corrosión en metales parte 1 2012
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DETERIORO DETERIORO
O O
DAÑO DAÑO DAÑO DAÑO
EN EN
SERVICIOSERVICIO
FORMAS DE DETERIORO O FALLAS MÁS FORMAS DE DETERIORO O FALLAS MÁS
CORROSIÓNFATIGA CREEP
Deterioro producido como
consecuencia de la pérdida de
material por acción del medio
sin acción mecánica
Condiciones necesarias:
Cargas fluctuantes
Tensiones elevadas
Tiempo
Temperaturas elevadas y tensiones
relativamente altas.
Cambios estructurales y
cambios químicos
FORMAS DE DETERIORO O FALLAS MÁS FORMAS DE DETERIORO O FALLAS MÁS FRECUENTES DE LOS METALES EN SERVICIOFRECUENTES DE LOS METALES EN SERVICIO
FRACTURA FRAGIL
OTRASShock térmico
Vibraciones
Golpe de ariete
Fallas materiales
Fallas de fabricación
Fallas de diseño
Cargas externas
Bajas temperaturas
Cargas dinámicas
Fragilidad por revenido
DESGASTEDeterioro
producido por la combinación de
fuerzas mecánicas y el medio
circundante.
“Se entiende por corrosión al ataque no intencionadono intencionadodel material por parte del medio circundante”
Este produce un deterioro de sus propiedades mecánicas, físicas o bien de su aspecto. El grado de daño puede llegar a inutilizar la
pieza o desencadenar su rotura. El mismo tiene lugar o comienza en en la superficiela superficiey en los metales tiene naturaleza electroquímica o electroquímica o
químicaquímica.
CORROSIÓNCORROSIÓN
CORROSIÓN: UN PROCESO NATURAL E IRREVERSIBLE
Es posible definir la corrosión desde un punto de vista más qu ímico como el transito de un
metal de su forma elemental a su forma iónica o combinada con c esión de electrones a un
no metal como el oxígeno, el hidrógeno o el azufre, por ejempl o. Es decir, el metal, a través
de la corrosión, retorna a la forma combinada formando óxido s, sulfuros, hidróxidos, etc.,
que es como los metales se encuentran habitualmente en la nat uraleza por tratarse de
formas termodinámicamente más estables.
El proceso de corrosión es natural y espontáneo, y cuanto may or es la energía gastada
en la obtención del metal a partir del mineral, tanto más fáci lmente el metal revierte al
estado combinado, es decir, tanto más favorecida termodinámicamentetermodinámicamente está la reacción
de corrosión
CORROSIÓN: CINÉTICA
Los metales no son atacados con la misma velocidad e incluso a lgunos presentan
aparente inmunidad frente a ciertos medios. Este comportam iento obedece al hecho que la
cinética del proceso corrosivo muchas veces parece contrad ecir a la termodinámica. La
velocidad no depende únicamente de la fuerza impulsora (dis minución de la energía) sino
que también es afectada por otros factores externos como ser :
Factores que definen el medio
reactivo
Factores vinculadas al material
Factores que definen
las condiciones de empleo
•Concentración del reactivo
•Contenido de oxígeno
•pH del medio
•Adición de inhibidores
•Temperatura
•presión
•Tipo de material, composición de la
aleación
•Proceso de elaboración
•Impurezas
•Tratamientos mecánicos
•Adiciones protectoras
•Estado de la superficie
•Forma de las piezas
•Solicitaciones mecánicas
•Diseño de las uniones
•Envejecimiento (tiempo, temperatura o radiación UV)
•Modificación de los revestimientos
PÉRDIDAS ECONÓMICAS POR CORROSIÓN
Sin menoscabar la importancia que tiene con relació n a otros aspectos, la principal
motivación para el estudio de la corrosión es, sin duda, de índole económica .
La corrosión es un fenómeno que puede afectar práct icamente a cualquier material y
cuando ésta no es prevenida o controlada puede redu cir significativamente la vida útil
esperada o la eficiencia de componentes, equipos, e structuras e instalaciones e incluso
provocar su rotura.
Las pérdidas económicas derivadas de la falla por falla por Las pérdidas económicas derivadas de la falla por falla por
corrosióncorrosión se pueden dividir en:
Pérdidas directas: se relacionan con los costos
necesarios para la reposición de estructuras, equip os,
maquinaria o componentes que pueden quedar
inservibles por efecto de la corrosión.
Pérdidas indirectas o “ daños colateralesdaños colaterales ”: aquellas surgidas de interrupciones no
programadas, pérdidas de productos, contaminación d e productos, pérdidas de
rendimiento, pérdidas por sobrematerial previsto po r corrosión, pérdidas por accidentes.
Cos
to $
$
Curva III: Costo total ( I + II )
ANÁLISIS DE COSTOSA su vez los costos de la corrosión se dividen en:
Costos derivados de la corrosión: Los que surgen de considerar las perdidas directas e
indirectas antes mencionadas (curva I).
Costos derivados de la prevención de la corrosión: Mantenimiento preventivo,
recubrimientos, mejora de la metalurgia utilizada, etc (curva II)
Seguridad y Confiabilidad
Cos
to $
$
I
IIIII
FO
RM
AS
DE C
OR
RO
SIÓ
NFO
RM
AS
DE C
OR
RO
SIÓ
N
Biológica
Según la Naturaleza
Húmeda
Seca
Según el Mecanismo
Química
Electroquímica
Uniforme
Según su Morfología
Microscópica localizada
Macroscópica localizada
FO
RM
AS
DE C
OR
RO
SIÓ
NFO
RM
AS
DE C
OR
RO
SIÓ
N
Galvánica Intergranular
Picadura
Cavitación
Erosión - Corrosión
Disolución selectiva
Rendija
Exfoliación
SCC
Un metal idealmente puro sumergido en un electrolito homogéneoproduce iones (M+) que pasan a la solución
mientras que aparecen cargas negativas en el metal.
El paso de más iones (M+) a la solución se ve impedido en el tiempo pues debe vencer la repulsión de los iones que ya están en solución y la atracción del exceso de cargas negativas del metal. En consecuencia el metal
POTENCIAL POTENCIAL
DEDEDISOLUCIÓNDISOLUCIÓN
-++++
+
++
+++ +
---
- - ----
Fuerza impulsora de la corrosión húmeda
CORROSIÓN CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA O HÚMEDAELECTROQUÍMICA O HÚMEDA
cargas negativas del metal. En consecuencia el metal tiende hacia un potencial estacionario respecto al
electrolito.
Este potencial se alcanza casi instantáneamente y la disolución del metal se detiene.
Se trata de un equilibrio dinámico existiendo movimiento de cargas eléctricas pero no existe un flujo de cargas neto en un sentido. Corriente de corrosión cero.
Es una situación ideal y los sistemas reales generalmente se apartan de ella por cuanto los metales utilizados como así también los electrolitos no son idealmente puros ni
homogéneos.
++
++
+
++
------
Este potencial entre el metal y el
Cada elemento, fase, compuesto, etc. manifiesta un potencial de disolución diferente frente a un determinado med io.
CORROSIÓN CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA O HÚMEDAELECTROQUÍMICA O HÚMEDA
Este potencial entre el metal y el electrolito no es mensurable pero si se
puede determinar la diferencia de potencial entre dos especies metálicas
diferentes sumergidas en el mismo electrolito si los conectamos
eléctricamente entre si.
SERIE GALVÁNICA
Potencial estándar
POTENCIALES DE DISOLUCIÓN POTENCIALES DE DISOLUCIÓN ESTÁNDAR (para agua aireada)ESTÁNDAR (para agua aireada)
Más catódicoscatódicos
Más anódicos
ánodo
Solución
REACCIÓN ANÓDICA
−+ +→ nn e)dis(M)s(M
MEDIO Productos de la
CORROSIÓN CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA O HÚMEDAELECTROQUÍMICA O HÚMEDA
cátodo
Solución ácida
MEDIO(ELECTROLITO)
REACCIONES CATÓDICAS
de la corrosión
2H+ + 2e- → H2
O2 + 4H+ + 4e- → 2 H2O
O2 + 2H2O + 4e- → 4(OH-)
Consiste en dos reacciones químicas. Una reacción de oxidación o anódica donde el metal pierde electrones de valencia formándose cationes que pasan al electrolito.
En la otra reacción denominada de reducción o catódica donde los electrones cedidos son transferidos a otra entidad química y donde la dilución del metal se ve
impedida.En consecuencia una reacción electroquímica debe constar de al menos una de cada una de estas reacciones. La carga neta es nula por lo que la velocidad de
ambas reacciones debe ser la misma y todos los electrones generados en el ánodo deben ser consumidos en el cátodo. El resultado de todo esto es la disolución del
RESUMEN
deben ser consumidos en el cátodo. El resultado de todo esto es la disolución del ánodo o sitios anódicos.
¿Donde se localizan los sitios anódicos y catódicos en la pieza metálica?
¿En función de que factores se establece la verdadera densidad de corriente de corrosión?
CUESTIONES SIN RESPONDER ¡¡¡¡¡¡
CORROSIÓN ELECTROQUIMICA POR HETEROGENEIDAD DEL MET ALCORROSIÓN ELECTROQUIMICA POR HETEROGENEIDAD DEL MET AL
Cualquier metal o aleación contiene heterogeneidades físicas o químicascuyo potencial de disolución es generalmente distinto al de la matriz. En estos casos
nos encontramos ante un electrodo compuesto que contiene microcátodos y microánodos en corto circuito y cuya posición es desconocida.
Cuando este electrodo es
sumergido en un electrolito se
produce un proceso
electroquímico donde los ánodos electroquímico donde los ánodos
resultan corroídos. Se establecen
infinitas micropilas galvánicas.
CORROSIÓN ELECTROQUIMICA POR HETEROGENEIDAD DEL CORROSIÓN ELECTROQUIMICA POR HETEROGENEIDAD DEL REACTIVO DE ATAQUEREACTIVO DE ATAQUE
Solución no aireada o estancaSolución no aireada o estanca: En la superficie se forma la doble capa. Al estar la solución en contacto con el aire, el oxígeno difundirá de
arriba hacia abajo. El oxígeno será absorbido en la superficie del metal donde captará los
electrones de la capa para formar iones (HO)-.
Hierro
O2 O2
cátodos
O2 + 2H2O + 4e- → 4(OH-)(HO)-
Solución de cloruro de sodio
Herrumbre
cátodos
ánodos
La región superior del metal tomará pues una carga menos negativa que la región inferior donde el oxígeno no llega. En virtud de lo anterior se establece una circulación de
electrones de abajo hacia arriba a través del metal. La llegada de electrones se opone a la formación de iones Fe++ y a la vez favorece a
la ionización del oxígeno.
Será pues la región superior la que se constituye como cátodo y la inferior más
negativa como ánodo.
(HO)
Fe++
e-e-
Fe(HO)3
Fe+++
CORROSIÓN ELECTROQUIMICA POR HETEROGENEIDAD DEL CORROSIÓN ELECTROQUIMICA POR HETEROGENEIDAD DEL REACTIVO DE ATAQUEREACTIVO DE ATAQUE
Solución aireada uniformementeSolución aireada uniformemente: En este caso los cátodos aparecen donde el oxígeno alcanza
la superficie metálica. La posición de estos puntos varía con el tiempo, por lo que no es posible individualizar ánodos y cátodos, los cuales se desplazan constantemente por la
superficie del metal. La corrosión se manifiesta de una manera uniforme en toda la
extensión de la probeta.extensión de la probeta.
Productos de la
corrosión
Disolverse
Desprenderse como un gas
Formar un film
Para que el proceso electroquímico prosiga con cierta velocidad es necesario como Para que el proceso electroquímico prosiga con cierta velocidad es necesario como vemos que los productos de la corrosión generados en el ánodo o en el cátodo sean vemos que los productos de la corrosión generados en el ánodo o en el cátodo sean
continuamente eliminados del lugar.continuamente eliminados del lugar.
corrosiónfilm insoluble adherenteFormar un
compuesto insoluble no adherente
La disposición de los productos de la reacción (tanto los anódicos como los La disposición de los productos de la reacción (tanto los anódicos como los catódicos) es frecuentemente decisiva para controlar la velocidad con la cual se catódicos) es frecuentemente decisiva para controlar la velocidad con la cual se
corroe un metal.corroe un metal.
Una gota de cloruro de Sodio en una superficie de a cero o hierro
E1 – E3ic =
R2 + R4R4
e- E3E1
R2
PASIVACIÓN
Muchos metales y aleaciones bajo determinadas condiciones (tipo de ambiente, temperatura, concentración de reactivo, etc.) aumentan su resistencia química e
incluso se convierten en inertes. Este fenómeno se conoce con el nombre de pasivación.
El fenómeno de la pasivación resulta de la formación de una capa o film muy delgado de óxido altamente adherente, compacto e impermeable que se forma sobre la
superficie del metal el cual sirve de barrera protectora.
Medio
Algunos de los metales que muestran este comportamiento son el aluminio, cobre, cromo, hierro, níquel, titanio y muchas de sus aleaciones.
Metal
MO(óxido metálico adherente)Medio
MATERIAL
OXÍGENO
+
+
CORROSIÓN SECA O GASEOSACORROSIÓN SECA O GASEOSA
Mat
eria
les
ines
tabl
es fr
ente
al o
xíge
no
ENERGÍA
ÓXIDO DEL MATERIAL
+
=
Mat
eria
les
ines
tabl
es fr
ente
al o
xíge
noM
ater
iale
s es
tabl
es
Cuando un metal esta expuesto a un gas oxidante a elevada temperatura, el proceso corrosivo puede darse por medio de una reacción directa con el gas, sin necesidad de la presencia de un electrolito. Este tipo de corrosión se conoce como corrosión seca, gaseosa u oxidación a alta temperatura.
CORROSIÓN SECA O GASEOSACORROSIÓN SECA O GASEOSA
Capa de óxido
El espesor de la capa de óxido crece como resultado de la reacciones que tienen lugar en las interfases óxido/gas y metal/óxido debido al movimiento de iones a través de la capa de
óxido comportándose como un electrolito sólido.
CORROSIÓN SECA O GASEOSACORROSIÓN SECA O GASEOSA
• Inicialmente el film de óxido crece Inicialmente el film de óxido crece Inicialmente el film de óxido crece Inicialmente el film de óxido crece
rápidamente. Si es un sólido poroso rápidamente. Si es un sólido poroso rápidamente. Si es un sólido poroso rápidamente. Si es un sólido poroso
que cubre toda la superficie la que cubre toda la superficie la que cubre toda la superficie la que cubre toda la superficie la
velocidad inicial de la reacción velocidad inicial de la reacción velocidad inicial de la reacción velocidad inicial de la reacción
disminuye a medida que el espesor disminuye a medida que el espesor disminuye a medida que el espesor disminuye a medida que el espesor
crece y la cinética de la reacción crece y la cinética de la reacción crece y la cinética de la reacción crece y la cinética de la reacción
comienza a ser controlada por el comienza a ser controlada por el comienza a ser controlada por el comienza a ser controlada por el
CORROSIÓN SECA O GASEOSACORROSIÓN SECA O GASEOSA
comienza a ser controlada por el comienza a ser controlada por el comienza a ser controlada por el comienza a ser controlada por el
movimiento de las especies reactivas a movimiento de las especies reactivas a movimiento de las especies reactivas a movimiento de las especies reactivas a
través del film. A partir de ese través del film. A partir de ese través del film. A partir de ese través del film. A partir de ese
momento el transporte de iones es momento el transporte de iones es momento el transporte de iones es momento el transporte de iones es
función de varios factores como ser función de varios factores como ser función de varios factores como ser función de varios factores como ser
diferencias de potencial, gradientes de diferencias de potencial, gradientes de diferencias de potencial, gradientes de diferencias de potencial, gradientes de
concentración, migración a través de concentración, migración a través de concentración, migración a través de concentración, migración a través de
caminos preferenciales y por lo tanto caminos preferenciales y por lo tanto caminos preferenciales y por lo tanto caminos preferenciales y por lo tanto
la velocidad de corrosión varia. la velocidad de corrosión varia. la velocidad de corrosión varia. la velocidad de corrosión varia.
CORROSIÓN SECA O GASEOSACORROSIÓN SECA O GASEOSA
Estas son las características deseadas en la capa de óxido para que actúe como capa protectora:
• Estabilidad termodinámica alta. Su formación debe prevalecer frente a otros productos de corrosión.• Baja presión de vapor de forma que el film sea sólido y no se evapore a la atmósfera.• La relación Pilling-Bedworth debe ser mayor a 1 pero menor a 2 para que el • La relación Pilling-Bedworth debe ser mayor a 1 pero menor a 2 para que el óxido cubra completamente la superficie y a su vez no de lugar a altas tensiones de compresión que lo quiebren y desprendan.• Un bajo coeficiente de difusión de las especies reactivas (cationes de metal o aniones corrosivos O-), de esta forma la tasa de crecimiento de la capa es baja.• Alta punto de fusión.• Buena adherencia con el metal, esto generalmente se logra con un coeficiente de expansión térmica semejante al del metal y cierta plasticidad a alta temperatura con lo que se evita la fractura debido a las tensiones originadas por los ciclos térmicos.
Film no protector: poroso
W = A * t
W2 = B * t
Film protector: compacto
CORROSIÓN SECA O GASEOSACORROSIÓN SECA O GASEOSA
La velocidad de ataque aumenta sustancialmente con la temperatura en la mayoría de los aceros e inoxidables.
Los materiales son inestables frente al oxígeno. En virtud de ello se oxidan en ambientes secos. La velocidad de
corrosión esta controlada por la difusión de IONES y o la conducción de ELECTRONES a través de la capa de óxido que se forma en la superficie del material. Debido a que la
CONCLUSIONES
que se forma en la superficie del material. Debido a que la difusión es un proceso activado térmicamente la corrosión seca recrudece a medida que la temperatura aumenta. A bajas temperatura una finísima capa de óxido alcanza a
formarse en las superficies inestable pero la cinética es tan lenta que la pérdida de material resulta despreciable.
El mecanismo electroquímico tiene muchas similitudes a la corrosión seca, no obstante se destacan 3 diferencias:
1. Los iones M+ como O-2 se mueven mejor en estado líquido que en estado sólido.
2. Los electrones viajan con facilidad en el materiales
CORROSIÓN CORROSIÓN HÚMEDA VS SECAHÚMEDA VS SECA
2. Los electrones viajan con facilidad en el materiales conductores (metales).
3. Generalmente los depósitos o residuos que se forman no se depositan sobre la superficie o si lo hacen no resultan tan eficaces para proteger el material (caso del hierro por ejemplo).