La fatiga por corrosión es la fatiga en un ambiente corrosivo. Es la degradación mecánica de un material bajo la acción conjunta de corrosión y carga cíclica. Casi todas las estructuras de ingeniería experimentan alguna forma de tensión alterna y están expuestas a entornos dañinos durante su vida útil. El medio ambiente juega un papel importante en la fatiga de los materiales estructurales de alta resistencia como el acero, las aleaciones de aluminio y las aleaciones de titanio. Se están desarrollando materiales con alta resistencia específica para cumplir con los requisitos de la tecnología avanzada. Sin embargo, su utilidad depende en gran medida del grado en que resisten la fatiga por corrosión.
Los efectos de los ambientes corrosivos sobre el comportamiento de fatiga de los metales se estudiaron ya en 1930. [1]
El fenómeno no debe confundirse con el agrietamiento por corrosión bajo tensión , donde la corrosión (como las picaduras) conduce al desarrollo de grietas frágiles, crecimiento y falla. El único requisito para la fatiga por corrosión es que la muestra esté sometida a tensión de tracción.
Efecto de la corrosión en el diagrama SN
El efecto de la corrosión en un diagrama SN de probeta suave se muestra esquemáticamente a la derecha. La curva A muestra el comportamiento a la fatiga de un material probado en aire. Se observa un umbral (o límite) de fatiga en la curva A, correspondiente a la parte horizontal de la curva. Las curvas B y C representan el comportamiento a la fatiga del mismo material en dos ambientes corrosivos. En la curva B, se retarda la falla por fatiga a altos niveles de tensión y se elimina el límite de fatiga. En la curva C, toda la curva se desplaza hacia la izquierda; esto indica una disminución general de la resistencia a la fatiga, un inicio acelerado a tensiones más altas y la eliminación del límite de fatiga.
Para satisfacer las necesidades de la tecnología avanzada, se desarrollan materiales de mayor resistencia mediante tratamiento térmico o aleación . Dichos materiales de alta resistencia generalmente exhiben límites de fatiga más altos y se pueden usar con niveles de tensión de servicio más altos incluso bajo carga de fatiga. Sin embargo, la presencia de un ambiente corrosivo durante la carga de fatiga elimina esta ventaja de tensión, ya que el límite de fatiga se vuelve casi insensible al nivel de resistencia para un grupo particular de aleaciones. [2] Este efecto se muestra esquemáticamente para varios aceros en el diagrama de la izquierda, que ilustra el efecto debilitante de un ambiente corrosivo sobre la funcionalidad de materiales de alta resistencia bajo fatiga.
La fatiga por corrosión en medios acuosos es un comportamiento electroquímico. Las fracturas se inician por picaduras o bandas de deslizamiento persistentes. [3] La fatiga por corrosión puede reducirse mediante adiciones de aleación, inhibición y protección catódica, todo lo cual reduce las picaduras. [4] Dado que las grietas por fatiga por corrosión se inician en la superficie de un metal, se encontró que los tratamientos superficiales como el enchapado, el revestimiento, la nitruración y el granallado mejoran la resistencia de los materiales a este fenómeno. [5]
Estudios de propagación de grietas en fatiga por corrosión
En las pruebas de fatiga normales de muestras lisas, aproximadamente el 90 por ciento se gasta en la nucleación de grietas y solo el 10 por ciento restante en la propagación de grietas. Sin embargo, en la corrosión por fatiga, la corrosión facilita la nucleación de las grietas; típicamente, alrededor del 10 por ciento de la vida es suficiente para esta etapa. El resto (90 por ciento) de la vida se gasta en la propagación de grietas. Por lo tanto, es más útil evaluar el comportamiento de propagación de grietas durante la fatiga por corrosión.
La mecánica de fracturas utiliza muestras pre-fisuradas, midiendo eficazmente el comportamiento de propagación de fisuras. Por esta razón, se hace hincapié en las mediciones de la velocidad de propagación de la fisura (utilizando la mecánica de la fractura) para estudiar la fatiga por corrosión. Dado que la fisura por fatiga crece de manera estable por debajo del factor crítico de intensidad de tensión para la fractura (tenacidad de la fractura), el proceso se denomina crecimiento de fisura subcrítico.
El diagrama de la derecha muestra el comportamiento típico de crecimiento de grietas por fatiga. En este gráfico logarítmico-logarítmico , la velocidad de propagación de la grieta se representa frente al rango de intensidad de la tensión aplicada. Generalmente existe un rango umbral de intensidad de tensión, por debajo del cual la velocidad de propagación de grietas es insignificante. En este gráfico se pueden visualizar tres etapas. Cerca del umbral, la velocidad de propagación de grietas aumenta al aumentar el rango de intensidad de la tensión. En la segunda región, la curva es casi lineal y sigue la ley de París (6); [6] en la tercera región, la velocidad de propagación de grietas aumenta rápidamente, con el rango de intensidad de tensión que conduce a la fractura en el valor de tenacidad a la fractura.
La propagación de grietas bajo fatiga por corrosión puede clasificarse como a) fatiga por corrosión verdadera, b) fatiga por corrosión bajo tensión o c) una combinación de fatiga por tensión verdadera y por corrosión.
Verdadera fatiga por corrosión
En la fatiga por corrosión verdadera, la tasa de crecimiento de grietas por fatiga aumenta con la corrosión; este efecto se observa en las tres regiones del diagrama de tasa de crecimiento de grietas por fatiga. El diagrama de la izquierda es un esquema de la tasa de crecimiento de grietas bajo verdadera fatiga por corrosión; la curva cambia a un rango de factor de intensidad de tensión más bajo en el ambiente corrosivo. El umbral es más bajo (y las velocidades de crecimiento de grietas más altas) en todos los factores de intensidad del estrés. La fractura de la muestra ocurre cuando el rango del factor de intensidad de la tensión es igual al factor de intensidad de la tensión umbral aplicable para el agrietamiento por corrosión por tensión.
Al intentar analizar los efectos de la fatiga por corrosión sobre el crecimiento de grietas en un entorno particular, tanto el tipo de corrosión como los niveles de carga de fatiga afectan el crecimiento de grietas en diversos grados. Los tipos comunes de corrosión incluyen filiforme , picaduras , exfoliación, intergranular; cada uno afectará el crecimiento de grietas en un material particular de una manera distinta. Por ejemplo, las picaduras serán a menudo el tipo de corrosión más dañino, ya que degradarán el rendimiento de un material (al aumentar la tasa de crecimiento de grietas) más que cualquier otro tipo de corrosión; incluso las picaduras del orden del tamaño de grano de un material pueden degradar sustancialmente un material. El grado en que la corrosión afecta las tasas de crecimiento de grietas también depende de los niveles de carga de fatiga; por ejemplo, la corrosión puede causar un aumento mayor en las tasas de crecimiento de grietas con cargas bajas que con cargas altas. [7]
Fatiga por tensión-corrosión
En materiales donde el factor máximo de intensidad de tensión aplicada excede el valor del umbral de agrietamiento por corrosión por tensión, la corrosión por tensión se suma a la velocidad de crecimiento de la fisura. Esto se muestra en el esquema de la derecha. En un ambiente corrosivo, la grieta crece debido a la carga cíclica en un rango de intensidad de tensión más bajo; por encima de la intensidad de tensión umbral para el agrietamiento por corrosión bajo tensión , se produce un crecimiento adicional de grietas (la línea roja) debido al SCC. Las regiones de menor intensidad de tensión no se ven afectadas, y el rango de intensidad de tensión umbral para la propagación de grietas por fatiga no se modifica en el entorno corrosivo. En el caso más general, el crecimiento de grietas por fatiga por corrosión puede exhibir los dos efectos anteriores; El comportamiento de crecimiento de grietas se representa en el esquema de la izquierda.
Ver también
Referencias
- ^ PT Gilbert, Reseñas metalúrgicas 1 (1956), 379
- ^ H. Kitegava en fatiga por corrosión, química, mecánica y microestructura , O. Devereux et al. eds. NACE, Houston (1972), pág. 521
- ^ C. Laird y DJ Duquette en fatiga por corrosión, química, mecánica y microestructura , p. 88
- ^ J. Congleton e IH Craig en Procesos de corrosión , RN Parkins (ed.). Applied Science Publishers, Londres (1982), pág. 209
- ^ HH Lee y HH Uhlig, Metall. Trans. 3 (1972), 2949
- ^ PC Paris y F. Erdogan, J. Ingeniería básica , ASME Trans. 85 (1963) 528
- ^ Craig L. Brooks, Scott A. Prost-Domasky, Kyle T. Honeycutt y Thomas B. Mills, "Modelado predictivo de la vida útil de la estructura" en ASM Handbook Volume 13A, Corrosion: Fundamental, Testing and Protection , octubre de 2003, 946- 958.