Corrosion des métaux
Corrosion des métaux
Lorsque le matériau métallique est en contact avec le milieu environnant, le matériau est détruit par action chimique ou électrochimique. La corrosion des métaux est un processus thermodynamique spontané, convertissant un métal à haute énergie en un composé métallique à faible énergie. Parmi eux, le phénomène de corrosion dans l'industrie pétrolière et pétrochimique est plus compliqué, notamment la corrosion électrochimique de la saumure, H2S et CO2.La nature de la plupart des processus de corrosion est électrochimique. Les propriétés électriques de l’interface métal/solution électrolyte (double couche électrique) sont largement utilisées dans les études des mécanismes de corrosion, la mesure de la corrosion et la surveillance de la corrosion industrielle. Les méthodes électrochimiques couramment utilisées dans la recherche sur la corrosion des métaux sont : le potentiel de circuit ouvert (OCP), la courbe de polarisation (tracé de Tafel), la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS).
1.Techniques d’étude de corrosion
1.1OCP
Sur une électrode métallique isolée, une réaction anodique et une réaction cathodique sont effectuées simultanément à la même vitesse, ce qu'on appelle la réaction de couplage de l'électrode. La réaction de couplage mutuel est appelée « réaction de conjugaison » et l’ensemble du système est appelé « système conjugué ». Dans le système conjugué, les réactions des deux électrodes s'intercouplent et lorsque les potentiels d'électrode sont égaux, les potentiels d'électrode ne varient pas avec le temps. Cet état est appelé « état stable », et le potentiel correspondant est appelé « potentiel stable ». Dans le système de corrosion, ce potentiel est également appelé « potentiel d’(auto)corrosion E ».corr», ou « potentiel de circuit ouvert (OCP) », et la densité de courant correspondante est appelée « densité de courant (d'auto)corrosion icorr». D'une manière générale, plus le potentiel de circuit ouvert est positif, plus il est difficile de perdre des électrons et d'être corrodé, ce qui indique que la résistance à la corrosion du matériau est meilleure.Le poste de travail électrochimique à potentiostat/galvanostat CS peut être utilisé pour surveiller le potentiel d'électrode en temps réel du matériau métallique dans le système pendant une longue période. Une fois le potentiel stabilisé, le potentiel en circuit ouvert du matériau peut être obtenu.
1.2 Courbe de polarisation (tracé Tafel)
Généralement, le phénomène selon lequel le potentiel de l'électrode s'écarte du potentiel d'équilibre lorsqu'un courant le traverse est appelé « polarisation ». Dans le système électrochimique, lorsque la polarisation se produit, le décalage négatif du potentiel d'électrode par rapport au potentiel d'équilibre est appelé « polarisation cathodique », et le décalage positif du potentiel d'électrode par rapport au potentiel d'équilibre est appelé « polarisation anodique ».Pour exprimer de manière complète et intuitive les performances de polarisation d'un processus d'électrode, il est nécessaire de déterminer expérimentalement le surpotentiel ou le potentiel d'électrode en fonction de la densité de courant, appelé « courbe de polarisation ».Le jecorrdu matériau métallique peut être calculé sur la base de l’équation de Stern-Geary.
B est le coefficient Stern-Geary du matériau, Rpest la résistance de polarisation du métal.
Principe pour obtenir jecorrpar la méthode d'extrapolation TafelLe logiciel Corrtest CS studio peut automatiquement s'adapter à la courbe de polarisation. La pente du tafel sur le segment anodique et le segment cathodique, c'est-à-dire bunet bcpeut être calculé.jecorrpeut également être obtenu. Sur la base de la loi de Faraday et en combinaison avec l'équivalent électrochimique du matériau, nous pouvons le convertir en taux de corrosion du métal (mm/a).
1.3 EIE
La technologie d'impédance électrochimique, également connue sous le nom d'impédance AC, mesure la variation de tension (ou de courant) d'un système électrochimique en fonction du temps en contrôlant le courant (ou la tension) du système électrochimique en fonction d'une variation sinusoïdale dans le temps. L'impédance du système électrochimique est mesurée, puis le mécanisme de réaction du système (milieu/film de revêtement/métal) est étudié et les paramètres électrochimiques du système de mesure d'ajustement sont analysés.Le spectre d'impédance est une courbe tirée des données d'impédance mesurées par un circuit de test à différentes fréquences, et le spectre d'impédance du processus d'électrode est appelé spectre d'impédance électrochimique. Il existe de nombreux types de spectre EIS, mais les plus couramment utilisés sont le tracé de Nyquist et le tracé de Bode.
2.Exemple d'expérience
En prenant comme exemple un article publié par un utilisateur utilisant la station de travail électrochimique CS350, une introduction concrète à la méthode du système de mesure de la corrosion des métaux est présentée.L'utilisateur a étudié la résistance à la corrosion du stent en alliage Ti-6Al-4V préparé par la méthode de forge conventionnelle (échantillon n° 1), la méthode de fusion sélective au laser (échantillon n° 2) et la méthode de fusion par faisceau d'électrons (échantillon n° 3). Le stent est utilisé pour l'implantation humaine, le milieu de corrosion est donc un fluide corporel simulé (SBF). La température du système expérimental doit également être contrôlée à 37℃.
Instrument:CS350 Potentiostat/galvanostat
Dispositif expérimental :Cellule de corrosion plate à gaine CS936, Etuve de séchage à température constante
Médicaments expérimentaux :Acétone, SBF, résine époxy durcissant à température ambiante
Milieu expérimental :Fluide corporel simulé (SBF) : NaCl-8.01, KCl-0.4, CaCl2-0,14,NaHCO3-0,35,KH2PO4-0,06, glucose -0,34, l'unité est : g/L
Spécimen (NOUS)Stent en alliage Ti-6Al-4V 20×20×2 mm,La zone de travail exposée est de 10×10 mmLa zone non testée est recouverte/scellée avec une résine époxy durcissant à température ambiante.
Électrode de référence (RE) :Électrode au calomel saturé
Contre-électrode (CE):Électrode de conductivité CS910 Pt
La cellule de corrosion plate gainée
2.1 Étapes de l'expérience et réglage des paramètres
2.1.1 PCO
Avant de tester. l'électrode de travail doit être polie de grossier à fin (360 mesh, 600 mesh, 800 mesh, 1000 mesh, 2000 mesh dans l'ordre) jusqu'à ce que la surface soit lisse. Après polissage, rincez-le à l'eau distillée puis dégraissez-le à l'acétone, mettez-le dans une étuve à température constante et séchez-le à 37℃ pour utilisation.Assemblez l’échantillon sur la cellule de corrosion, introduisez le fluide corporel simulé dans la cellule de corrosion et insérez l’électrode au calomel saturé (SCE) avec un pont salin dans la cellule de corrosion plate. Assurez-vous que la pointe du capillaire Luggin est face à la surface de l'électrode de travail. La température est contrôlée à 37℃ par circulation d'eau.
Relier les électrodes au potentiostat par le câble de la cellule.Expérience → polarisation stable → OCP
OCP
Vous devez saisir un nom de fichier pour les données, définir la durée totale du test et démarrer le test. L'OCP du matériau métallique dans la solution change lentement et il faut une période relativement longue pour rester stable. Il est donc suggéré de régler le temps à au moins 3 000 s.
2.1.2 Courbe de polarisation
Expérience → polarisation stable → potentiodynamique
Analyse potentiodynamique
Définissez le potentiel initial, le potentiel final et la vitesse de balayage, sélectionnez le mode de sortie potentiel comme « vs. OCP”.L'option « Utiliser » peut être cochée pour choisir le sommet E#1 et le sommet E#2. Si ce n'est pas coché, alors le scan ne passera pas par le potentiel correspondant.Il existe jusqu'à 4 points de consigne de potentiel de polarisation indépendants. Le balayage commence à partir du potentiel initial, jusqu'au « sommet E#1 » et au « sommet E#2 », et enfin jusqu'au potentiel final. Cochez la case « Activer » pour activer ou désactiver « Potentiel intermédiaire 1 » et « Potentiel intermédiaire 2 ». Si la case n'est pas cochée, l'analyse ne transmettra pas cette valeur et définira l'analyse potentielle sur la suivante.Il est à noter que la mesure de la courbe de polarisation ne peut être effectuée qu'à condition que l'OCP soit déjà stable. Habituellement, après 10 minutes de silence, nous ouvrirons la fonction stable d'OCP en cliquant sur ce qui suit :
→
Le logiciel démarrera automatiquement les tests une fois que la fluctuation potentielle sera inférieure à 10 mV/min.Dans cet exemple d'expérience, l'utilisateur a défini le potentiel -0,5 ~ 1,5 V (vs. OCP)Vous pouvez définir la condition pour arrêter ou inverser l'analyse. Ceci est principalement utilisé dans la mesure du potentiel de piqûre et la mesure de la courbe de passivation.
2.2 Résultats
2.2.1 PCO
Par test de potentiel en circuit ouvert, nous pouvons obtenir le potentiel de corrosion libreEcorr, à partir duquel nous pouvons juger de la résistance à la corrosion du matériau métallique. D'une manière générale, plus leEcorrc'est-à-dire que plus le matériau est corrodé.
1-OCP de stent en alliage Ti-6Al-4V préparé par la méthode conventionnelle de corroyage2- OCP de stent en alliage Ti-6Al-4V préparé par méthode de fusion sélective au laser3- OCP de stent en alliage Ti-6Al-4V préparé par méthode de fusion par faisceau d'électrons
À partir du graphique, nous pouvons conclure que la résistance à la corrosion des échantillons n°1 et 2 est meilleure que celle des échantillons n°3.
2.2.2 Analyse du tracé Tafel (mesure du taux de corrosion)
La polarisation de cette expérience est la suivante :
Comme indiqué, à partir de la valeur calculée du taux de corrosion, nous pouvons obtenir la même conclusion que celle obtenue par la mesure OCP. Le taux de corrosion est calculé par tracé de Tafel. Nous pouvons voir que les valeurs du taux de corrosion sont conformes à la conclusion obtenue par la méthode OCP.Sur la base du tracé de Tafel, nous pouvons obtenir la densité du courant de corrosionjecorrpar l’outil d’ajustement d’analyse intégré à notre logiciel CS studio. Ensuite, en fonction d'autres paramètres tels que la surface de l'électrode de travail, la densité du matériau, le poids équivalent, le taux de corrosion est calculé.
Les étapes sont :Importez le fichier de données en cliquant sur
Ajustement des données
Cliquez sur les informations sur la cellule. , et entrez la valeur en conséquence.
Si vous avez déjà défini les paramètres dans les paramètres de cellule et d'électrode avant le test, vous n'avez pas besoin de définir les informations sur la cellule. ici encore.Cliquez sur « Tafel » pour accéder au raccord Tafel. Choisissez le montage automatique Tafel ou le montage manuel pour les données du segment d'anode/segment de cathode, puis la densité de courant de corrosion, le potentiel de corrosion libre et le taux de corrosion peuvent être obtenus. Vous pouvez faire glisser le résultat de l'ajustement sur le graphique.
3. Mesure EIS
Expériences → Impédance → EIS vs fréquence
EIS vs fréquence
Analyse EIE
L'EIS de l'acier au carbone Q235 dans une solution à 3,5 % de NaCl est la suivante :
Tracé d'impédance en acier au carbone Q235 - Nyquist
Le tracé de Nyquist ci-dessus est composé de l'arc de capacité (marqué par le cadre bleu) et de l'impédance de Warburg (marquée par le cadre rouge). D’une manière générale, plus l’arc de capacité est grand, meilleure est la résistance à la corrosion du matériau.
Raccord de circuit équivalent pour les résultats EIS en acier au carbone Q235
Les étapes sont les suivantes :Dessinez le circuit équivalent de l'arc de capacité - utilisez le modèle dans « l'ajustement rapide » pour obtenir R1, C1, R2.Dessinez le circuit équivalent de la partie d'impédance de Warburg - utilisez le modèle dans « l'ajustement rapide » pour obtenir la valeur spécifique de Ws.Faites glisser les valeurs vers le circuit complexe → changez le type de tous les éléments pour qu'ils soient « Libre + » → cliquez sur AjusterD'après les résultats, nous constatons que l'erreur est inférieure à 5 %, ce qui indique que le circuit équivalent auto-défini que nous dessinons est conforme au circuit d'impédance de la mesure réelle. Le tracé de Bode est généralement conforme au tracé d'origine.
Bode : tracé d'ajustement par rapport au résultat de mesure réel
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