La fatiga por corrosión es la fatiga en un ambiente corrosivo. Es la degradación mecánica de un material bajo la acción conjunta de la corrosión y la carga cíclica. Casi todas las estructuras de ingeniería experimentan algún tipo de tensión alterna y están expuestas a entornos dañinos durante su vida útil. El medio ambiente juega un papel importante en la fatiga de 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 de resistencia a la fatiga por corrosión.
Los efectos de los ambientes corrosivos sobre el comportamiento de fatiga de los metales ya se estudiaron 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 fallas. El único requisito para la fatiga por corrosión es que la muestra esté sometida a tensión de tracción.
El efecto de la corrosión en un diagrama SN de muestra lisa se muestra esquemáticamente a la derecha. La curva A muestra el comportamiento a fatiga de un material ensayado en aire. En la curva A se ve un umbral (o límite) de fatiga, correspondiente a la parte horizontal de la curva. Las curvas B y C representan el comportamiento a 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 en 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 . Estos materiales de alta resistencia generalmente presentan límites de fatiga más altos y pueden usarse en niveles de tensión de servicio más altos incluso bajo cargas 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 mediante picaduras o bandas deslizantes persistentes . [3] La fatiga por corrosión puede reducirse mediante adiciones de aleaciones, 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 descubrió que los tratamientos superficiales como enchapado, revestimiento, nitruración y granallado mejoran la resistencia de los materiales a este fenómeno. [5]
En ensayos de fatiga normales de muestras lisas, alrededor del 90 por ciento se gasta en la nucleación de grietas y sólo el 10 por ciento restante en la propagación de grietas. Sin embargo, en la corrosión, la nucleación de las grietas por fatiga se ve facilitada por la corrosión; normalmente, alrededor del 10 por ciento de la vida es suficiente para esta etapa. El resto (90 por ciento) de la vida se pasa 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 prefisuradas, midiendo eficazmente el comportamiento de propagación de grietas. Por esta razón, se da énfasis a las mediciones de la velocidad de propagación de grietas (usando mecánica de fractura) para estudiar la fatiga por corrosión. Dado que las grietas por fatiga crecen de manera estable por debajo del factor crítico de intensidad de tensión para la fractura (tenacidad a la fractura), el proceso se denomina crecimiento de grietas subcrítico.
El diagrama de la derecha muestra el comportamiento típico de fatiga-crecimiento de grietas. En este gráfico log-log , la velocidad de propagación de la grieta se representa frente al rango de intensidad de 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 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, y el rango de intensidad de tensión conduce a la fractura en el valor de tenacidad a la fractura.
La propagación de grietas bajo fatiga por corrosión se puede clasificar como a) fatiga por corrosión verdadera, b) fatiga por corrosión bajo tensión o c) una combinación de fatiga por corrosión verdadera, tensión y corrosión.
En la verdadera fatiga por corrosión, la corrosión aumenta la tasa de crecimiento de grietas por fatiga; Este efecto se observa en las tres regiones del diagrama de tasa de crecimiento de fisuras por fatiga. El diagrama de la izquierda es un esquema de la tasa de crecimiento de grietas bajo fatiga por corrosión real; la curva se desplaza 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 de tensión. La fractura de la muestra ocurre cuando el rango del factor de intensidad de tensión es igual al factor de intensidad de tensión umbral aplicable para el agrietamiento por corrosión bajo 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 , por picaduras , por 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, degradando el rendimiento de un material (al aumentar la tasa de crecimiento de grietas) más que cualquier otro tipo de corrosión; incluso los hoyos del orden del tamaño de grano de un material pueden degradarlo sustancialmente. 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 mayor aumento en las tasas de crecimiento de grietas con cargas bajas que con cargas altas. [7]
En materiales donde el factor máximo de intensidad de tensión aplicada excede el valor umbral de agrietamiento por corrosión bajo tensión, la corrosión bajo tensión aumenta la velocidad de crecimiento de las grietas. 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 del umbral de intensidad de tensión 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 umbral de intensidad de tensión para la propagación de grietas por fatiga no cambia en el ambiente corrosivo. En el caso más general, el crecimiento de grietas por fatiga por corrosión puede presentar ambos efectos anteriores; El comportamiento de crecimiento de grietas se representa en el esquema de la izquierda.
