Kitabı oku: «Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos», sayfa 13

La velocidad del crecimiento de grietas mediante los mecanismos anódicos, que no incluyen deslizamiento en frente de grieta y/o fractura de metal y/o fractura de la capa pasivante, estará condicionada por la densidad de corriente de corrosión; si además están incluidos estos efectos mecánicos, la velocidad del agrietamiento será mayor. No necesariamente un medio que favorezca la nucleación de las grietas favorecerá su crecimiento, o viceversa, lo que se debe, entre otros factores, a que las condiciones del medio que hay en el frente de grieta, generalmente difieren de las del fluido libre fuera de la grieta, como consecuencia de la disolución del metal y fenómenos de transporte de masa a través de la grieta (efectos de rendija).

Una grieta avanza por reacciones anódicas, si termodinámicamente es factible que haya disolución de iones metálicos en el frente de grieta y que la velocidad de entrega de los iones sea mucho menor en las paredes de la grieta que en la cabeza. Bajo reacción catódica la grieta avanza si hay condiciones termodinámicas que favorezcan la reducción de hidrógeno en la cabeza de grieta.

El agrietamiento por corrosión esfuerzo del tipo intergranular se favorece cuando hay ciertos gradientes de composición química entre el centro de los granos y sus límites (segregaciones) o cuando se tienen precipitados en dichas zonas (partículas de segunda fase). Ejemplos de esta situación se encuentran en: aceros inoxidables sensibilizados (carburos de cromo precipitados en límites de grano); aceros con segregación de S, P o Sn a los límites de grano; aleaciones de níquel de la serie 600 que precipitan carburos de cromo en límite de grano; aleaciones de aluminio con precipitados intermetálicos anódicos o catódicos en límites de grano. En el caso de las segregaciones, el espesor de las zonas enriquecidas de elementos químicos que favorecen el agrietamiento alrededor de los granos puede ser del orden de 1 a 2 nm [20]. En aceros ferríticos el agrietamiento por corrosión esfuerzo anódico es común en ambientes acuosos por encima de los 100 oC, mientras que el agrietamiento catódico por evolución de hidrógeno (agrietamiento por hidrógeno) tiende a presentarse a temperaturas menores de 100 oC y con pH bajos.

Entre los medios que pueden cooperar con el esfuerzo para producir el agrietamiento, se encuentran, entre muchos otros: (1) los de composición controlada, donde se puede ejercer control sobre las concentraciones, como es el caso de los fluidos de trabajo, proceso o intercambio de energía (agua, vapor, sodio líquido, productos químicos, petroquímicos, sustancias alimenticias, etcétera), o el de los fluidos usados durante los procesos de fabricación (lubricantes de maquinado, sustancias protectoras durante transporte, sustancias de limpieza ácidas o alcalinas, residuos de fluidos usados durante depósitos electrolíticos, líquidos penetrantes usados en búsqueda de discontinuidades, etcétera); (2) los de composición no controlada, en donde no se puede controlar las concentraciones, o a lo sumo se agregan inhibidores de la corrosión, lo cual se encuentra, por ejemplo, en la atmósfera y sus condensados, en los fluidos extraídos de pozos petroleros o aguas de yacimiento, etcétera; (3) los producidos por lixiviación, donde un fluido puede atravesar un sólido poroso y arrastrar algunos de sus componentes, como es el caso de sustancias corrosivas liberadas por el concreto, aislamientos térmicos, polímeros, el suelo u otros, cuando el agua los infiltra (estas sustancias pueden ser ricas en cloruros o iones azufre).

Tanto en fenómenos de corrosión como en la cooperación de esta con el agrietamiento, se debe poner especial atención en los ciclos de mojado y secado sobre las superficies metálicas, ya que aun cuando el líquido no tenga una composición agresiva, el hecho de evaporarse cíclicamente deja sobre la superficie metálica parte de los iones nocivos que poco a poco se irán concentrando. En el caso del ambiente atmosférico, estos ciclos provienen de las oscilaciones en presión y temperatura entre el día y la noche, o se pueden deber a subidas y bajadas del nivel de un líquido dentro de un tanque, etcétera.

Ambientes típicos con cloruros se encuentran en la atmósfera marina y en el contacto directo con el agua de mar, por lo que la maquinaria de transporte (vehículos, aeronaves y embarcaciones) es susceptible de presentar agrietamientos en los aceros de alta resistencia, los inoxidables y en las aleaciones de aluminio.

Los fluidos temporales pueden ser tan dañinos o más que aquellos a los que comúnmente está expuesto el material, es el caso del agua usada en pruebas hidrostáticas de tuberías y recipientes a presión (donde es común que no se ejerza mucho control sobre su composición), o el ambiente rico en cloruros que rodea a las piezas durante su transporte marítimo, o los fundentes de soldadura empleados durante el ensamble de la estructura, o los lavados ácidos y/o alcalinos periódicos, o los periodos de encendido y apagado de los equipos de proceso, donde se presentan gradientes de composición en los fluidos de trabajo (por ejemplo, por ingreso de aire en el interior de una caldera durante paradas), etcétera.

Aleaciones que comúnmente agrietan de manera intergranular son las aleaciones de aluminio y los aceros de alta resistencia. Aceros de media y baja resistencia, aleaciones base níquel y latones pueden agrietarse inter o transgranularmente, dependiendo del medio y la microestructura del material. Los latones bifásicos pueden presentar agrietamiento en agua pura. Las aleaciones de magnesio y los aceros inoxidables austeníticos generalmente agrietan de manera transgranular; sin embargo, si estos últimos están sensibilizados puede ser intergranular. Los aceros inoxidables ferríticos o dúplex tienden a ser más resistentes al agrietamiento en medios con cloruros que los austeníticos. En general, se nota que aleaciones de dos elementos químicos mayoritarios son más susceptibles a agrietarse que aleaciones con poco nivel de aleantes y, a su vez, estas son más susceptibles que los metales puros. Las aleaciones de grano fino presentan una mayor vida al agrietamiento que las de grano grueso, especialmente cuando los mecanismos de crecimiento dependan del movimiento de las dislocaciones, la formación del clivaje o el agrietamiento intergranular.

Las aleaciones de aluminio generalmente se usan en condición de máxima resistencia, lo que implica tener granos de solución sólida con precipitados intermetálicos (normalmente tratamiento T6), los cuales al precipitarse en límites de grano generan pares galvánicos con el interior de estos, lo cual facilita la corrosión intergranular y también el agrietamiento por corrosión esfuerzo intergranular. Para bajar la susceptibilidad al agrietamiento, se recurre a tratamientos de envejecimiento que no arrojan la máxima dureza, pero son más benignos, como el T7 o el T8.

En aceros de baja resistencia mecánica, el agrietamiento cáustico se da normalmente a temperaturas mayores a 100 oC, en contenidos de soda del orden del 15 % o más y es de tipo intergranular. En estos materiales en agua aireada a temperaturas del orden de 200 o 250 oC, también se experimenta agrietamiento intergranular por la presencia del oxígeno disuelto (situación que se puede presentar en aguas de calderas). En ambos casos, es conveniente mantener el nivel de esfuerzos residuales bajo, para minimizar el agrietamiento.

En aceros de media y alta resistencia se puede dar agrietamiento intergranular, en soluciones con nitratos a más de 100 oC (NH4NO3, Ca(NO3)2, LiNO3, KNO3, NaNO3), donde a mayor concentración disminuye el esfuerzo umbral. En este caso tratamientos de alivio de tensiones también bajan la susceptibilidad del material por agrietarse.

El amoniaco con trazas de oxígeno y CO2 (no el amoniaco puro) puede promover el agrietamiento inter o transgranular de los aceros, siendo mayor la tendencia con el aumento de la dureza. Adiciones de agua al amoniaco pueden eliminar el agrietamiento y, así mismo, tratamientos de alivio de tensiones bajan la susceptibilidad a este.

Soluciones acuosas alcalinas que contengan carbonato o bicarbonato de sodio (NaHCO3 y Na2CO3), a temperaturas mayores a 100 oC promueven el agrietamiento intergranular de los aceros, lo cual se ha encontrado en conducciones de gas natural (condensados). En aceros ferríticos, el agrietamiento por hidrógeno es intergranular, y se da en zonas catódicas de las reacciones de corrosión con agua pura, con condensados de vapor de agua, con condensados atmosféricos, con soluciones ácidas, o con soluciones de sulfuros y arseniuros. El agrietamiento por hidrógeno asociado a procesos corrosivos también se presenta comúnmente en aleaciones base níquel, titanio y aluminio, siendo de tipo intergranular.

Los aceros inoxidables austeníticos son especialmente sensibles a las soluciones acuosas con cloruros y en caliente, generando agrietamiento transgranular, el cual pasa a ser intergranular si el acero está sensibilizado. Soluciones acuosas con soda cáustica en el orden del 50 %, y a temperaturas de 150 a 205 oC, promueven el agrietamiento intergranular de estos materiales. Se presenta también agrietamiento intergranular en aceros sensibilizados, en contacto con ácido politiónico, el cual se puede formar fácilmente por reacción del aire húmedo con la película pasivante del acero. Los aceros inoxidables ferríticos y dúplex también se agrietan en soluciones acuosas con cloruros o soda cáustica, pero muestran mayor resistencia que los aceros austeníticos, siendo los dúplex los de mejor desempeño.

Los aceros inoxidables martensíticos y los endurecibles por precipitación son sensibles a soluciones con cloruros y, en general, a otras soluciones que produzcan corrosión sobre el material, donde el mecanismo de agrietamiento está asociado a la fragilización por hidrógeno en las zonas catódicas (evolución de hidrógeno), lo cual se acentúa especialmente a altas durezas.

Las aleaciones de cobre se pueden agrietar a temperatura ambiente, en soluciones acuosas con amoniaco, citratos, tartratos, sulfatos, nitratos, nitritos y en algunas aleaciones con agua pura, al igual que en mezclas gaseosas con SO2. En el caso del agrietamiento con soluciones amoniacales, a pH neutro se da intergranularmente y a alta velocidad, mientras que a pH alto o bajo, la velocidad del agrietamiento disminuye y es transgranular.

Las aleaciones de titanio se agrietan en sales fundidas de cloruros entre 260 y 480 oC, en ácido nítrico a alta temperatura (más de 100 oC) y con sus vapores a temperatura ambiente, en soluciones con halogenuros (cloruros) a temperatura ambiente y mayores, en tetróxido de nitrógeno entre la temperatura ambiente y 75 oC, en alcoholes metil o etil con o sin halogenuros a temperatura ambiente, en agua de mar a temperatura ambiente. Los agrietamientos pueden ser inter o transgranulares.

Las aleaciones de níquel se pueden agrietar en soluciones que formen ácido politiónico a temperatura ambiente, especialmente si la aleación está sensibilizada (intergranular); en soluciones acuosas con iones flúor a temperatura ambiente; en vapor de agua a alta temperatura que puede llevar a agrietamiento intergranular; en soluciones acuosas con iones plomo; en soluciones acuosas con Cl– + H2S + CO2 a altas temperaturas, que producen agrietamiento transgranular; en soluciones de NaOH a alta temperatura, donde generalmente el agrietamiento es intergranular. El agrietamiento intergranular se acentúa si la aleación está sensibilizada, especialmente en las de alto cromo (como las series 600 u 800) donde los límites de grano se empobrecen de este elemento.

Las aleaciones de magnesio a temperatura ambiente agrietan generalmente de manera transgranular, en soluciones acuosas con halogenuros, en agua aireada, en agua destilada o en ambiente atmosférico marino. Estas aleaciones son en general más resistentes al agrietamiento en ambientes atmosféricos que las aleaciones de aluminio.

Piezas forjadas o laminadas donde la estructura de los granos está altamente texturizada, son altamente sensibles a generar corrosión esfuerzo, si la carga de tracción actúa perpendicular a la dirección principal de deformación (el umbral de agrietamiento y la vida son menores). Las aleaciones de aluminio son especialmente sensibles a esta situación en ambientes con cloruros, por ello en el diseño con estos materiales, se debe ser muy cuidadoso en la selección de la orientación de los granos en las piezas y del tratamiento de envejecimiento por usar, ya que en estos casos no es conveniente tener el máximo grado de dureza.

3.9.2 Fractografía de las fracturas por corrosión esfuerzo en metales

La formación de una fractura por corrosión esfuerzo en metales se presenta si: (1) hay un esfuerzo constante en el tiempo, aplicado o residual; (2) el factor de intensidad de esfuerzos supera al factor de intensidad de esfuerzos umbral para el crecimiento de grietas por corrosión esfuerzo (Kaplicado > KIACE), lo cual está relacionado con que el esfuerzo sea mayor que el esfuerzo umbral de agrietamiento de la pieza (σaplicado > σumbral); (3) la pieza está operando en un medio ambiente que favorece el agrietamiento del metal del cual está hecha. La vida a corrosión esfuerzo de una pieza se verá seriamente acortada si: (a) hay concentradores de esfuerzo severos (geométricos, por fabricación, microestructurales o generados en servicio por desgaste o corrosión); (b) no se tiene un buen acabado superficial; (c) hay rendijas sobre la pieza o defectos superficiales que las favorezcan.

A simple vista, el agrietamiento o las fracturas por corrosión esfuerzo en las zonas de propagación estable de grieta no mostrarán deformación plástica o distorsión notable de la pieza (figura 3.65, fotos superiores); sin embargo, en las zonas de fractura final es común que sí se tenga dicha deformación. Lo anterior se debe a que la mayoría de metales que fallan por este mecanismo están en condición blanda, lo cual facilita que la fractura final sea de naturaleza súbita dúctil (figura 3.65, central izquierda).

En general, las superficies de las fracturas por corrosión esfuerzo se caracterizan por presentar dos zonas claramente diferenciadas: (1) zona de propagación estable de grietas en servicio, en la cual a simple vista, con lupas o estereoscopio óptico, se encontrará una textura predominantemente granular y en algunos casos tersa; (2) zona de fractura final, donde la pieza agrietada no pudo seguir soportando la carga y, por lo tanto, fractura de manera súbita (crecimiento inestable de grietas). El tamaño relativo entre las dos zonas puede dar información sobre el nivel de esfuerzos aplicados; en general, a mayor tamaño de la zona de fractura final se habrá tenido un esfuerzo aplicado más elevado.

Figura 3.65 Fracturas por corrosión esfuerzo

Nota. Grieta de corrosión esfuerzo en tubería de evaporador de caldera, en zona con capa de magnetita y picaduras por oxígeno. El medio consta de vapor de agua aireado a 300 oC (superior izquierda); eje de perforación petrolera de acero AISI 4330 con 40 RC, que fracturó por corrosión esfuerzo en un ambiente acuoso con H2S disuelto. Nótese la ausencia de deformación en la zona de fractura (superior derecha); superficie de fractura del eje anterior, donde se puede ver la zona de propagación en servicio y la zona de fractura dúctil final (central izquierda); detalle de la superficie de propagación de grieta en servicio del eje anterior, donde se nota la presencia de productos de la corrosión sobre ella (central derecha); superficie de fractura por corrosión esfuerzo, de una chaqueta para cable eléctrico que operó en pozo petrolero (medio acuoso con sal, H2S y CO2), la cual estaba hecha de acero AISI 304 soldado. Nótese que no hay productos de la corrosión en la superficie de fractura (inferior izquierda); imagen de MEB de la superficie de fractura de la chaqueta anterior (inferior derecha).

Fuente: elaboración propia.

Bajo inspección visual a ojo desnudo, con lupas o estereoscopio, o bajo inspección con MEB, en la zona de propagación estable de grieta, se podrán encontrar marcas Ratchet, marcas radiales, marcas de río y marcas de playa (figura 3.65, central derecha e inferiores), donde se sigue la misma lógica de dirección de propagación respecto a las marcas que se muestran en la figura 3.4. Las marcas de playa se pueden formar por detención en el crecimiento de grieta, cambios en el valor del esfuerzo aplicado o cambios en el medio presente (química, temperatura, pH, etcétera); sin embargo, la presencia de marcas de playa no es tan común como en el caso de la fatiga, ya que muchos de los elementos que se agrietan están bajo carga constante; la marca de playa que más comúnmente se encuentra, es la que separa la zona de propagación estable de la de fractura súbita final. En general, se observa que la densidad de marcas Ratchet, radiales y de río es alta en las superficies de fractura por corrosión esfuerzo, ya que, entre otras razones, este modo de fractura tiende a tener múltiples orígenes, múltiples ramificaciones de grieta y alta rugosidad (debido a que los mecanismos de agrietamiento están fuertemente influenciados por la estructura granular del metal).

Sobre las superficies de fractura en materiales no pasivantes, se podrán encontrar productos de la corrosión (exceptuando algunos casos, por ejemplo, en el agrietamiento por hidrógeno) (figuras 3.65, central derecha, y 3.67, izquierda), mientras que en materiales pasivantes es común que no queden productos de la corrosión (de nuevo con excepciones) (figura 3.65, inferior izquierda). Además, las superficies de las piezas agrietadas puede que presenten o no signos de algún otro mecanismo de la corrosión aparte del agrietamiento (figura 3.66).

Figura 3.66 Piezas de acero inoxidable AISI 304

Nota. Superficie de tubería agrietada por corrosión esfuerzo a 150 oC, en medio acuoso estático con alta concentración de cloruros, donde además hay corrosión uniforme y por picaduras en la superficie (izquierda); superficie de chaqueta para cable eléctrico agrietada por corrosión esfuerzo, en pozo petrolero (medio acuoso con sal, H2S y CO2 a 100 oC en flujo continuo), en donde no hay signos de otras formas de corrosión aparte del agrietamiento (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Debido a estas situaciones, es claro deducir que no siempre que haya corrosión y agrietamiento se debe inferir automáticamente que el mecanismo presente es corrosión esfuerzo (porque la corrosión pudo ser posterior a la fractura o agrietamiento); ni tampoco se puede inferir que si no hay ningún signo de corrosión, ello descarte que una grieta se haya formado por corrosión esfuerzo.

Así pues, el analista debe recurrir, aparte de la información que brinda la pieza, a información sobre temperatura, composición del medio en que se operó, esfuerzos aplicados (estáticos y/o cíclicos) residuales, etcétera, para poder establecer si se tiene efectivamente un caso de agrietamiento por corrosiónesfuerzo o no.

Bajo observación a ojo desnudo, con lupas o estereoscopio, la textura granular de las superficies de fractura es la más común en el agrietamiento por corrosión esfuerzo, y se presenta cuando a nivel microscópico hay agrietamiento intergranular o transgranular, con cambios importantes de dirección en la propagación de la grieta de un grano a otro. Si en el agrietamiento transgranular no hay cambios importantes de dirección entre un grano y otro, la textura tenderá a ser tersa (asemejándose a las de fatiga de alto ciclaje) (figura 3.67). En términos generales, la rugosidad promedio de las superficies de fractura por corrosión esfuerzo tiende a ser mayor que las de la fatiga de alto ciclaje.

Figura 3.67 Texturas de superficies de fractura por corrosión esfuerzo

Nota. Textura granular de superficie de fractura por corrosión esfuerzo, de acero AISI 4120 que operó en ambiente de pozo petrolero (izquierda). Nótese la presencia de los productos de la corrosión sobre la superficie; textura tersa en acero AISI 304 agrietado por corrosión esfuerzo, en ambiente de pozo petrolero (derecha).

Fuente: elaboración propia.

En los agrietamientos y fracturas por corrosión esfuerzo, es común que se presenten varias grietas paralelas y cada una con varias ramificaciones, lo cual se atribuye sobre todo a la acción corrosiva, que permite que no se genere una sola grieta predominante, como ocurre en la fatiga, sino que varias de ellas puedan propagarse profundamente en la pieza. La acción corrosiva también permite que puedan darse varios ánodos o cátodos (según sea el mecanismo predominante), en cada grieta principal, lo que origina las ramificaciones (figura 3.68, izquierda). Si la acción del crecimiento de grietas se diera solo por el esfuerzo, como es el caso de la fatiga, la cabeza de grieta sería la única zona propensa a propagar. No obstante lo anterior, también en corrosión esfuerzo se pueden presentar grietas con pocas o nulas ramificaciones (figura 3.68, central). Al abrir las grietas secundarias se podrá tener mayor claridad sobre el mecanismo de agrietamiento predominante y los sitios de origen. En aquellos casos en los cuales el agrietamiento estuvo asociado a la disolución anódica, será posible notar que las grietas son anchas y con productos de la corrosión en su interior (lo cual también es válido para las grietas de corrosión fatiga) (figura 3.68, derecha), mientras que, por ejemplo, las grietas por fatiga serán finas y sin productos en ellas (figura 3.59).

Figura 3.68 Agrietamientos inter y transgranulares por corrosión esfuerzo

Nota. Aleación Inconel 625 con agrietamiento transgranular ramificado, la cual operó en solución acuosa de Cl– + H2S + CO2 a altas temperaturas (izquierda); acero no aleado de bajo carbono con agrietamiento intergranular no ramificado, el cual operó con vapor de agua aireado a 300 oC (centro); detalle de una de las grietas de la foto izquierda, en cuyo interior se aprecian productos de la corrosión (derecha).

Fuente: elaboración propia.

La trayectoria promedio que siguen las grietas de corrosión esfuerzo durante su nucleación y propagación es similar a la de las fracturas súbitas frágiles (figura 3.24), donde en general se sigue una trayectoria perpendicular al máximo esfuerzo normal local, generado por los diferentes modos de carga (modo I, combinaciones de modos I y II, y de modos I y III); también se ha documentado propagación bajo modo III en torsión.

Al inspeccionar a altos aumentos las superficies de agrietamiento por corrosión esfuerzo de metales, con el estereoscopio o el MEB, y complementar dicha inspección con observación de secciones metalográficas transversales a las superficies de fractura, se podrá identificar si el mecanismo predominante es: (a) el agrietamiento intergranular (figura 3.69, fotos superiores) o (b) el agrietamiento transgranular (figura 3.69, fotos inferiores). El agrietamiento intergranular puede mostrar evidencias de “cavitación” en límites de grano, si hay formación de microvacíos cerca de ellos, ruptura de partículas de segunda fase, etcétera (figura 3.69, superior central). En el agrietamiento transgranular, cada grano tiende a mostrar una superficie de fractura similar a la del clivaje frágil (cuasiclivaje), razón por la cual, varios de los mecanismos de agrietamiento mostrados en la figura 3.63 incluyen al clivaje como medio de propagación. Mediante pruebas de emisión acústica, los investigadores han detectado que algunos materiales en algunos medios propagan las grietas a saltos, lo cual genera en la superficie de fractura estriaciones, sobre todo en el agrietamiento transgranular (figura 3.69, inferior izquierda). Se debe ser cuidadoso de no confundir estas estriaciones con las de fatiga, por ejemplo, recurriendo a la información recopilada del historial de la pieza y de otras características de la superficie de fractura. Sin embargo, es importante recalcar que no todos los agrietamientos por corrosión esfuerzo generan estriaciones. Una superficie de grieta puede mostrar zonas transgranulares y otras intergranulares, lo cual puede indicar alternancia entre comportamientos anódicos y catódicos durante la propagación, y también se puede presentar en el agrietamiento por corrosión fatiga.

Figura 3.69 Imágenes de MEB y metalográficas de fracturas por corrosión esfuerzo

Nota. Fractura intergranular por corrosión esfuerzo de acero AISI 4120 que operó en ambiente de pozo petrolero: aspecto típico en MEB (izquierda y central superior). Nótese la presencia de la cavitación en límite de grano; aspecto típico en sección metalográfica (superior derecha). Nótese que la superficie de fractura bordea los granos. Fractura transgranular por corrosión esfuerzo de acero AISI 304 que operó en ambiente de pozo petrolero: aspecto típico en MEB (izquierda y central inferior). Nótese la presencia de estrías y la textura del cuasiclivaje en cada grano; aspecto típico en sección metalográfica (inferior derecha). Nótese que la superficie de fractura atraviesa los granos. Las flechas rojas indican el sentido de propagación.

Fuente: elaboración propia.

En aquellos casos donde hay productos de la corrosión ubicados en la superficie de fractura, que no permiten visualizar la textura o las marcas bajo inspección óptica o con MEB, será necesario remover por vía química o con ultrasonido dichos productos para acceder a las superficies; pero previamente a ello se deberán tomar las muestras de los productos necesarias para conocer su composición química.

En la referencia [21] el lector encontrará una ampliación sobre los mecanismos y fractografía de las fracturas por corrosión esfuerzo.