Instability and bistability during the growth of a corrosion scale on metals and alloys

¹ Laboratoire de Recherches sur la Réactivité des Solides, U.A. 23 CNRS, Université de Bourgogne, BP 138, F21004 Dijon Cedex, France.
² Service de Chimie Physique II, Université Libre de Bruxelles, CP231, Campus Plaine, Bd du Triomphe, B1050 Bruxelles, Belgique.

Abstract

This paper summarizes the main results for the interpretation of the self organized corrosion scales observed in oxidation or sulfidation of some metals or alloys. It consists also of a reconsideration of the classical theoretical concepts used in Reactivity of Solids. It proposes new theoretical tools that have been fruitfully utilized in other topics : non linear and coupled processes, stability analysis and bifurcation theory. Some examples are developed, where the corrosion kinetics at high temperature are interpreted in term of chemical bistable system able to oscillate spontaneously and mechanochemical couplings are also taken into account. In according with experimental results, all these examples show that the uniform steady state can become unstable by bifurcation and can lead to the growth of stratified corrosion scales.

Résumé

Cet article résume les résultats essentiels d'une recherche sur la formation spontanée de strates durant l'oxydation ou la sulfuration de certains métaux et alliages. Cette étude est l’occasion d'une réflexion sur la démarche théorique utilisée classiquement en Réactivité des Solides et de la proposition de nouveaux outils déjà efficients dans d'autres domaines : processus non linéaires et couplages, analyse de stabilité, théorie des bifurcations. Quelques applications sont développées, où la cinétique de corrosion à haute température est interprétée en terme de système chimique bistable qui peut osciller spontanément. Les couplages mécanochimiques sont également pris en compte. Tous ces exemples montrent, en accord avec l'expérience, que l'état stationnaire uniforme peut devenir instable par bifurcation et conduire aux couches d’oxyde stratifiées.