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TEMA 7.- Fallas de materiales: CORROSIÓN • Conceptos Básicos • Tipos
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TEMA 7.-
Fallas de materiales: CORROSIÓN
• Conceptos Básicos
• Tipos
CORROSIÓN
La corrosión puede ser definida como la destrucción de un sólido debido a la acción química o electroquímica que comienza en la superficie y que se produce al reaccionar con el medio que les rodea.
Involucra materiales metálicos y no-metálicos.
En materiales no-metálicos la corrosión se da por determinados agentes químicos y son usualmente resistentes a medios de corrosión leves como el agua y la atmósfera.
El ataque por acción de la corrosión que ocurre en metales se de generalmente por acción electroquímica debido a la característica de los metales, los cuales presentan movimiento de electrones libre en sus redes cristalinas.
¿Por qué se corroen los metales?
Los metales se corroen porque son usados en ambientes donde son químicamente inestables. Es por ello que tienden a devolverse a sus estados naturales.
Sólo el cobre y los metales preciosos (oro, plata, platino, entre otros) se encuentran en la naturaleza en estado metálico. El resto de los metales incluyendo las aleaciones de hierro se emplean en aplicaciones finales sólo al ser procesados a partir de minerales o menas.
La mayoría de los metales son inestables y tienen tendencia a revertirse a sus formas minerales más estables.
En general todos los materiales experimentan algún tipo de
interacción con el medio ambiente que los rodea. Esta
interacción puede afectar al material, deteriorando sus
propiedades mecánicas (ductilidad, resistencia) otras
propiedades físicas o su apariencia.
En metales el deterioro ocurre por disolución (Corrosión) o por
formación de una costra no metálica (Oxidación).
Los materiales cerámicos son relativamente resistentes al
deterioro. Puede ocurrir a altas temperaturas o en ambientes
extremos.
En polímeros el deterioro se denomina degradación. Ocurre por
absorción de solvente, radiación electromagnética (ultravioleta)
y el calor.
Corrosión de Metales
La corrosión de un metal es un fenómeno
electroquímico,que empieza en la superficie de la
pieza. Es de proporciones significativas en el
aspecto económico. El costo de prevención y
control de la corrosión es del orden de un 5%.
Ejemplo típico de corrosión está en los vehículos
automotores (cuerpo) en el tubo de escape, etc.
El proceso de corrosión algunas veces es utilizado,
como en el ataque selectivo. La corriente generada
en una pila seca se debe a un proceso de
corrosión.
Definiciones
Oxidación: supone la acción química directa entre el metal y el oxígeno atmosférico (O2)
Corrosión acuosa: forma habitual de ataque electroquímico. Esta acción electroquímica hace que el metal se destruya en ciertas áreas (ANODOS), que serán aquellos donde la corriente abandona el metal y donde el metal se corroe, y el CÁTODO, que es donde la corriente se introduce en el metal y que suele permanecer inatacada.
Electrolito: Es cualquier líquido que contenga iones, o sea pueda conducir la electricidad.
Definiciones
Corrosión química:
Remoción de átomos de un material debido a la solubilidad o reacción química entre el material y el líquido que lo rodea.
Definiciones
Decincificación. Zn y Cu son removidos del bronce, pero el cobre es depositado nuevamente en la superficie de la aleación.
El cinc se elimina preferentemente del
latón, dejando una matriz esponjosa y
débil. El mecanismo de descincificación
del cobre involucra las tres etapas
siguientes:
1) Disolución del latón.
2) Permanencia de los iones cinc
en la disolución.
3) Electrodeposición del cobre en
solución sobre el latón.
Esto origina que la firmeza de la aleación y su resistencia es considerablemente menor.
Este proceso puede minimizarse o prevenirse fabricando latones con menor contenido de
cinc, es decir latones con 85% de Cu y 15% de Zn, o cambiando a aleaciones cuproníquel,
de 70-90% de Cu y de 10-30% de Ni. Otras posibilidades son modificar el ambiente
corrosivo o usar una protección catódica.
Definiciones Corrosión Grafítica:
Se debe a la formación de diferentes fases en una aleación
como la fundición gris. La fase grafito actúa como cátodo.
Las hojuelas constituyen como un armazón continuo y abierto de manera que el ataque corrosivo sobre la matriz ferrítica prosigue hasta que sólo queda el grafito. So observa en tuberías enterradas tras muchos años de exposición al suelo.
La fundición blanca y la fundición de grafito nodular son inmunes a la corrosión grafítica.
Definiciones
Corrosión electroquímica: Se produce por el desarrollo
de una corriente en una celda electroquímica que
remueve iones del material.
Celda electroquímica: Es una celda en la cual los iones
y los electrones pueden fluir por trayectorias separadas
entre dos materiales, produciendo una corriente que
causa corrosión.
Reacción de oxidación: Reacción donde ocurre pérdida
de electrones
Reacción de reducción: Reacción donde ocurre
ganancia de electrones
Celda Electroquímica
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a) Celda electroquímica, b) Celda de corrosión entre un tubo de
hierro y un conector de cobre
Definiciones
Potencial de electrodo:
Se relaciona con la
tendencia del material a
corroerse. El potencial es
el voltaje producido entre
el material y el electrodo
standard (gas hidrógeno).
Serie de fuerza
electromotriz emf:
El arreglo de elementos de
acuerdo a su potencial de
electrodo o su tendencia a
corroerse. Los metales por
arriba de (H2) serán más
reactivos y hacia abajo
más nobles o inertes.
Definiciones
Serie Galvánica:
Se aplica para
metales bajo
condiciones
ambientales. Los
valores están
basados en
valores
experimientales
Cu+2 + 2e = Cu0
Fe0 = Fe+2 + 2e
===================
Cu+2 + Fe0 = Cu0 + Fe+2
Al pasar una corriente por el circuito externo a
la celda, los electrones generado en la
reacción de oxidación del hierro fluyen hacia la
media celda del lado del cobre y reducen el ion
Cu+2. Adicionalmente ocurrirá un movimiento
neto de iones de una media celda hacia la otra,
a través de la membrana. Esto se denomina
par galvánico: Dos metales conectados
eléctricamente en un electrolito líquido,
donde un metal se convierte en ánodo y el
otro en cátodo
Existe un potencial eléctrico o voltaje entre las dos medias celdas, su magnitud se
puede medir al conectar un voltímetro en el circuito externo. Un potencial de
0.78 V, resulta del par galvánico cobre-hierro, a una temperatura de 25 oC.
EL VOLTAJE INICADO EN LA CELDA REPRESENTA LA FUERZA MOTRIZ DEL PROCESO
Celda Electroquímica
Tipos de Corrosión Corrosión Uniforme
Corrosión Galvánica
Corrosión por picadura
Corrosión por hendidura
Corrosión filiforme
Corrosión Intergranular
Corrosión bajo tensión
Corrosión Fatiga
Corrosión por fretting
Corrosión-Erosión
De-aleación
Corrosión Micro-biológica
Corrosión Uniforme
Corrosión Uniforme: También conocida como corrosión
general. El daño superficial se da por ataque directo de
agentes químicos.
Corrosión Galvánica
Es la acción electroquímica de dos metales diferentes en
contacto y bajo la presencia de un electrolito y de una
zona que permita la conducción de electrones.
Se reconoce por la acumulación de productos de
corrosión en las juntas de los dos metales disimiles.
Consideraciones Electroquímicas de la
Corrosión de Materiales Metálicos
Los átomos metálicos pierden electrones en una REACCIÓN DE OXIDACIÓN
M = M+n + ne-
Ejemplo: Fe = Fe+2 + 2e-
Esta reacción ocurre en el ánodo y se denomina reacción anódica
Los electrones generados son transferidos a una reacción
complementaria que se denomina: Reacción de reducción o reacción
catódica.
Por ejemplo: algunos metales sufren corrosión en soluciones ácidas,
con altas concentraciones de iones H+. Este ion se reduce, mientras
que el metal se oxida:
2H+ + 2e- = H2(g)
Fe = Fe+2 + 2e-
Otras reacciones de reducción posibles:
O2(dis) + 4H++ 4e- = 2H2O
O2(dis)+ 2H2O + 4e- = 4(OH-)
Corrosión por Picadura
Es una forma de corrosión localizada que se da a través
de defectos microscópicos de la superficie del metal
Corrosión por hendidura
La corrosión por hendidura o por contacto, se produce en la
región de contacto de los metales con metales o metales
con no-metales.
Dentro de las hendiduras el suministro de oxígeno es difícil (zonas anódicas)
mientras que el suministro es grande en la superficie de metal expuesta
(zonas catódicas).
Corrosión filiforme
Se da en superficies recubiertas o pintadas y donde la humedad penetra el
recubrimiento. Da lugar a líneas de productos de corrosión del grosor de un
cabello y ocurre bajo recubrimientos de barniz, pintura o goma. Se produce
al formarse gotas de disolución concentrada de electrolito bajo el
recubrimiento.
Se generan formas ramificadas de productos de corrosión
Corrosión intergranular
Es cuando se produce daño a través de los limites de grano.
Es típica de aceros inoxidables austeníticos: si los tratamientos térmicos del acero se sitúan
en el rango 425-815 °C se forma (FeCr)23C6, que es insoluble y precipita en los bordes de
grano.
T<425 °C: la velocidad de difusión del carbono es muy lenta, con lo que
no se puede formar el carburo.
T>815 °C: los carburos son solubles.
.
Resultado:
Precipitados muy ricos en Cr
(resistentes a la corrosión →
cátodos) y matriz pobre en Cr en
la cercanía de los bordes
(ánodos). La relación
ánodo/cátodo baja → ataque
rápido en los bordes de grano
Corrosión por exfoliación
Corrosión por exfoliación: es una forma de corrosión intergranular. Tiene apariencia de
hojaldre.
Es frecuente en materiales laminados: aleaciones de aluminio expuestas a ambientes
marinos o industriales. Los ambientes costeros contaminados son los más corrosivos. El
ataque tiene lugar a lo largo de bordes de grano alargados en la dirección de laminación
con lo que el ataque se localiza en capas paralelas a la superficie. Si se forman productos
de corrosión voluminosos se produce el hinchado y rotura de capas.
Corrosión bajo-tensión
Es generado por la acción simultánea de esfuerzos de tensión bajo un
ambiente corrosivo. Los esfuerzos que la originan: esfuerzos térmicos
causados por tasas desiguales de enfriamiento y transformaciones de
fase durante el tratamiento térmico o soldadura. Se evidencia por
grietas ramificadas
Corrosión fatiga
Es un caso particular de corrosión bajo tensión y se da por el efecto
combinado de tensiones cíclicas en ambientes corrosivos: Esto
incrementa la susceptibilidad y aumenta la velocidad de extensión de
la grieta. Se observan a veces "marcas de playa". No se requiere de
ambientes específicos.
Corrosión Fretting
Es un tipo de corrosión rápida que ocurre en la intercara
de superficies en contacto a altos niveles de carga y bajo
un movimiento oscilatorio de baja amplitud.
Corrosión-Erosión Es el resultado de una combinación de un ambiente químico agresivo y altas velocidades de fluido.
Erosión: alta velocidad de flujo de un fluido corrosivo. La corrosión se acelera por eliminación del producto pasivante. Es más importante con suspensión de arena. Cu y bronce (Cu-Sn) son muy susceptibles.
Cavitación: formación e implosión de burbujas de aire o cavidades llenas de vapor. La cavitación ocurre en la superficie del metal donde el líquido fluye a gran velocidad y existen cambios de presión (impulsores de bomba, propulsores de barco). Se pueden originar presiones localizadas tan altas como 40 Mpa. Esto origina una separación de películas superficiales; arrancado de partículas de la superficie, desgaste, aumento de la velocidad de corrosión.
De-aleación
Es una forma no común de corrosión que se da en
aleaciones de cobre, fundiciones grises y otras aleaciones
similares.
Ocurre cuando se pierde la componente activa del metal y
la mayor parte del componente resistente a la corrosión
se retiene en forma porosa de “esponja” en la superficie.
CONTROL DE LA CORROSION
METODOS COMUNES DE CONTROL DE CORROSION
SELECCIÓN DE MATERIALES
MATERIALES
METALICOS
Reglas que se aplican en la selección de
materiales metálicos:
1. Para condiciones reductoras o no oxidantes
tales como ácidos o disoluciones acuosas libres
de aire, se usan a menudo aleaciones de níquel
y cobre.
2. Para condiciones oxidantes, se usan
aleaciones que contienen cromo
3. Para condiciones fuertemente oxidantes, se
utilizan aleaciones de titanio.
MATERIALES
NO
METALICOS
Materiales Poliméricos tales como plásticos y
cauchos son débiles y blandos y en general menos
resistentes a ácidos inorgánicos fuertes.
Materiales Cerámicos tienen alta resistencia a la
corrosión y altas temperaturas, pero tienen la
desventaja de ser quebradizos a esfuerzos de
tensión.
RECUBRIMIENTOS
RECUBRIMIENTOS
METALICOS
Se aplican a veces para que sirvan de ánodo de
sacrificio y se corroan en lugar del metal que
recubren. Por ejemplo el recubrimiento de cinc
sobre acero para hacer el acero galvanizado.
(Cerámicos y Vidrios) Para algunas aplicaciones
es deseable cubrir el acero con un recubrimiento
que le confiera un acabado liso y duradero. En
algunas industrias químicas se utilizan recipientes
de acero vidriados fáciles de limpiar y resistentes a
la corrosión.
RECUBRIMIENTOS
INORGANICOS
RECUBRIMIENTOS
ORGANICOS
Pinturas barnices y Lacas. Estos materiales
dotan a los metales de barreras finas, tenaces y
duraderas que le protegen de los ambientes
corrosivos.
PROTECCION CATODICA Y ANODICA
Se puede controlar la corrosión , suministrando
electrones a la estructura metálica que se desea
proteger. Los electrones pueden ser suministrados por
una (1) Una fuente de corriente continua externa. (2)
por acoplamiento galvánico con un metal mas anódico
que el que se desea proteger.
PROTECCION
ANODICA
Esta basada en la formación de una película
protectora pasivadora sobre la superficie del metal
o aleación mediante la aplicación externa de
corrientes anódicas.
PROTECCION
CATODICA
