TEMA 7.- Fallas de materiales: CORROSIÓN. Conceptos Básicos Tipos

Transcripción

1 TEMA 7.- Fallas de materiales: CORROSIÓN Conceptos Básicos Tipos

2 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.

3 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.

4 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.

5 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.

6 Definiciones Oxidación: supone la acción química directa entre el metal y el oxígeno atmosférico (O 2 ) 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.

7 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.

8 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.

9 Corrosión Grafítica: Definiciones 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.

10 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

11 Celda Electroquímica 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. a) Celda electroquímica, b) Celda de corrosión entre un tubo de hierro y un conector de cobre

12 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 (H 2 ) serán más reactivos y hacia abajo más nobles o inertes.

13 Serie Galvánica: Se aplica para metales bajo condiciones ambientales. Los valores están basados en valores experimientales Definiciones

14 Celda Electroquímica Cu e = Cu 0 Fe 0 = Fe e =================== Cu +2 + Fe 0 = Cu 0 + 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 o C. EL VOLTAJE INICADO EN LA CELDA REPRESENTA LA FUERZA MOTRIZ DEL PROCESO

15 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 Tipos de Corrosión

16 Corrosión Uniforme Corrosión Uniforme: También conocida como corrosión general. El daño superficial se da por ataque directo de agentes químicos.

17 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.

18 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 e - 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 - = H 2 (g) Fe = Fe e - Otras reacciones de reducción posibles: O 2 (dis) + 4H + + 4e - = 2H 2 O O 2 (dis)+ 2H 2 O + 4e - = 4(OH - )

19 Corrosión por Picadura Es una forma de corrosión localizada que se da a través de defectos microscópicos de la superficie del metal

20 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).

21 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

22 Es cuando se produce daño a través de los limites de grano. Corrosión intergranular Es típica de aceros inoxidables austeníticos: si los tratamientos térmicos del acero se sitúan en el rango C se forma (FeCr) 23 C 6, 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

23 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.

24 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

25 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.

26 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.

27 Es el resultado de una combinación de un ambiente químico agresivo y altas velocidades de fluido. Corrosión-Erosión 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.

28 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.

29 CONTROL DE LA CORROSION METODOS COMUNES DE CONTROL DE CORROSION

30 SELECCIÓN DE MATERIALES Reglas que se aplican en la selección de materiales metálicos: MATERIALES METALICOS MATERIALES NO METALICOS 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 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.

31 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. RECUBRIMIENTOS INORGANICOS (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 ORGANICOS Pinturas barnices y Lacas. Estos materiales dotan a los metales de barreras finas, tenaces y duraderas que le protegen de los ambientes corrosivos.

32 PROTECCION CATODICA Y ANODICA PROTECCION CATODICA 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.