1) Definición.
Las fracturas por fatiga sucede cuando los componentes metálicos de una estructura fallan debido a que ven sometidas a un esfuerzo de tensión mecánico repetitivo de forma periódica o esfuerzos cíclicos; aplicados en un ambiente corrosivo, tal como el agua salada. (Generan Corrosión por fatiga) También puede venir provocadas (de forma más sutil) de manera indirecta por ciclos de tensión repetitivos en el tiempo, térmicamente inducidos en el componente. De acuerdo con esto, ocurrirá una rotura en el metal con esfuerzos considerablemente menores que la resistencia a la tracción del material. Generando variaciones entre solicitaciones a tracción y compresión compresión para la misma pieza.
Como más baja sea la resistencia mecánica del material, más pequeñas serán las tensiones necesarias para conducir a un proceso de fractura por fatiga. Los puntos de inicio de la fractura serán los más débiles estructuralmente, normalmente límites de grano expuestos, producidas por una muesca, o en parte corroídas a nivel microscópico. El efecto combinado entre ataque químico y esfuerzo mecánico lleva hacia el desarrollo de pequeñas fisuras o picaduras que se comportarán como concentradoras de tensiones originando grietas. La de propagación también aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivo también corroerá el interior de la grieta produciendo nuevos concentradores de tensión. Los recubrimientos con carácter frágil y facilidad para el resquebrajamiento, como los galvánicos, son frecuentemente la causa de una fractura por fatiga. Los esfuerzos que causan las fracturas provienen de trabajos en frío, soldadura, tratamiento térmicos, o bien, pueden ser aplicados en forma externa durante la operación del equipo. Las fracturas pueden seguir caminos Ínter cristalinos o transcristalinos que a menudo presentan una tendencia a la ramificación. La geometría de éste es de gran importancia dado que como más tensionada esté más favorece a la aparición de la corrosión por fatiga. Y el término corrosión por fatiga fue mencionado por primera vez en 1917 por B. P. Haigh
Fractura por corrosión bajo tensión
Corrosión por fatiga
Cuando la fatiga es con corrosión, se produce la reducción de la resistencia a fatiga debido a que son sometidos a esfuerzos periódicos o fragilizarse súbitamente y ser inoperativos (fragilidad por hidrógeno) más la presencia de un medio corrosivo, incluso la atmósfera normal afecta a algunos materiales siendo así el número de ciclos de vida menor, por culpa de este medio presente. Tendrá mucha influencia la frecuencia de ciclos de tensiones, teniendo más importancia esta influencia cuando las frecuencias son bajas, pues se consigue más tiempo para que actúe la corrosión, debido al mayor tiempo de contacto con el agente corrosivo. Se cree que la resistencia a fatiga se reduce por el agente corrosivo ya que los pequeños agujeros originados en la corrosión producen concentración de tensiones. La falla es de tipo transgranular (por dentro de granos) y no se muestran ramificaciones, las cuales, son características de fisuras que progresan entre bordes de granos del material. Las etapas finales de fatiga con corrosión son iguales a las de fatiga porque ese proceso es mecánico y no incide el agente corrosivo. También puede ir acompañado de ataques de picado. La mayoría de las aleaciones y las piezas que han estado sometidas a un fuerte trabajo en frío son susceptibles a este ataque, aunque el acero recocido puede también agrietarse cuando se le somete a condiciones difíciles. Es más fácil que el agrietamiento se produzca en soluciones calientes que en las frías. Pero afortunadamente el número de combinaciones aleación – corrosivo que causan este problema, son relativamente pocas. Sin embargo, hasta la fecha, este es uno de los problemas metalúrgicos más serios.
La fatiga por corrosión es la causa principal de fallas de las varillas de bombeo y de las sartas de perforación.
Ejemplo de la imagen: Corrosión por fatiga. Fisura por fatiga perpendicular a la superfície, en la cara exterior de un tubo de cobre
A lgun as de las cara
cterísticas de la corrosión de fractura por tensión, son las siguientes: a) Para que esta corrosión exista, se requiere un esfuerzo de tensión. b) Las fracturas se presentan quebradizas en forma macroscópica, mientras que las fallas mecánicas de la misma aleación, en ausencia de un agente corrosivo especifico, generalmente presentan ductibilidad. c) La corrosión por esfuerzos depende de las condiciones metalúrgicas de la aleación. d) Algunos medios ambientes específicos, generalmente causan fractura en una aleación dada. El mismo medio ambiente no causa fracturas en otras aleaciones. e) La corrosión por esfuerzo puede ocurrir en medios ambientes considerados no agresivos para una aleación dada, por ejemplo la velocidad de corrosión uniforme es baja hasta que se presenta una fractura. f) Largos periodos de tiempo, a menudo años, pueden pasar antes de que las fracturas sean visibles, pero entonces al presentarse, se propagan rápidamente con el resultado de una falla inesperada. g) La corrosión por esfuerzo, no está completamente entendida en la mayoría de los casos; sin embargo, en la actualidad se dispone de muchos datos para ayudar al ingeniero a evitar este problema. Por ello en la industria, a la hora de diseño y dimensionamiento de ciertas piezas se debe tener en consideración este fenómeno, así por ejemplo, atendiendo al coeficiente de seguridad para diseño en piezas agrietadas es: Cs
Vemos que:
Kic
Ki
Kic: el factor crítico de intensidad de tensiones. Ki: factor de intensidad de tensiones. En el cálculo para mecánica lineal de fractura se cambiará Kic por otro valor KicSCC (Fisuración por corrosión bajo tensión (SCC)) que tome en cuenta que la corrosión reducirá la resistencia del material. El daño producido por la corrosión por fatiga es mayor que la suma del daño causado por tensiones cíclicas y corrosión en forma separada. 2) Causas
Es la fractura que se produce en un material como consecuencia de la acción conjunta de un medio corrosivo y esfuerzo mecánico fluctuante en el tiempo. Existe un efecto conjunto de las tensiones cíclicas y del medio corrosivo. Este efecto conjunto conduce normalmente a la rotura de las capas pasivas que favorece la formación y el desarrollo de grietas. Natural del metal o aleación. Presencia de inclusiones en la superficie. Homogeneidad de su estructura. Tensiones residuales o aplicadas. Humedad. Grietas o defectos superficiales. Incrustaciones de óxidos o poros.
3) Etapas del Proceso.
La historia de una grieta que se desarrolla en un componente sometido a fatiga tiene típicamente tres etapas: una etapa de iniciación, una de propagación estable y finalmente una de propagación acelerada que conduce al fallo del componente. ESTADIO I: Iniciación Habitualmente en la superficie se encuentran zonas con altas cargas alternadas que producen deformaciones plásticas en los granos próximos a la superficie. Esta deformación se localiza en bandas persistentes de deslizamiento. Cuando un grano, situado en la superficie, deforma, se genera un escalón en dicha superficie, que inmediatamente se oxida.
Formación de extrusiones e intrusiones superficiales previas a la iniciación de una grieta
Una vez oxidada la superficie del escalón resulta imposible invertir la deformación en ese plano. La deformación en sentido contrario deberá acontecer en otro plano, que obviamente forma otro escalón que se oxida y se suprime la deformación en este nuevo plano. La repetición de este ciclo de deformación, oxidación y bloqueo acaba por formar protuberancias o entrantes en la superficie original del sólido que concentra tensiones. La situación se agrava y termina por aparecer una microgrieta a partir de estos defectos superficiales que se propaga a lo largo de las bandas persistentes de deslizamiento (formando 45º con la dirección de tracción). En este estadio la microgrieta tiene mucha dificultad para atravesar los bordes de grano, y a menudo, sólo consigue progresar un grano y ahí se detiene. Si la carga es algo más alta o con suficiente número de ciclos, reinicia la propagación en el grano adjunto. ESTADIO II: Propagación estable A medida que crece la grieta, pronto descubre que su dirección de crecimiento no es óptima y que su propagación requiere un menor trabajo si se orienta perpendicular al campo tractivo (modo I). Habitualmente la reorientación de la grieta ocurre cuando la microgrieta ha atravesado unos pocos granos en el material.
Reorientación de la grieta al modo I en el Estadio II de fatiga A partir de este momento su propagación es estable y se ajusta a una ley potencial de intensidad de tensiones, de acuerdo a la ley empírica que propusieron Paris y
Erdogan (1960):
Donde a es el tamaño de la fisura, N el número de ciclos y C y m son constantes que dependen del material y del medio ambiente. ∆KI es el rango del factor de intensidad de tensiones, calculado como: Kmax y K min son los valores máximo y mínimo respectivamente del factor de intensidad de tensiones durante un ciclo de tensión. Como se ha comentado en el capítulo anterior, dependen de la geometría de la probeta y de la longitud de la fisura. A medida que crece el tamaño de la grieta, si las tensiones alternantes son constantes, aumenta ∆KI y en consecuencia su velocidad de crecimiento: da/dN. ESTADIO III: Propagación acelerada Cuando la fisura alcanza un valor determinado conocido como tamaño crítico de fisura, la propagación se convierte en catastrófica: la pieza rompe por clivaje o por coalescencia de microcavidades. Este último estadio de la fatiga, en general, carece de interés: la velocidad de crecimiento es tan grande que el número de ciclos consumidos en el Estadio III apenas cuenta en la vida de la pieza.
Estadios de fatiga sobre un diagrama de Paris
Curva S-N
Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes. Los resultados se representan en un diagrama de tensión, S, frente al logaritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas. Los valores de S se toman normalmente como amplitudes de la tensión . Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor tensión, menor número de ciclos hasta rotura. En algunas aleaciones férreas y en aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N, es decir, existe una tensión límite, denominada límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá.
Curva S-N representativa
Suele decirse, de manera muy superficial, que muchas de las aleaciones no férreas (aluminio, cobre, magnesio, etc.) no tienen un límite de fatiga, dado que la curva S-N continúa decreciendo al aumentar N. Según esto, la rotura por fatiga ocurrirá independientemente de la magnitud de la tensión máxima aplicada, y por tanto, para estos materiales, la respuesta a fatiga se especificaría mediante la resistencia a la fatiga que se define como el nivel de tensión que produce la rotura después de un determinado número de ciclos. Sin embargo, esto no es exacto: es ingenuo creer que un material se romperá al cabo de tantos ciclos, no importa cúan ridículamente pequeña sea la tensión presente. En rigor, todo material cristalino (metales,...) presenta un límite de fatiga. Ocurre que para materiales como la mayoría de los férricos, dicho límite suele situarse en el entorno del millón de ciclos (para ensayos de probeta rotatoria), para tensiones internas que rondan 0,7-0,45 veces el límite elástico del material; mientras que para aquellos que se dicen sin límite de fatiga, como el aluminio, se da incluso para tensiones muy bajas (en el alumnio, de 0,1-0,2 veces dicho límite), y aparece a ciclos muy elevados (en el aluminio puede alcanzar los mil millones de ciclos; en el titanio pueden ser, según aleaciones, cien
millones de ciclos o incluso, excepcionalmente el billón de ciclos). Como en general no se diseñan máquinas ni elementos de manera que las máximas tensiones sean de 0,1-0,2 veces el límite elástico del material, pues en ese caso se estarían desaprovechando buena parte de las capacidades mecánicas del material, y como tampoco se suele diseñar asumiendo valores de vida por encima del millón de ciclos, en la práctica este tipo de materiales no van a poder presentar su límite de fatiga, aunque sí lo tienen.
Esta confusión surge de la propia naturaleza de las curvas S-N de Wöhler, que fueron concebidas en el siglo XIX para los aceros. Al ampliarse el tipo de materiales metálicos usuales en ingeniería, los mismos conceptos y las mismas curvas se trasladaron a otros metales cuyo comportamiento a fatiga es esencialmente diferente (de hecho, es una característica propia de la fatiga la gran variabilidad de comportamientos que presenta en los distintos tipos de materiales). Y como quiera que el acero ha sido y es la piedra angular de la ingeniería, interesaba comparar las propiedades de los demás metales con respecto al mismo: es y era común que, al ensayar materiales, los ensayos se suspendieran una vez superado el millón de ciclos, considerando que no interesaba caracterizar materiales por encima de ese límite temporal. Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a fatiga de un material es la vida a fatiga Nf. Es el número de ciclos para producir una rotura a un nivel especificado de tensiones. Además, el conocimiento del comportamiento a fatiga no es igual en todos los materiales: el material mejor conocido, más ensayado y más fiable en cuanto a predicciones a fatiga es la familia de los aceros. De otros materiales metálicos de uso común como el aluminio, el titanio, aleaciones de cobre, níquel, magnesio o cromo, se dispone de menos información (decreciente ésta con la novedad de la aleación), aunque la forma de los criterios de cálculo a fatiga y de las curvas S-N parece regular, y es parecida a la de los de los aceros, y se considera que su fiabilidad es alta. Para materiales cerámicos, por el
contrario, se dispone de muy poca información, y de hecho, el estudio de la fatiga en ellos y en polímeros y materiales compuestos es un tema de candente investigación actual. En todo caso, existe una diferencia notable entre la teoría y la realidad. Esto conduce a incertidumbres significativas en el diseño cuando la vida a fatiga o el límite de fatiga son considerados. La dispersión en los resultados es una consecuencia de la sensibilidad de la fatiga a varios parámetros del ensayo y del material que son imposibles de controlar de forma precisa. Estos parámetros incluyen la fabricación de las probetas y la preparación de las superficies, variables metalúrgicas, alineamiento de la probeta en el equipo de ensayos, tensión media y frecuencia de carga del ensayo. Aproximadamente la mitad de las probetas ensayadas se rompen a niveles de tensión que están cerca del 25% por debajo de la curva. Esto suele asociarse a la presencia de fuentes de concentración de tensiones internas, tales como defectos, impurezas, entallas, ralladuras,..., que han permanecido indetectadas. Se han desarrollado técnicas estadísticas y se han utilizado para manejar este fallo en términos de probabilidades. Una manera adecuada de presentar los resultados tratados de esta manera es con una serie de curvas de probabilidad constante. Fatiga de bajo número de ciclos (oligofatiga) < Fatiga de alto número de ciclos >
ciclos.
ciclos.
Resistencia a la fatiga para diversos materiales.
Inicio y propagación de la grieta
El proceso de rotura por fatiga se desarrolla a partir del inicio de la grieta y se continúa con su propagación y la rotura final. Inicio
Las grietas que originan la rotura o fractura casi siempre nuclean sobre la superficie en un punto donde existen concentraciones de tensión (originadas por diseño o acabados, ver Factores). Las cargas cíclicas pueden producir discontinuidades superficiales microscópicas a partir de escalones producidos por deslizamiento de dislocaciones, los cuales actuarán como concentradores de la tensión y, por tanto, como lugares de nucleación de grietas. Propagación
Etapa I: una vez nucleada una grieta, entonces se propaga muy lentamente y, en metales policristalinos, a lo largo de planos cristalográficos de tensión de cizalladura alta; las grietas normalmente se extienden en pocos granos en esta fase. Etapa II: la velocidad de extensión de la grieta aumenta de manera vertiginosa y en este punto la grieta deja de crecer en el eje del esfuerzo aplicado para comenzar a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. La grieta crece por un proceso de enromamiento y agudizamiento de la punta a causa de los ciclos de tensión. Rotura
Al mismo tiempo que la grieta aumenta en anchura, el extremo avanza por continua deformación por cizalladura hasta que alcanza una configuración enromada. Se alcanza una dimensión crítica de la grieta y se produce la rotura. La región de una superficie de fractura que se formó durante la etapa II de propagación puede caracterizarse por dos tipos de marcas, denominadas marcas de playa y estrías. Ambas indican la posición del extremo de la grieta en diferentes instantes y tienen el aspecto de crestas concéntricas que se expanden desde los puntos de iniciación. Las marcas de playa son macroscópicas y pueden verse a simple vista. Las marcas de playa y estrías no aparecen en roturas rápidas. 4) Morfología del ataque
La morfología de estas fracturas es muy característica, aunque ocasionalmente pueden parecerse a una SCC , así que hay que examinar todas las circunstancias antes de clasificarlas. Normalmente son rectilíneas y perpendiculares a la superficie. Típicamente se encontraran cerca, otras fisuras paralelas a la primera. Nota: Fisuración por corrosión bajo tensión (SCC)
Un tipo de corrosión especialmente peligrosa de la corrosión es la fisuración por corrosión bajo tensión, stress corrosion cracking (SCC) en inglés o Spannungsriβkorrosion (SRK) en alemán.
Aparece súbitamente como una fractura frágil del componente, aunque normalmente en la zona de fractura no se pueda apreciar corrosión superficial. La SCC sólo puede tener lugar cuando se cumplan estas tres condiciones: El material debe tener una determinada composición. La superficie del componente debe estar bajo tensión (ya sea por trabajo externo de la pieza o tensiones internas). El material debe estar sometido a un tipo determinado de ataque La SCC acostumbra a afectar las aleaciones compuestas a partir de diferentes elementos de carácter noble, aunque a la práctica solo afecta de forma mayoritaria las aleaciones cobre-zinc (latones) . La SCC solo se ve activada en presencia de amoníaco o derivados de tipo amoniacal en presencia de oxigeno y humedad. En casos poco frecuentes también se pueden observar defectos por óxido nitroso o dióxido de azufre. Lamentablemente aun con sólo trazas de amoníaco se puede activar la reacción , y incluso los recubrimientos protectores sólo retrasan la aparición de ésta. Un material sometido a elevadas tensiones estructurales siempre será más susceptible a éste tipo de corrosión, así que normalmente se le aplica un tratamiento térmico (revenido, recocido relajador
5) Medidas preventivas.
PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN Un método para evitar la corrosión, es el de aislar la estructura metálica del medio corrosivo mediante un recubrimiento aislante o más estable, ante dicho medio, que el metal base. Estos tipos de protección se llaman protección pasiva. En la industria moderna, se usan muchos tipos de recubrimientos aislantes: resinas, asfalto, pinturas vinílicas, epoxi, al clorocaucho, etc. En todas ellas los valores de resistividad, flexibilidad, adherencia, punto de reblandecimiento, poder de absorción del agua, etc., juegan un papel importante en la selección de esta clase de protección. La protección pasiva es el sistema por el cual un metal se recubre por otro de mayor resistencia a la corrosión, o capaz de pasivarse fácilmente ante el medio que le rodea. Hay muchos métodos de lograrlo: electrolíticamente, por inmersión, por aspersión, etc. Para elegir el metal y método de recubrimiento, se han de tener en cuenta una serie de factores, entre los que son de considerar la porosidad del material de aportación y su comportamiento electroquímico frente al metal base. Otro método de protección anticorrosiva, el más importante, es la protección catódica. Realizaremos esta, convirtiendo la estructura metálica a proteger en el cátodo de una pila galvánica o circuito eléctrico. Esto lo haremos recurriendo a la serie electroquímica de los metales y escogiendo para actuar como ánodo un metal más electronegativo que el que tratamos de proteger (protección por ánodos desacrificio) o bien conectando la estructura al polo negativo de un generador de corriente continua, cuyo polo positivo introducimos en el electrolito en cuestión (protección por corriente impresa), mediante un ánodo que generalmente no se disuelve o sufre una disolución muy lenta. Con este método podemos comunicar a la estructura a proteger una tensión controlable en cualquier momento de la vida de la instalación. En la protección por ánodos de sacrificio, la corriente polarizante, la suministran los Ánodos que se desgastan en beneficio de la estructura (Cátodo) que permanece inalterable. Son diversos los materiales utilizados por Ánodos de Sacrificio, sin embargo, las aleaciones de Magnesio, Zinc y Aluminio son las más corrientes. El Magnesio sin alear no puede utilizarse en sistemas de protección catódica en agua de mar, debido a su rápido deterioro, aunque sí se emplean algunas de sus aleaciones. También se usan ciertas aleaciones de Aluminio, pero los Ánodos de Sacrificio más utilizados son los de Zinc, que no es necesario controlar y que, además, suministran una corriente continua y eficiente. Un imperante de este tipo de Ánodos es la pureza del metal
base; la composición debe de estar acorde con las especificaciones que actualmente hay al respecto. Otras maneras de protección están relacionadas con el diseño como por ejemplo: Minimizar o eliminar las cargas de fatiga, diseño adecuado de las piezas (sobre todo en las zonas de estrechamientos), evitar cambios bruscos de tensión, temperatura o presión, evitar tensiones internas... Para evitar la corrosión: Evitar la presencia de tensiones cíclicas Seleccionas bien el diseño de elemento críticos Evitar cambios bruscos de temperatura o de carga Eliminar vibraciones El tiempo más efectivo para prevenir la corrosión es durante el diseño Factores: - condiciones del medio - Aspectos Físicos: esfuerzos, soldaduras, uso - Métodos de prevención de la corrosión Selección: -Material -Método de prevención adecuado -Factor Económico Evitar entallas Utilizar encubrimientos de sacrificio (cinc, cadmio sobre acero) Proporcionar suficiente flexibilidad para reducir sobreesfuerzos debido a expansión térmica, vibración, choques y trabajo de la estructura o equipo.
6) Afectación desde el punto de vista económico, ambiental y de seguridad ECONÓMICO: COSTOS ……
-Reemplazo o reparación de maquinarias, equipos e instalaciones corroídas. -Mantenimiento preventivo. -Sobrediseño -Paralización de planta -Contaminación de productos. -Daños a equipos adyacentes. -Pérdida de eficiencia. -Interrupción en Comunicación AMBIENTAL: -Pérdida de recursos naturales: metales, minerales, combustibles usados en fabricación -Contaminación ambiental. -apariencia desagradable a la vista. SEGURIDAD: -Incendios, exposiciones, escape de productos tóxicos, pérdidas de vidas humanas
