6.5 Corrosión asistida mecánicamente
Las fuerzas mecánicas (por ejemplo, fuerzas de tracción o compresión) generalmente generalmente tendrán efectos mínimos sobre la corrosión general de los metales y las tensiones de compresión incluso reducen la susceptibilidad de los metales a agrietarse. De hecho, el shot peening se usa a menudo para reducir la susceptibilidad de los materiales metálicos a la fatiga, el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) y otras formas de agrietamiento. Sin embargo, una combinación combinación de tensiones de tracción y un entorno corrosivo específico es una de las causas más importantes del agrietamiento catastrófico de las estructuras metálicas metálicas.. Los SCC y otros tipos de grietas ambientales son también las formas más insidiosas de corrosión porque las grietas ambientales son microscópicas en sus primeras etapas de desarrollo. En muchos casos, no son evidentes en la superficie expuesta mediante un examen visual normal, y solo se pueden detectar mediante examen microscópico con un microscopio óptico o un microscopio electrónico de barrido. A medida que el craqueo penetra más en el material, eventualmente reduce la sección eficaz de soporte al punto donde la estructura falla por sobrecarga o, en el caso de recipientes y tuberías, se produce un escape (filtración) del líquido o gas contenido. El agrietamiento suele ser intergranular (intercristalino) como se muestra en la figura 6.44 o transgranular (transcristalino) como se ilustra en la figura 6.45. Ocasionalmente, se observan ambos tipos de fisuración en caso de falla. Las grietas intergranulares siguen los límites de grano en el metal. Las grietas transgranulares cruzan los granos sin tener en cuenta los límites del grano. La morfología de las grietas puede cambiar cuando el mismo material está expuesto a diferentes entornos. Las fallas no son necesariamente el resultado de cargas o tensiones de ingeniería comúnmente aplicadas. aplicadas. Sin embargo, estas cargas tienen que agregarse a las tensiones residuales invisibles ya presentes en una estructura debido a diversas fuentes, como procesos de fabricación (por ejemplo, embutición profunda, punzonado, laminado de tubos en placas tubulares, desajuste en remachado, hilado, soldadura, etc. ) Las tensiones residuales se mantendrán en una estructura a menos que se reine o se alivie térmicamente después de la fabricación, una práctica que se vuelve cada vez más impráctica a medida que el sistema se agranda.
o más complejo. El enfriamiento a partir de las altas temperaturas requeridas también puede inducir tensiones internas debido a un enfriamiento no uniforme. De hecho, un enfriamiento lento y controlado es un requisito previo para un alivio efectivo de la tensión. Otra fuente de estrés puede provenir de productos de corrosión como corrosión general u otras formas de corrosión pueden acumularse entre las superficies de apareamiento y, debido a que ocupan mucho más volumen que el metal del que se producen, g eneran tensiones suficientes para causar SCC. En el ejemplo qu e se muestra en la figura 6.46, la humedad al trabajar la barra de hierro en combinación con la corrosión galvánica debido al contacto con el soporte de bronce causó suficiente acumulación de óxido para gener ar altas tensiones e inducir SCC.
6.5.1 Agrietamiento por corrosión por estrés No es raro que las grietas crecientes se consideren aceptables (figura 6.47) siempre que sean sustancialmente menores que un tamaño de grieta crítico [Fig. 6.47 (a) y Eq. (6.11)] y pueden repararse en el siguiente apagón o apagado. A menos que durante una inspección se descubra que la tasa de crecimiento de grietas podría terminar en una falla antes de la próxima interrupción (con algún factor de seguridad), generalmente no se toman medidas correctivas [37].
El SCC es un proceso químico-mecánico que conduce al agrietamiento de ciertas aleaciones con tensiones por debajo de sus resistencias a la tracción. Se requiere una aleación susceptible, el entorno químico apropiado, más una resistencia a la tracción duradera. Es probable que no haya sistemas de aleación que sean completamente inmunes al SCC en todos los entornos. Generalmente, hay un período de inducción, durante el cual el craqueo se nuclea a un nivel microscópico. Este período de latencia puede ser bastante largo (por ejemplo, muchos meses o años) antes de pasar a la etapa de propagación. La Tabla 6.4 enumera algunos entornos en los que se ha observado SCC para al menos algunas aleaciones de los sistemas enumerados. Esta lista no implica que todas las aleaciones de un material determinado sean igualmente susceptibles, o que no haya ninguna en la clase que pueda ser inmune a los entornos enumerados. El SCC es un proceso anódico, un hecho que se puede verificar utilizando la protección catódica como una medida correctiva efectiva. SCC ocasionalmente puede conducir a la corrosión por fatiga, o al revés. Por lo general, la verdadera naturaleza de las grietas se puede identificar por la morfología de las grietas observadas. En una falla por SCC generalmente hay poca pérdida de metal debido a la corrosión general. Por lo tanto, la falla de un perno de tensión oxidado hasta que finalmente no puede sostener la carga aplicada no se clasifica como SCC.
Sin embargo, si los productos de la corrosión general quedan atrapados con el fin de ejercer presión en una estructura, pueden causar SCC. La idea, una vez prevalente, de que solo las aleaciones y los metales puros no son susceptibles a SCC es posiblemente correcta. La pregunta es: "¿Qué tan puro es puro?" Se informa que el cobre que contiene 0,004 por ciento de fósforo o 0,01 por ciento de antimonio es susceptible a SCC en ambientes que contienen iones basados en amoniaco. Se produjo una fisuración en un acero descarburado que contiene menos del 0,01 por ciento de carbono, pero que aún contiene pequeñas cantidades de manganeso, azufre y silicio en una solución de nitrato de amonio en ebullición. SCC se ha producido en titanio comercial que contiene, entre otros componentes, 60 0 ppm de oxígeno y 100 ppm de hidrógeno. Por lo tanto, la idea de que un material determinado no puede fallar por SCC porque es comercialmente puro no es correcto [21]. El SCC transgranular progresa mediante un ataque subsuperficial localizado en el que un camino angosto se corroe al azar a través de los granos sin ningún efecto aparente del límite del grano en la dirección de la grieta. El SCC transgranular puede ocurrir durante el SCC de aceros inoxidables austeníticos y menos comúnmente durante el SCC de aceros de baja aleación. También puede ocurrir en el SCC de las aleaciones de cobre en ciertos medios (por ejemplo, amoníaco). Raramente ocurre en aleaciones de aluminio. 6.5.2 Fatiga por corrosión La fatiga es la falla de un metal al agrietarse cuando está sometido a estrés cíclico. El caso habitual implica tensiones rápidamente fluctuantes que pueden estar muy por debajo de la resistencia a la tracción. A medida que aumenta el estrés, disminuye la cantidad de ciclos necesarios para causar fracturas. Para aceros, usualmente hay un nivel de estrés por debajo del cual no ocurrirá ninguna falla, incluso con un número infinito de ciclos, y es to se denomina límite de resistencia. En la práctica, el límite de resistencia se define como el nivel de estrés por debajo del cual no ocurre falla en un millón de cicl os. Una curva típica de fatiga de curva S-N, comúnmente conocida como curva S-N, se obtiene representando el número de ciclos requeridos para causar una falla contra el máximo esfuerzo cíclico aplicado.
Cuando un metal está sometido a esfuerzos cíclicos en un ambiente corrosivo, la cantidad de ciclos requeridos para causar fallas en un esfuerzo dado puede reducirse b astante por debajo de la línea punteada obt enida para el mismo metal en el aire que se muestra en la figura 6.48. Esta aceleración de la fatiga llamada "fatiga por corrosión" se revela al comparar la línea continua en la figura 6.48 con la referencia de la línea punteada. La curva sólida indica que la vida del metal bajo tales condiciones puede ser mucho más baja que la curva de referencia establecida en el aire. La curva S-N con corrosión tiende a seguir cayendo, incluso a bajas tensiones, y por lo tanto no se nivela, como lo hará la cu rva de fatiga ordinaria. Puede producirse una marcada disminución o eliminación del límite de resistencia incluso en un entorno levemente corrosivo, especialmente en el caso de una aleación protegida contra película. Por ejemplo, agua desionizada, que ordinariamente
producirá solo el crecimiento de la película en una aleación de aluminio en la cual está sumergido, reducirá apreciablemente el límite de resistencia de la misma aleación sometida a esfuerzos cíclicos. Esto se debe a que las inversiones de tensión causan el agrietamiento repetido de la película protectora de la superficie, y esto permite el acceso del agua al metal desprotegido a continuación con la consiguiente corrosión. Las fallas que ocurren en las estructuras vibratorias (por ejemplo, cables tensores o cables trenzados) expuestas a la intemperie bajo tensiones por debajo del límite de resistencia generalmente son causadas por la fatiga por corrosión. La fatiga por corrosión también se ha observado en las calderas de vapor, debido a las tensiones alternas causadas por el ciclo térmico (figura 6.49). La industria del petróleo encuentra regularmente problemas importantes con la fatiga por corrosión en la producción de petróleo. La exposición de tubos de perforación y de varillas de bombeo a salmueras y crudos ácidos encontrados en muchas áreas productoras resulta en fallas que son costosas tanto desde el punto de vista del reemplazo de equipos como de la pérdida de producción durante el tiempo requerido para "pescar" y volver a regrilar.
Para los sistemas de tensión uniaxial, habrá una serie de grietas paralelas que son perpendiculares a la dirección de la tensión principal. Las cargas de torsión tienden a producir un sistema de grietas entrecruzadas a aproximadamente 45 ° del eje de torsión. Las grietas por fatiga por corrosión que se encuentran en las tuberías sometidas a ciclos térmicos generalmente muestran un patrón formado por grietas circunferenciales y longitudinales. 6.5.3 Corrosión de fricción La corrosión por fricción se refiere al daño por corrosión en las asperezas de las superficies de contacto (Fig. 6.50). Este daño se induce bajo carga y en presencia de un movimiento de superficie relativo repetido, como se induce, por ejemplo, por vibración. Los pozos o surcos y restos de óxido caracterizan
FIGURA 6.49 (a) Aspecto recibido de la sección del tubo de la caldera con falla de grietas. Tenga en cuenta los restos de soldadura por puntos a la correa en la parte posterior del tubo y que la parte superior del tubo está marcada para establecer la orientación; (b) Primer plano de la superficie de ID de la sección de tubo fallida que muestra una banda de numerosas grietas parciales paralelas a través de la pared en línea con una grieta de pared pasante (flecha). (Ampliación 2 × original); (c) Fotomicrografía que muestra como muestra metalográfica longitudinal pulida a través del área agrietada en la sección de tubo fallido. Las grietas se originan en la superficie de ID. Observe las grietas sin raya, en forma de cuña o aguja, típicas de la fatiga por corrosión. La línea negra débil cerca de la parte inferior de la foto es una inclusión no relacionada con la falla. (Aumento de 125 × originales) (Cortesía de Corrosion Testing Laboratories, Newark, Delaware, EE. UU.).
este daño, que se encuentra típicamente en maquinaria, conjuntos atornillados y cojinetes de bolas o rodillos. Las superficies de contacto expuestas a la vibración durante el transporte están expuestas al riesgo de corrosión por fricción. El daño puede ocurrir en la interfaz de dos superficies altamente cargadas que no están diseñadas para moverse una contra la otra. El tipo de fricción más común es causado por la vibración. La película protectora en las superficies metálicas se elimina mediante la acción de fricción y expone el metal fresco y activo a la acción corrosiva de la atmósfera. Las condiciones necesarias para la aparición del desgaste son (1) la interfaz debe estar bajo carga, y (2) el movimiento vibratorio u oscilatorio de pequeña amplitud debe provocar que las superficies golpeen o f roten juntas. Los resultados de la fricción son los siguientes: 1. Pérdida de metal en el área de contacto 2. Producción de restos de óxido 3. Agitación, agarre, fatiga o agrietamiento del metal
