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3.10 FRACTURAS PROGRESIVAS POR CORROSIÓN FATIGA

Estas son fracturas que para formarse requieren varios ciclos de carga (figura 3.41), donde los ciclos de esfuerzo y reacciones de corrosión anódicas o catódicas cooperan de manera sinérgica en el agrietamiento, en un ambiente químico específico (líquido o gaseoso); se trata de una sinergia corrosión fractura o más específicamente, sinergia entre corrosión y ciclos de esfuerzo. Se habla de corrosión fatiga si la vida a fractura es menor, que si solo actuase la carga cíclica sin medio corrosivo (vida a fatiga mecánica), o si solo se tuviese el medio corrosivo con la carga máxima constante (vida a corrosión esfuerzo). La acción del medio puede darse en la etapa de nucleación de las grietas y/o durante su propagación. El agrietamiento por corrosión fatiga se da preferentemente en alto ciclaje, ya que a bajo ciclaje la cinética del agrietamiento es tan alta que la acción corrosiva no alcanza a modificarla de manera apreciable; por lo anterior, los picos de los ciclos de esfuerzo generalmente no sobrepasan la resistencia a fluencia de la pieza. Un material dado experimenta este tipo de agrietamiento si está sometido a un determinado rango de esfuerzos y en un ambiente químico específico; si dicho rango disminuye o el medio ambiente cambia, el agrietamiento puede que no se presente o se dé una menor velocidad. La acción combinada de los ciclos de esfuerzo y el ambiente que rodea la pieza puede facilitar la nucleación del agrietamiento y aumentar su velocidad de crecimiento, a través de la interacción del ambiente con el material ubicado en la cabeza de grieta. Cada pareja material-ambiente bajo esfuerzos cíclicos, nuclea y propaga grietas de manera diferente y a esto se le denomina el mecanismo del agrietamiento por corrosión fatiga.

En medios corrosivos se notará que para un mismo valor de esfuerzo, la vida a fractura por fatiga será menor con respecto a un ambiente no tan agresivo (por ejemplo, en aire atmosférico), y en algunos medios puede incluso desaparecer el esfuerzo límite de fatiga (figura 3.70). Para una pieza hecha de un material dado y trabajando en un medio corrosivo específico, se podrá definir una resistencia límite de corrosión fatiga corregida (σCOR F AT C), si existe un esfuerzo de vida a fatiga infinita. Igual que con la fatiga mecánica, esta resistencia disminuye en la medida en que se tenga una razón de carga mayor. Estrictamente hablando, se debería hablar de fatiga mecánica solo cuando el material opera en el vacío, ya que incluso en aire atmosférico la resistencia a fatiga baja respecto a esta condición; sin embargo, se prefiere hablar de corrosión fatiga únicamente en medios más severos que el aire atmosférico, ya que este es el ambiente habitual de la mayoría de los elementos de máquinas.

Figura 3.70 Curvas de resistencia a fatiga de un material en diferentes medios

Fuente: elaboración propia.

En medios corrosivos igualmente se notará que la velocidad de crecimiento estable de grietas por fatiga aumentará, y el rango de intensidad de esfuerzos umbral disminuirá o podrá desaparecer (figura 3.71). En corrosión fatiga se habla del rango de intensidad de esfuerzos umbral para corrosión fatiga (ΔKCor umbral). Si el factor de intensidad de esfuerzos máximo de la onda de fatiga es mayor que el KIACE, se podrá tener sinergia entre los agrietamientos por corrosión fatiga y corrosión esfuerzo, y si la amplitud de la onda además es baja, predominará el agrietamiento por corrosión esfuerzo. Si el factor de intensidad de esfuerzos máximo de la onda de fatiga es menor que el KIACE, predominará el fenómeno de corrosión fatiga.

Algunas de las razones por las cuales la vida a corrosión fatiga puede llegar a ser menor que a corrosión esfuerzo son las siguientes: (1) la carga cíclica facilita la ruptura de las películas pasivantes (en duplas material-medio que permiten la pasivación); (2) la carga cíclica facilita el ingreso del fluido a la grieta y el transporte de masa asociado; (3) la carga cíclica, por su propia acción mecánica, favorece el crecimiento de las grietas respecto a cargas constantes.

Figura 3.71 Comportamiento de la velocidad de crecimiento estable de grietas por fatiga de alto ciclaje de un material en diferentes medios

Fuente: elaboración propia.

El tipo de esfuerzo que genera el agrietamiento, generalmente corresponde al modo I de carga, el cual se puede acentuar si hay esfuerzos residuales de tracción. Si los esfuerzos residuales presentes en la pieza son de compresión, ello puede aminorar el agrietamiento. El fenómeno de agrietamiento se da generalmente en solucione slíquidas, producto de condensación sobre las superficies de las piezas o por inmersión en estas. También medios gaseosos pueden provocar el agrietamiento.

Así, en resumen, para que ocurra una fractura por corrosión fatiga de un material inmerso en un ambiente específico, deberán darse dos situaciones: (a) que el pico de la onda de esfuerzo aplicada (σmáximo) sea igual o mayor a la resistencia límite de corrosión fatiga corregida (σCOR F AT C) para la razón de carga de la onda de esfuerzo aplicada (R), o en términos del factor de intensidad de esfuerzos, que el rango de intensidad de esfuerzos aplicados (ΔKaplicado) sea igual o mayor al rango umbral de la pieza (ΔKCor umbral) y (b) que se dé un número suficiente de ciclos.

En las fracturas por cooperación corrosión fatiga se presentan tres fases: (a) nucleación de grietas, (b) propagación estable de las grietas (que se da en las etapas I, II y III de la figura 3.43) y (c) fractura final por sobrecarga, una vez el tamaño de las grietas ha generado un factor de intensidad de esfuerzos igual a la tenacidad de fractura del material. El fenómeno de agrietamiento por corrosión fatiga es más complejo y amplio que el de corrosión esfuerzo, existiendo aún muchos interrogantes que es necesario resolver sobre los mecanismos involucrados en el agrietamiento.

3.10.1 Mecanismos del agrietamiento por corrosión fatiga en metales

El mecanismo más sencillo en el que el medio corrosivo puede facilitar la nucleación de las grietas, es a través del daño superficial de la pieza, vía la corrosión uniforme, la corrosión intergranular, o especialmente la de picaduras, ya que esto genera concentradores de esfuerzos superficiales que facilitan la nucleación de las grietas de fatiga.

Aparte del mecanismo básico mencionado en el párrafo anterior, los investigadores del área han propuesto en esencia los mismos mecanismos que se mencionaron para el agrietamiento por corrosión esfuerzo (figura 3.63), los cuales se describen de nuevo a continuación: (a) modelo de ruptura por deslizamiento de capas pasivantes, donde la nucleación de las grietas y su propagación se atribuyen a que la capa pasivante es repetidamente fracturada por el escalonamiento generado en el deslizamiento que se da en el frente de grieta bajo la carga cíclica. Lo anterior expone metal nuevo al medio, permitiendo su disolución por corrosión, su posterior repasivación y de nuevo fractura de la capa por el deslizamiento; este proceso se repite durante el agrietamiento. Este mecanismo es común en metales de baja energía de apilamiento. En este modelo se espera propagación transgranular similar a la fatiga mecánica; (b) modelo de zona activa en límite de grano, en donde se presenta agrietamiento preferentemente intergranular, debido a que en los límites de grano del material o en sus zonas adyacentes se encuentran precipitados y/o segregados que hacen que estas regiones sean más anódicas que el centro de los granos, facilitando la disolución del metal por corrosión bajo la acción del esfuerzo cíclico; (c) modelo de corrosión en túneles, donde se presenta disolución del metal por corrosión, en forma de pequeñas picaduras o túneles paralelos, que al ir creciendo dejan delgadas líneas de metal soportando el esfuerzo entre ellas, las cuales finalmente fracturan por fatiga bajo el esfuerzo cíclico. Lo anterior genera un escalón de avance de la grieta, y se repite cíclicamente el proceso de formación de los túneles y la fractura del metal entre ellos; (d) modelo de plasticidad acrecentada por absorción de elementos químicos en cabeza de grieta, donde desde el medio ambiente se difunden elementos químicos en la cabeza de grieta (especialmente el hidrógeno en zonas catódicas y en aleaciones de níquel), que aumentan el nivel de dislocaciones en planos de deslizamiento, facilitando deslizamientos cíclicos que permiten el crecimiento de las grietas; (e) modelo de fractura de capa pasivante frágil. En este caso la acción del esfuerzo cíclico fractura la capa pasivante frágil, exponiendo metal nuevo a la disolución por corrosión, con lo cual se forma una nueva capa que, al ir creciendo, de nuevo fractura, y se repite el ciclo de esta manera, profundizando la grieta; (f) modelo de inducción de clivaje por fractura de la capa pasivante. Este caso es similar al anterior, la diferencia radica en que el agrietamiento de la capa puede penetrar en el metal, lo que genera clivaje dentro de los granos. El clivaje crece hasta que la grieta se detiene por el abombamiento, lo que permite de nuevo la pasivación y posterior ruptura bajo el esfuerzo cíclico, y el proceso se repite. Este mecanismo también se propone para zonas dealeadas de un metal, donde es la fractura de la capa dealeada la que induce el clivaje de los granos de la aleación; (g) modelo de absorción de elementos químicos que inducen fragilidad: producto del proceso de corrosión, se difunden elementos químicos en la cabeza de grieta que bajan la resistencia de los enlaces en los planos de clivaje, lo cual permite el crecimiento de la grieta; (h) modelo de la descohesión inducida por el hidrógeno. Producto de la acción corrosiva, en las zonas catódicas se puede producir hidrógeno, el cual se difunde preferentemente en los límites de grano del metal, bajando la resistencia local y permitiendo la ruptura de enlaces, con lo cual crecen las grietas.

De los mecanismos de nucleación y propagación descritos se puede resumir lo siguiente: se aplican a aleaciones que se pasivan (mecanismos a, c, e y f); permiten explicar la presencia de estriaciones en la superficie de fractura (mecanismos a, c, d, e, f y g); generan agrietamiento intergranular (mecanismos b y h); generan agrietamiento transgranular (mecanismos a, c, d, e, f y g), dentro de los cuales algunos generan cuasiclivaje (mecanismos c, f y g); contemplan disolución anódica del metal en frente de grieta (mecanismos a, b, c, d, e, f y g); contemplan reacciones catódicas en frente de grieta como la evolución de hidrógeno, oxígeno o nitrógeno (mecanismos d, g y h); involucran dentro del proceso deslizamiento en frente de grieta y/o fractura de metal y/o fractura de la capa pasivante (mecanismos a, c, d, e, f, g y h).

Los mecanismos d y h son dos formas reportadas en que el hidrógeno puede provocar el agrietamiento bajo carga variable; sin embargo, el daño por hidrógeno también se puede manifestar a través de otros mecanismos como los descritos en el numeral 3.12.1, entre los que además se cuentan: (1) teoría de la presión de hidrógeno, (2) teoría de la reacción gaseosa y (3) teoría de la formación de hidruros.

Durante los agrietamientos por corrosión fatiga compiten los mecanismos de disolución anódica y de agrietamiento por hidrógeno (oxígeno o nitrógeno), dándose secuencialmente o presentándose en diferentes zonas dentro del mismo frente de grieta. Los mecanismos propuestos que involucran disolución anódica tienen problemas para explicar de manera adecuada la dependencia que existe entre la frecuencia de la carga y la rata de crecimiento de grietas por corrosión fatiga.

Los sitios preferentes en los cuales inicia el agrietamiento son zonas de alta solicitación por concentración de esfuerzo en la pieza (concentradores geométricos, de manufactura y generados en servicio), zonas con diferencias locales de composición química (pares galvánicos dentro del material), zonas con bajo espesor local de la capa pasivante, o zonas con capas endurecidas por golpes o mecanizado; sin embargo, también es posible que se presente agrietamiento en superficies planas libres de concentradores, pares galvánicos o daños superficiales, de manera tal que el esfuerzo cíclico sea el suficiente para el ambiente presente. Dentro de los concentradores de esfuerzo generados en servicio, los producidos por la acción corrosiva del medio son muy importantes, como picaduras de corrosión y la corrosión intergranular, sin embargo, no necesariamente se presenta corrosión previa al agrietamiento, ni siempre que se tenga corrosión intergranular o picaduras se va a producir agrietamiento. Para que a partir de picaduras de corrosión se genere agrietamiento, se requieren grandes relaciones de aspecto de estas (profundidad/diámetro), mayores a 10. También son importantes como zonas de inicio, aquellas donde se presenten efectos de rendija (gradientes de concentración de especies respecto al fluido libre), como pueden ser zonas de traslape entre piezas o zonas de estanque de fluido en defectos superficiales. En cuanto a las zonas que presentan dealeación en una superficie, se ha detectado que pueden actuar como orígenes del agrietamiento (figura 3.72). Por razones obvias, no hay origen subsuperficial de agrietamientos por corrosión fatiga, y, sin embargo, una vez las grietas lleguen a la superficie por otro mecanismo progresivo, al entrar el medio en ellas se puede seguir la propagación por corrosión fatiga en el interior de la pieza.

A continuación, se mencionan las variables más importantes y su influencia en el fenómeno del agrietamiento por corrosión fatiga en metales:

1. Frecuencia de la carga de fatiga. La velocidad de crecimiento de las grietas aumenta en la medida en que baja la frecuencia, y generalmente se presenta agrietamiento intergranular a bajas frecuencias y transgranular a altas. Esto se atribuye a que a mayor frecuencia el daño por deformación plástica en cabeza de grieta es menor y, además, se dificulta el transporte de fluido dentro de la grieta; por ello la vida y la resistencia a corrosión fatiga a altas frecuencias se aproxima a sus equivalentes en la fatiga mecánica.

Figura 3.72 Sitios de agrietamiento por corrosión fatiga

Nota. Ejes de acero AISI 4120 modificados que presentaron fractura en la base de radios de cambio de sección bajo carga flectora en contacto con solución acuosa de Cl– + H2S + CO2 (fotos superiores); eje del mismo material trabajando en el mismo medio que experimentó corrosión por picaduras, seguidas de agrietamiento y fractura por corrosión fatiga (fotos inferiores). La imagen inferior derecha corresponde a una sección metalográfica en una de las picaduras, desde las cuales se puede ver que nuclearon tres grietas de corrosión fatiga (ataque químico con nital al 2 %).

Fuente: elaboración propia.

2. Razón de carga. En algunas aleaciones puede presentarse que altas razones de carga (onda poco variable) muestren mayor velocidad de crecimiento de grietas (altos da/dN), y viceversa, lo cual se puede deber a que una alta razón de carga produce una mayor abertura de grieta y, por tanto, mayor contacto con el fluido corrosivo.

3. Forma de la onda. Ondas de carga que tengan tiempos prolongados de crecimiento, como las sinusoidales o triangulares, muestran mayor velocidad de crecimiento de las grietas, en comparación con ondas con tiempos de crecimiento cortos como las cuadradas, lo que se atribuye al mayor tiempo de contacto del frente de grieta con el fluido en las primeras ondas mencionadas. En la fatiga mecánica no se nota, en general, influencia de la forma de la onda sobre la velocidad de propagación de las grietas.

4. Esfuerzo residual de cierre de la grieta. Este se debe a que por la deformación plástica que se da en frente de grieta, existe una tendencia natural a que la grieta se cierre por un efecto recuperador de compresión. Este esfuerzo residual contrarresta en parte la carga máxima de fatiga y por ello puede arrojar en ensayos un valor de ΔKCOR umbral mayor que el real. Este corrimiento también se notará en la fatiga mecánica, pero puede llegar a ser más severo en la corrosión fatiga, ya que los productos de la corrosión entre las superficies de grieta (si hay reacciones anódicas), acrecentarán la deformación y, por tanto, el esfuerzo residual de compresión.

5. Temperatura. En general a mayor temperatura mayor rata de crecimiento de las grietas, debido a que se acelera la cinética de las reacciones químicas. En la fatiga mecánica, el efecto de la temperatura solo se empieza a notar desde un cierto valor de esta.

6. Tamaño de grano. El tamaño de grano grueso en la fatiga mecánica puede retardar la velocidad de crecimiento de las grietas, ya que por la mayor rugosidad generada incrementa el esfuerzo residual de cierre de la grieta; sin embargo, en corrosión fatiga el efecto es menor o incluso puede desaparecer, debido a que prima la presencia de los productos de la corrosión en el esfuerzo residual de cierre o se tiene mezcla de propagación inter y transgranular.

Otras variables que influyen en si se producirá o no el agrietamiento y la cinética a la cual se dará son, a saber: la composición de la aleación, la estructura cristalina, la microestructura, el contenido de inclusiones, el tratamiento térmico, la dureza, la composición de los límites de grano, la textura, la distribución de los elementos aleantes, las propiedades mecánicas del material, la tendencia pasivante del material en el medio, el tipo de ambiente corrosivo, la composición química del ambiente, el pH del ambiente, el potencial electroquímico, la viscosidad, la presión, el grado de aireación de la solución, el nivel de agitación, el máximo factor de intensidad de esfuerzos aplicado, el rango de intensidad de esfuerzos aplicados, el nivel de esfuerzos residuales, la rata de deformación, el estado de esfuerzos (plano o triaxial), el tamaño de la grieta y su geometría.

Durante el diseño de un componente mecánico que operará en un ambiente que puede producirle agrietamiento por corrosión fatiga, el diseñador deberá escoger la composición química y el nivel de dureza adecuado del material (de acuerdo con el nivel de cargas de fatiga esperado). Para escoger la aleación que se vaya usar, se deberá evitar usar aquellas que se sabe son susceptibles de agrietarse en el medio en que se operará, y si ello no es posible, documentarse bien sobre la mejor combinación de microestructura, composición específica de aleación y medio, temperatura y demás variables mencionadas, que minimizarán la ocurrencia del agrietamiento. El espectro de ambientes que pueden favorecer el agrietamiento bajo carga de fatiga de las diferentes aleaciones, es mucho más amplio que el que produce agrietamientos por corrosión esfuerzo, y los medios que provocan agrietamiento en corrosión esfuerzo no necesariamente son los mismos que lo favorecen en corrosión fatiga (por ejemplo, las aleaciones de cobre pueden agrietarse por corrosión fatiga en ambientes acuosos con cloruros, mientras que estos no favorecen el agrietamiento por corrosión esfuerzo). En general, se escogen tratamientos térmicos y microestructuras que den durezas bajas, ya que ello asegura un bajo nivel de esfuerzos residuales y un material que por tener microestructuras de baja energía, es menos susceptible a la corrosión y al agrietamiento por corrosión fatiga. Desde el diseño se deberá propender por mantener los esfuerzos aplicados y residuales bajos. Los esfuerzos residuales pueden provenir de fabricación, por tratamiento térmico, soldadura, trabajo en frío, etcétera, o generarse en servicio; por ejemplo, cuando la acumulación de productos de la corrosión genera cuñas que esfuerzan piezas bajo unión. La protección catódica y la presencia de algunos aniones no fragilizantes pueden en algunos casos evitar o aminorar la velocidad del agrietamiento. Sin embargo, en la protección catódica se debe ser cuidadoso de no promover una excesiva evolución de hidrógeno, lo cual también puede promover el agrietamiento.

La carga variable más el ambiente corrosivo hará que, en general, la rata de crecimiento de grietas sea mayor que si solo dependiera de la corrosión, es decir, de la corriente de la corrosión, ya que las ondas de esfuerzos por el trabajo plástico asociado en frente de grieta y la ruptura de películas pasivantes, entre otros fenómenos, aumentarán la velocidad del agrietamiento.

La reacción de corrosión que acompañe al agrietamiento (anódica o catódica) quedará determinada por la condición termodinámica más factible. El agrietamiento intergranular de las aleaciones se favorece si existen gradientes de composición química (segregaciones) o precipitados que inducen a fragilidad en dichas zonas.

Medios que pueden cooperar con el esfuerzo cíclico para producir el agrietamiento son, 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 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 pueden 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 por fatiga, 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 por corrosión fatiga en las diferentes aleaciones que la componen.

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, el ambiente rico en cloruros que rodea a las piezas durante su transporte marítimo, los fundentes de soldadura empleados durante el ensamble de una estructura, los lavados ácidos y/o alcalinos periódicos, los periodos de encendido y apagado de los equipos de proceso, donde se presentan gradientes de composición en los fluidos de trabajo, etcétera. Estos fluidos, al permanecer en el equipo o estructura, podrán nuclear grietas al actuar las cargas de fatiga.

En aleaciones de aluminio las grietas de corrosión fatiga se pueden originar en picaduras o corrosión intergranular, siendo predominante el agrietamiento transgranular, y no el cristalográfico (contrariamente a fatiga mecánica), y tiende a seguir siempre la perpendicular al normal máximo de tracción. La anisotropía de la resistencia al agrietamiento por corrosión fatiga en estas aleaciones, no es tan alta como la que se presenta en corrosión esfuerzo, donde la resistencia al agrietamiento depende fuertemente de la dirección dentro de una pieza laminada. Las soluciones acuosas con cloruros promueven tanto el agrietamiento por corrosión esfuerzo como el que se debe a corrosión fatiga.

En aceros al carbono, el agrietamiento puede ser predominantemente transgranular o intergranular (dependiendo de si predomina la reacción anódica o catódica). El agrietamiento tiende a ser intergranular a bajas frecuencias y temperaturas, pasando a transgranular del tipo cuasiclivaje a frecuencias medias, y siendo transgranular, similar a la fatiga mecánica, a altas frecuencias y temperaturas. El agrietamiento tiende a ser poco ramificado, si se compara con el que es resultado de la corrosión esfuerzo. Los sitios de origen pueden estar en picaduras o regiones de corrosión intergranular, pero ello no es condición indispensable.

En las aleaciones de cobre, el agrietamiento por corrosión fatiga tiende a ser intergranular, siendo especialmente susceptibles a soluciones con cloruros. Las aleaciones de titanio tienen la particularidad de ser sensibles a la fragilización por hidrógeno, mediante el mecanismo de formación de hidruros, lo que hace que este mecanismo sea el principal del agrietamiento catódico, dentro de los fenómenos de corrosión esfuerzo y corrosión fatiga en estas aleaciones.