Corrosión bajo Tensión
La corrosión bajo tensión es un caso particular de corrosión y se manifiesta como un fenómeno de agrietamiento que sufren ciertas aleaciones cuando están en contacto con medios bien específicos y sometidas a una tensión que puede ser externa, tal como la tensión de trabajo, o interna, debida a la conformación en frío del material, pero ha de tener siempre una componente de tracción.
La corrosión bajo tensión se presenta en muchas aleaciones de uso industrial, pero no se ha observado en metales puros, excepto bajo condiciones muy extremas de laboratorio, históricamente el primer caso de corrosión bajo tensión corresponde a la llamada corrosión estacional (season cracking), que se presentaban en cartuchos de latón conformados en frío, en atmósferas amoniacales húmedas, y aparecían con mayor frecuencia, por lo tanto, durante la épocas mas húmedas del año [1,2]
Las grietas suelen iniciarse en el punto de máxima concentración de tensiones y se propaga en planos macroscópicamente perpendiculares a la tensión aplicada, conduciendo el agrietamiento a la disminución de la sección útil del material, lo que puede dar lugar a roturas catastróficas.
La fig.6.1 [3] muestra un ejemplo de falla catastrófica. Un tanque que contenía amoníaco anhídro se fracturó. La grieta se produjo por esfuerzos residuales originados por una abolladura en el extremo esférico del tanque lo cual lo hizo susceptible a corrosión bajo tensión en amoníaco anhidro.
La composición química del acero usado estaba de acuerdo con las normas ASTM A285 y los ensayos Charpy mostraron que el acero era susceptible a la fractura frágil, lo cual indicaría que la fragilidad del acero se debe fragilización por envejecimiento.
Fig.6.1.- Dos vistas de la falla catastrófica por corrosión bajo tensión de un tanque de amoníaco anhidro [3]. (Fotos reproducidas con permiso de Packer Engineering Inc. IL, USA.)
6.1.- CARACTERÍSTICAS DE LA CORROSIÓN BAJO TENSIÓN.
La Corrosión Bajo Tensión (CBT) está influenciada por la interacción de la aleación y el ambiente [4] y tiene las siguientes características:
Acción conjunta.- Las grietas son causadas por las imperfecciones de la superficie, la combinación de esfuerzos y un agente ambiental específico, generalmente en solución acuosa. Aplicación separada o alternada de esfuerzos o exposición al ambiente es insuficiente.
Esfuerzos.-Los esfuerzos pueden ser aplicados externamente o pueden ser residuales debido al proceso de fabricación. Si se eliminan los esfuerzos el problema desaparece.
Medio ambiente.–Las condiciones para que ocurra CBT son muy específicas y para un metal o aleación dada, el agrietamiento es producido sólo si una especie o especies determinadas están presentes.
Vida de falla.-La vida disminuye con el incremento de los esfuerzos y es la suma de dos partes: (a) un período de inducción que determina la mayor parte de la duración de la vida, por ejemplo, semanas o años y (b) la rapidez del período de propagación, típicamente horas o minutos.
Morfología de las grietas.––Las grietas son frágiles sin deformación, aun si el modo de falla es dúctil. El camino de las grietas es una característica del metal o aleación. Para algunas aleaciones es intergranular, para otras es transgranular y por último para otras es indistinto.
La tabla 6.1 muestra un resumen de algunos medios ambientes y sus aleaciones respectivas que sufren corrosión bajo tensión y el ión que se supone es el causante de la corrosión.
TABLA 6.1. Algunos medios ambientes de sistemas que presentan CBT [5].
Los esfuerzos que causan las grietas pueden ser residuales producidos durante los procesos de fabricación como laminado, soldadura, tratamiento térmico etc., aplicados durante el servicio. El agente corrosivo puede ser relativamente suave y por lo tanto generará un ataque muy ligero cuando se produce la grieta. El nivel de esfuerzos y la existencia de defectos jugarán un papel muy importante.
Se sabe que la corrosión bajo tensión se produce a esfuerzos bajos y únicamente si el esfuerzo de tensión o el voltaje aplicado están en un intervalo crítico pequeño. En caso contrario, a valores elevados de tensión, los metales y aleaciones parecen ser inmune a la corrosión bajo tensión CBT ya sea debido a una reparación de film o solo se fracturan por simple falla mecánica. La fig.6.2 muestra la curvas clasicas esfuerzo-deformación de Parkins [6] para evaluar la susceptibilidad a la CBT de acero al carbono en dos ambientes diferentes a temperatura relativamente alta, utilizando la técnica de velocidad de deformación lenta. La figura muestra que el acero en un medio de NaNO3 experimenta CBT comparado con el mismo acero en un medio inerte (aceite).
Fig.6.2.- Curvas de tracción de un acero al carbono en aceite y en nitrato de sodio [6]. (Figura reproducida con autorización de Springer Science+Business Media, B.V., The Netherlands).
Para que un material dúctil sufra CBT, debe existir un límite inferior y un límite superior de velocidad de deformación para un potencial constante aplicado, inversamente, debe existir un intervalo de potencial para una velocidad de deformación constante. Esto se ilustra esquemáticamente en la figura 6.3 [7]. En esta figura, el rectángulo de líneas punteadas indica el intervalo de velocidad de deformación y la gama de posibilidades para la activación de las grietas por CBT. Las condiciones críticas de CBT corresponde a la ductilidad mínima. También se indica en la fig.6.3 la curva de agrietamiento inducido por hidrógeno (AIH) para materiales frágiles.
Fig.6.3- Representación esquemática del efecto de la velocidad de deformación sobre la ductilidad, cuando se usa el método de velocidad de deformación baja [7]. (Figura reproducida con autorización de Springer Science + Business Media, B.V, The Netherlands).
6.2.- FACTOR DE INTENSIDAD DE ESFUERZOS.
En ciencia de materiales el parámetro que describe la resistencia a la fractura de un material que tiene una grieta, es el factor de intensidad de esfuerzos KIC, donde el subíndice IC se refiere al modo I de fractura (abertura de la grieta). En condiciones de corrosión bajo tensión las grietas se desarrollan a valores muy por debajo de KIC, de tal manera que el valor umbral del factor de intensidad en este caso, denominado KISCC es menor del 1% del valor umbral de KIC como se muestra en la tabla 6.2.
Tabla 6.2. Valores de KIC y KISCC para algunas aleaciones [8].
La grieta se inicia a KISCC y la etapa controlante de su crecimiento (la velocidad más pequeña) en la mayoría de los casos es la velocidad de difusión de los iones agresivos hacia la punta de la grieta. A medida que la grieta crece, K tiende a KIC hasta que alcanza su valor donde se produce la falla del material.
El valor límite de K cuando , es el factor de intensidad de esfuerzo umbral KISCC. Este parámetro no depende de las propiedades del material como es el caso de KIC, pero depende de la combinación material – medio ambiente.
La fig. 6.4 muestra esquemáticamente la forma típica de una curva logarítmica da/dN versus ΔΚ de un material que sufre corrosión bajo tensión y la fig.6.5 muestra esquemáticamente la influencia de los tres mecanismos que contribuyen a la propagación de las grietas: a) fatiga mecánica, b) fatiga con corrosión y c) corrosión bajo tensión.
Fig.6.5.- Comparación esquemática de la influencia de tres mecanismos de corrosión en la forma de las curvas de velocidad de crecimiento en función del factor de intensidad de esfuerzos. Fatiga mecánica comparada con a) fatiga con corrosión, b) corrosión bajo tensión y c) una combinación de CBT y fatiga con corrosión.
La fig.6.6 muestra un ejemplo real de la variación de la velocidad de crecimiento de las grieta versus la intensidad de esfuerzo para una aleación de aluminio 7079 en una solución de yoduro de potasio 3 m en función de la temperatura. Sólo se han graficado los datos de las regiones I y II. A medida que aumenta la temperatura, las curvas se desplazan hacia arriba, es decir, para un valor del esfuerzo dado, la velocidad aumenta con la temperatura.
Fig.6.6.-Variación de la velocidad de crecimiento de grieta en función de K a distintas temperaturas en una aleación de aluminio 7079-T7651 en sol. de yoduro de potasio 3 m, pH=6 [9].(Figura reproducida con autorización del Prof. M.O. Speidel, Institute of Metallurgy Swiss Federal Institute of Technology ETH-Zentrum, Zürich, Switzerland).