvent les produits de corrosion ou le film protecteur, exposant continuellement du métal neuf à l'attaque.

3.7 Corrosion Microbiologique (MIC)

Corrosion influencée par la présence et l'activité de micro-organismes (bactéries, champignons) qui modifient localement les conditions physico-chimiques à la surface du métal (production d'acides, de sulfures, consommation d'oxygène...). Peut causer des attaques localisées sévères.

4. Facteurs Influant sur la Corrosion

La vitesse et le type de corrosion dépendent d'un grand nombre de facteurs interdépendants.

4.1 Environnement (Atmosphère, Immersion, Sol)

Corrosion Atmosphérique

• Humidité Relative (HR) : Facteur clé. Un film d'eau liquide doit être présent. Le seuil critique est vers 60-80% HR, mais il baisse en présence de polluants. La durée d'humectation est importante.
• Polluants :
  • Dioxyde de soufre (SO\(_2\)) : Principalement en zones industrielles, forme de l'acide sulfurique qui accélère fortement la corrosion.
  • Chlorures (Cl\(^-\)) : En zones marines (embruns) ou dus aux sels de déverglaçage. Très agressifs, favorisent la corrosion localisée (piqûres).
  • Poussières : Peuvent retenir l'humidité et contenir des sels.
• Température : Accélère généralement les réactions chimiques, mais peut aussi réduire l'humidité relative.
• Normes de classification : L'ISO 9223 définit des catégories de corrosivité atmosphérique (C1 à C5, CX) basées sur l'humidité, la pollution par SO\(_2\) et les chlorures.

Corrosion par Immersion (Eau douce, Eau de mer)

• Teneur en Oxygène dissous : Essentielle pour la réaction cathodique.
• pH : La corrosion est plus rapide en milieu acide.
• Salinité (Conductivité) : L'eau de mer (riche en NaCl) est beaucoup plus corrosive que l'eau douce.
• Température : Influence la solubilité de l'oxygène et la vitesse des réactions.
• Vitesse de l'eau : Peut amener l'oxygène (accélération) ou causer de l'érosion-corrosion.
• Présence d'autres espèces : CO\(_2\), H\(_2\)S, bactéries...

Corrosion dans le Sol

• Résistivité du sol : Un sol de faible résistivité (humide, argileux, salin) est plus corrosif car il favorise la circulation des courants de corrosion.
• pH : Les sols acides sont plus agressifs.
• Teneur en eau et Aération : Influencent la disponibilité de l'électrolyte et de l'oxygène. L'hétérogénéité d'aération crée des piles.
• Présence de sels : Chlorures, sulfates.
• Activité microbiologique.

4.2 Composition et État de Surface de l'Acier

• Composition chimique : Les aciers au carbone standard sont sensibles. L'ajout d'éléments d'alliage (chrome, nickel, molybdène...) améliore la résistance (aciers auto-patinables, aciers inoxydables).
• Microstructure : Traitements thermiques, écrouissage.
• État de surface : Une surface rugueuse, contaminée (graisse, calamine), ou présentant des défauts est plus susceptible de s'amorcer à la corrosion. La présence de calamine (oxydes formés à chaud) peut créer des piles galvaniques avec l'acier sous-jacent.
• Contraintes résiduelles : Issues du formage, soudage, peuvent favoriser la CSC.

4.3 Conception Géométrique de la Structure

• Zones de rétention d'eau : Formes favorisant l'accumulation d'eau, de poussières, de débris (angles rentrants, surfaces horizontales mal drainées, fonds de réservoirs...).
• Zones confinées (crevasses) : Joints boulonnés, assemblages soudés avec défauts, contacts entre pièces... favorisent la corrosion caverneuse.
• Contact bimétallique : Assemblage de métaux différents sans isolation électrique.
• Accès pour l'inspection et la maintenance : Une conception qui rend difficile l'accès pour peindre ou inspecter favorise la corrosion non détectée.
• Utiliser des profils ouverts plutôt que fermés si possible.

4.4 Température et Autres Facteurs

En général, une augmentation de température accélère les processus électrochimiques de corrosion (dans la limite où elle ne supprime pas l'électrolyte par évaporation). D'autres facteurs comme les contraintes mécaniques cycliques (fatigue-corrosion) peuvent aussi interagir avec la corrosion.

5. Conséquences de la Corrosion sur les Structures

5.1 Réduction de la Section Résistante

La conséquence la plus directe de la corrosion (surtout uniforme ou par piqûres) est la perte de matière, qui réduit la section transversale des éléments porteurs (poutres, poteaux, câbles...). Cette réduction diminue leur capacité à reprendre les efforts (traction, compression, flexion).

5.2 Perte de Résistance et de Ductilité

Au-delà de la simple perte de section, la corrosion peut altérer les propriétés mécaniques intrinsèques de l'acier restant. La formation de piqûres ou de fissures de corrosion agit comme des concentrateurs de contraintes, pouvant amorcer des ruptures fragiles, notamment en fatigue ou sous contrainte (CSC). La ductilité (capacité à se déformer plastiquement avant rupture) peut également être réduite.

5.3 Dégradation Esthétique

La rouille est inesthétique (coulures, cloquage des peintures, aspect dégradé) et peut nuire à l'image et à la valeur de l'ouvrage.

5.4 Risques pour la Sécurité

Dans les cas les plus graves, la corrosion non contrôlée peut conduire à la rupture d'éléments structuraux et à l'effondrement partiel ou total de la structure, avec des conséquences potentiellement dramatiques pour la sécurité des usagers.

Exemple (schématique) de risque d'effondrement lié à la corrosion avancée.

6. Méthodes de Prévention et de Protection

La lutte contre la corrosion repose sur une approche multi-niveaux, combinant différentes stratégies dès la conception et tout au long de la vie de l'ouvrage.

6.1 Choix du Matériau

• Aciers auto-patinables (type Corten) : Contiennent de faibles additions de cuivre, chrome, nickel... qui permettent la formation, sous certaines conditions d'alternance humidité/séchage, d'une couche de rouille adhérente, compacte et protectrice (la "patine"). Limite la progression de la corrosion ultérieure. Aspect esthétique particulier (brunâtre).
• Aciers inoxydables : Contiennent au moins 10.5% de chrome (et souvent du nickel, molybdène...). Le chrome forme une couche passive d'oxyde de chrome très fine, adhérente et auto-réparante qui protège l'acier de la corrosion généralisée. Différentes nuances existent selon l'agressivité du milieu (sensibilité aux piqûres par chlorures). Coût plus élevé.
• Autres alliages : Dans des cas très spécifiques.

6.2 Conception Anti-Corrosion

Adapter la géométrie de la structure pour minimiser les risques :

• Éviter les zones de rétention d'eau et de débris (pentes, trous d'évacuation...).
• Supprimer ou sceller les crevasses et interstices.
• Assurer une bonne ventilation des zones confinées.
• Isoler électriquement les métaux de potentiels différents (joints isolants, rondelles...).
• Prévoir un accès facile pour l'inspection et la maintenance (peinture...).
• Utiliser des profils ouverts plutôt que fermés si possible.

6.3 Revêtements Protecteurs

Interposer une barrière entre l'acier et l'environnement corrosif. C'est la méthode de protection la plus courante pour l'acier au carbone.

• Peintures : Systèmes multicouches (primaire anticorrosion + couches intermédiaires + couche de finition). Le primaire contient des pigments inhibiteurs ou assure une protection par effet barrière. La finition protège des UV et donne l'aspect esthétique. La préparation de surface (décapage par grenaillage ou chimique) est cruciale pour l'adhérence et la performance. La durabilité dépend du système, de l'environnement et de la qualité de l'application (norme ISO 12944).
• Métallisation (Shoopage) : Projection à chaud de zinc ou d'aluminium fondu sur une surface préalablement décapée. Crée une couche métallique protectrice (effet barrière et protection galvanique). Souvent complétée par une peinture (système duplex).
• Galvanisation à chaud : Immersion des pièces en acier dans un bain de zinc fondu (~450°C). Forme un revêtement d'alliages zinc-fer et de zinc pur, très adhérent et offrant une excellente protection (barrière + galvanique). Très durable. Limitée par la taille des bains.
• Autres revêtements : Électrozingage, revêtements organiques épais, émaillage...

Exemples de revêtements protecteurs.

6.4 Protection Cathodique

Principe : Rendre la structure métallique entièrement cathodique par rapport à une anode externe, empêchant ainsi sa dissolution (oxydation). Utilisée principalement pour les structures immergées (pipelines, coques de navires, plateformes offshore) ou enterrées.

• Par anodes sacrificielles : Connexion électrique de la structure à protéger avec un métal moins noble (anode en zinc, aluminium ou magnésium) qui se corrodera préférentiellement. Simple mais durée de vie limitée des anodes.
• Par courant imposé : Connexion de la structure à la borne négative d'un générateur de courant continu, la borne positive étant reliée à une anode inerte (ex: graphite, titane platiné). Permet de protéger de grandes surfaces mais nécessite une source d'énergie et un contrôle régulier.

6.5 Inhibiteurs de Corrosion

Substances chimiques ajoutées en faible quantité à l'électrolyte (ex: dans les circuits de refroidissement) ou incorporées dans les revêtements (pigments inhibiteurs dans les primaires) qui ralentissent les réactions de corrosion en agissant sur les processus anodiques ou cathodiques, ou en formant un film protecteur.

7. Inspection, Diagnostic et Réparation

7.1 Méthodes d'Inspection et de Détection

• Inspection visuelle : Méthode de base pour détecter la rouille, le cloquage des peintures, les déformations. Peut être complétée par des outils simples (marteau pour sonder, grattoir).
• Mesure d'épaisseur résiduelle : Par ultrasons pour évaluer la perte de matière due à la corrosion.
• Contrôle des revêtements : Mesure d'épaisseur, test d'adhérence (quadrillage, traction), détection de porosité (holiday detector).
• Mesures électrochimiques : Mesure de potentiel pour évaluer le risque de corrosion ou l'efficacité d'une protection cathodique.
• Essais non destructifs (END) : Magnétoscopie, ressuage, radiographie pour détecter des fissures (CSC, fatigue-corrosion).

7.2 Préparation des Surfaces Corrodées

Étape fondamentale avant toute réparation ou application d'un nouveau revêtement. Vise à enlever la rouille, l'ancienne peinture non adhérente, les contaminants (sels, graisses).

• Préparation manuelle/mécanique : Brossage, grattage, piquage, ponçage. Moins efficace, souvent pour petites surfaces ou retouches.
• Décapage par projection d'abrasif (grenaillage, sablage) : Méthode la plus efficace pour obtenir un état de surface propre et rugueux favorisant l'adhérence. Différents degrés de soin (Sa 1 à Sa 3 selon ISO 8501-1).
• Décapage chimique : Utilisation de décapants ou de convertisseurs de rouille.
• Décapage à l'eau sous très haute pression (UHP).

Le degré de préparation requis dépend du système de protection à appliquer.

7.3 Techniques de Réparation et de Renforcement

• Remplacement des éléments : Si la corrosion est trop avancée, le remplacement complet de la pièce peut être nécessaire.
• Renforcement : Ajout de nouvelles pièces (plats, cornières...) soudées ou boulonnées pour compenser la perte de section.
• Rechargement par soudage : Dépôt de métal d'apport pour reconstituer la section (moins courant sur structures).
• Application d'un nouveau système de protection : Après préparation de surface adéquate.

8. Conclusion

La corrosion de l'acier est un processus naturel mais potentiellement destructeur pour les structures métalliques. Sa compréhension passe par l'appréhension de ses mécanismes électrochimiques et des nombreux facteurs qui l'influencent, liés à la fois au matériau, à l'environnement et à la conception de l'ouvrage.

Si la corrosion ne peut être totalement éliminée, elle peut être efficacement maîtrisée par des stratégies de prévention adaptées : choix judicieux des matériaux, conception évitant les pièges à corrosion, et surtout application de systèmes de protection performants (revêtements, protection cathodique). Une inspection régulière et une maintenance planifiée sont ensuite indispensables pour garantir la durabilité de la protection et intervenir avant que la dégradation ne devienne critique.

La gestion de la corrosion est un aspect incontournable de l'ingénierie des structures métalliques, garantissant non seulement leur pérennité économique mais aussi et surtout la sécurité des usagers.