CONDICIONES EXPERIMENTALES PARA EL ANÁLISIS POR CORRELACIÓN DE IMÁGENES DIGITALES EN CORROSIÓN...

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UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIN DE INGENIERA DE MATERIALES

TRABAJO DE GRADO

CONDICIONES EXPERIMENTALES PARA EL ANLISIS POR CORRELACIN DE

IMGENES DIGITALES EN CORROSIN BAJO ESFUERZO

Por:

JOS FRANCISCO BOLVAR VIA

ENERO, 2014

1

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIN DE INGENIERA DE MATERIALES

CONDICIONES EXPERIMENTALES PARA EL ANLISIS POR CORRELACIN DE

IMGENES DIGITALES EN CORROSIN BAJO ESFUERZO

Trabajo de Grado presentado ante la ilustre Universidad Simn Bolvar por

Jos Francisco Bolvar Via

Como requisito parcial para optar al grado de

Ingeniero de Materiales

Con la asesora de los profesores:

Marion Fregonese

Julien Rethore

Edda Rodrguez

ENERO, 2014

i

Resumen

En el presente trabajo se estudiaron las condiciones experimentales compatibles y

ptimas, para obtener un agrietamiento mltiple en condiciones de Corrosin Bajo Esfuerzo

(CBE) de un acero inoxidable austentico (304L), con el fin de analizar el fenmeno mediante la

tcnica de Correlacin de Imgenes Digitales (DIC, por sus siglas en ingles). En complemento a

la DIC, se utilizaron otras tcnicas tales como: el Ruido Electroqumico (RE) y la Emisin

Acstica (EA), con la finalidad de seguir el proceso de fisuracin.

Las probetas de traccin a evaluar fueron obtenidas a partir de una lmina de acero AISI

304L de 2 mm de espesor y fueron tratadas trmicamente. Dicho tratamiento trmico,

denominado tratamiento de sensibilizacin, fue llevado a cabo a 650C por 74 horas, con la

finalidad de hacerlas ms propensas a sufrir Corrosin Bajo Esfuerzo Intergranular. Los ensayos

se llevaron a cabo en dos medios agresivos: soluciones diluidas de tiosulfato y soluciones de

cloruro de sodio acidificadas. Se estudi la capacidad de estas soluciones en producir un

agrietamiento mltiple. Por otro lado, se estudiaron distintos modos de solicitacin: Carga

Constante o a velocidad (baja) de deformacin constante (SSRT); con el fin de obtener un

agrietamiento mltiple adecuado y compatible con la tcnica de correlacin de imgenes.

Los resultados obtenidos indicaron que los ensayos realizados en las soluciones diluidas

de tiosulfato necesitan un alto grado de sensibilizacin del acero (cercano al 30%) para sufrir

CBE, mientras que en las soluciones de iones cloruros acidificadas, necesitan un alto nivel de

acidez. Por otro lado, se encontr que la carga constante no influencia el proceso de

agrietamiento, pero produce fisuras con pocos rasgos coloniales.

Palabras claves: CBE, Agrietamiento mltiple, Sensibilizacin, DIC, Ruido Electroqumico,

Emisin Acstica, Corrosin Bajo Tensin.

ii

INDICE GENERAL

Resumen .......................................................................................................................................... i

INDICE GENERAL ..................................................................................................................... ii

INDICE DE FIGURAS ................................................................................................................ iv

INDICE TABLAS ......................................................................................................................... vi

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS ........................................................................ vii

Introduccin ................................................................................................................................... 1

CAPITULO I: Marco terico ....................................................................................................... 3

1.1. Corrosin bajo esfuerzo: mecanismos y modos de fractura ................................................. 3

1.2. Fisuracon mltiple en corrosin bajo esfuerzo .................................................................... 7

1.3. Aceros inoxidables (304) ...................................................................................................... 7

1.4. Sensibilizacin de los aceros inoxidables ............................................................................. 8

1.5. Tcnicas de solicitacin mecnica para estudios en CBE .................................................... 9

1.6. La tcnica de emisin acstica como herramienta de monitoreo en CBE .......................... 10

1.7. La seal de EA y sus caractersticas ................................................................................... 10

1.8. Emisin acstica en estudios de CBE ................................................................................. 12

1.9. Ruido electroqumico: La tcnica ....................................................................................... 13

1.10. Mtodos de anlisis de la data de RE ................................................................................ 14

1.11. Monitoreo de CBE mediante ruido electroqumico .......................................................... 15

1.12. Correlacin de imgenes digitales (DIC, por sus siglas en ingls) ................................... 19

1.13. Sntesis bibliogrfica y propuesta de un protocolo experimental ..................................... 21

CAPITULO II: Procedimiento experimental ........................................................................... 22

2.1. Estudio del tratamiento de sensibilizacin .......................................................................... 22

2.1.1. Medicin del grado de sensibilizacin mediante la tcnica DL-EPR .......................... 23

2.2. Soluciones usadas para los ensayos de CBE ....................................................................... 23

2.3. Ensayos de corrosin bajo esfuerzo .................................................................................... 24

2.4. Adquisicin de datos de Ruido Electroqumico (RE) ......................................................... 25

2.5. Sistema de adquisicin de Emisin Acstica (EA) ............................................................. 26

2.6. Adquisicin de imgenes para la DIC ................................................................................ 26

2.7. Caracterizacin de las fisuras .............................................................................................. 27

Capitulo III: Resultados y discusiones ...................................................................................... 28

iii

3.1. Tratamientos trmicos de sensibilizacin ........................................................................... 28

3.2. Agrietamiento mltiple y ensayos de CBE ......................................................................... 30

3.3. Morfologa de las grietas segn el modo de solicitacin: Carga Constante (CC) o velocidad

de deformacin constante (SSRT, por sus siglas en ingls) ...................................................... 34

3.4. Preparacin de superficies para los anlisis por DIC .......................................................... 37

3.5. Asuntos generales de la tcnica de emisin acstica .......................................................... 39

3.6. Ensayos de CBE y correlacin entre las tcnicas de EA, RE y DIC .................................. 39

CAPITULO IV: Conclusiones y recomendaciones .................................................................. 46

5.1. Conclusiones ....................................................................................................................... 46

5.2. Recomendaciones ............................................................................................................... 47

REFERENCIAS .......................................................................................................................... 48

A. Soluciones de tiosulfato .......................................................................................................... 53

B. Procedimiento para la separacin de las etapas de iniciacin y propagacin, usando

medidas de elongacin ................................................................................................................. 54

C. Parmetros acsticos de MISTRAS ...................................................................................... 54

D. Otras configuraciones frecuentes en estudios de ruido electroqumico ............................. 55

E. Parmetros estadsticos utilizados en los anlisis de RE ..................................................... 56

F. Caracterizacin de las preparaciones de superficies: Criterios de evaluacin mediante

ensayos digitales (propuestos por Y. Guichon) ......................................................................... 57

G. Modos de agrietamiento segn el tipo de solicitacin mecnica ........................................ 59

H. Falla en condiciones de SSRT en 0,5 M NaCl + 1,5 M H2SO4: Ejemplar 7 con 3 % de

pre-deformacin .......................................................................................................................... 61

I. Diferencias en la apariencia de la fractura segn los distintos modos de solicitacin

estudiados: Fractografias obtenidas mediante el uso de MEB ................................................ 62

J. Protocolo de evaluacin del grado de sensibilizacin de una muestra sometida a un

ensayo de DL-EPR ....................................................................................................................... 64

iv

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Representacin de la propagacin tpica de una grieta en funcin del Kic, se ilustran

3 etapas. [6] ...................................................................................................................................... 3

Figura 1.2: Representacin esquemtica de la propagacin de una grieta de CBE segn el

modelo de ruptura de la capa pasiva [6] ......................................................................................... 5

Figura 1.3: Caractersticas principales de una seal discreta de EA ........................................... 11

Figura 1.4: Algunas fuentes de emisin acstica en CBE [30] ..................................................... 12

Figura 1.5: Montaje experimental para realizar medidas de RE en corrosin libre .................... 13

Figura 1.6: Registro del potencial y la corriente para un AISI 316 sumergido en una solucin

desairada de cloruros durante picadura metaestable [40] ............................................................ 14

Figura 1.7: Diagrama esquemtico donde se muestra el ruido tpico en el potencial, de un

electrodo bajo corrosin por picaduras [44] ................................................................................. 16

Figura 1.8: RE del potencial y de la corriente para un AISI 304 (DOS 23%) inmerso en 10 mM

de tetrationato y solicitado en CC a 230 MPa. [26] ...................................................................... 17

Figura 1.9: Fluctuaciones caractersticas encontradas por Breimesser y colaboradores; en un

AISI 304 inmerso en 10mM de tetrationato de potasio y solicitado en CC a 230 MPa. [26] ....... 19

Figura 2.1: Geometra del electrodo de trabajo (ejemplar de tensin) y del contra-electrodo ...... 24

Figura 2.2: Montaje experimental para los ensayos de CBE ........................................................ 25

Figura 3.1: Fotos obtenidas mediante MEB de la muestra 7, a) se puede observar una gran

cantidad de picaduras en la superficie de poca profundidad y b) la grieta muestra una apariencia

trans-granular, caracterstica de la fragilizacin por hidrgeno ..................................................... 33

Figura 3.2: a) Desviacion estandar del desplazamiento en funcion del movimiento de cuerpo

solido (aplicado digitalmente a la imagen) y b) promedio del error relativo al desplazamiento en

funcion del desplazamiento aplicado de forma digital ................................................................... 37

Figura 3.3: Halos generados por la reflexin de la luz sobre la superficie preparada por chorro de

arena................................................................................................................................................ 38

Figura 3.4: Perfil de micro-dureza realizado en las muestras preparadas por: chorro de arena

grabado electroqumico .................................................................................................................. 38

Figura 3.5: Curva cumulativa de hits y energa, obtenidas en el monitoreo por EA del ejemplar A

(CC en solucin de tiosulfato). El incremento en actividad acstica corresponde a la etapa de

propagacin de la grieta .................................................................................................................. 39

v

Figura 3.6: Data derivada de los equipos de EA y RE del ensayo de CBE del ejemplar B .......... 41

Figura 3.7: Deteccin de la primera fisura por DIC, se muestra el mismo anlisis a tiempos

posteriores. a) t=3232 s b) t=3607 s c)t=3982 s y d) fotografa a 3607 s, sin anlisis por DIC. .... 42

Figura 3.8: Propagacin de una fisura, vista por DIC a distintos tiempos: a) t=6232s b) t=6982s

c) 7732s y d) fotografa a 12982 s, sin anlisis por DIC ................................................................ 42

Figura 3.9: Data derivada de los equipos de EA y RE del ensayo de CBE del ejemplar 7 .......... 43

Figura 3.10: Data derivada de los equipos de EA y RE del ensayo de CBE del ejemplar 8 ........ 43

Figura 3.11: Deteccin de una picadura por DIC: a) t= 2550s b) t= 2850s c) t=3300 y d)

t=12300s ......................................................................................................................................... 44

Figura 3.12: Fotografa de la superficie del espcimen 7 a 25.848 s. Se pueden observar burbujas

de hidrgeno ................................................................................................................................... 44

Figura 3.13: Fotografa de la superficie del espcimen 7 a 20.110 s. Se pueden observar burbujas

de hidrgeno ................................................................................................................................... 45

Figura A.1: Representacin de alguno oxianiones de azufre, los tomos rojos representan el

oxgeno, mientras que los tomos amarillos representan el azufre ............................................... 53

Figura D.1: Montajes experimentales: a) montaje de RE bajo control galvanostatico y b)

montaje de RE bajo control potenciostatico .................................................................................. 55

Figura G.1: Microfotografas obtenidas luego de los ensayos de CBE. a) Ejemplar A solicitado

en CC, b) ejemplar 1 deformado en SSRT, c) ejemplar B deformado en SSRT, d) ejemplar 7

deformado en SSRT y e) ejemplar 8 deformado en SSRT (vase tabla G.1) ............................. 59

Figura H.1: Microfotografas del ejemplar 7 obtenidas mediante microscopia ptica. Las

imgenes b-e exhiben una disminucin de la talla de las fisuras ................................................... 61

Figura I.1: Fotografas obtenidas a travs de la MEB de la superficie de fractura del ejemplar

A, solicitado en CC en una solucin de 100ppm de tiosulfato. a) Seccin transversal, b) y d)

fractura intergranular y c) fractura dctil ....................................................................................... 62

Figura I.2: Fotografas obtenidas a travs de la MEB de la superficie de fractura del ejemplar

1, solicitado en condiciones de SSRT en una solucin de 100ppm de tiosulfato. a) Parte de la

seccin transversal del ejemplar y b) CBE-IG con zonas micro-dctiles sobre los granos ........... 63

Figura J.1: Curva proveniente del ensayo de DL-EPR a un cupn sensibilizado en las siguientes

condiciones: sin recocido previo y tratado a 650 C por 74 horas ................................................. 64

Figura J.2: Microfotografa de la superficie de un cupn luego de un ensayo de DL-EPR ......... 65

vi

INDICE DE TABLAS

Tabla 1.1: Composicin qumica de los aceros inoxidables austenticos AISI 304 y AISI 304L ... 8

Tabla 2.1: Composicin qumica del acero AISI 304L ................................................................. 22

Tabla 2.2: Tratamientos trmicos .................................................................................................. 22

Tabla 2.3: Soluciones utilizadas en las experiencias ..................................................................... 23

Tabla 3.1: Grados de sensibilizacin obtenidos para las distintas combinaciones de tratamientos

trmicos estudiados ........................................................................................................................ 28

Tabla 3.2: DOS obtenidos en los cupones de confirmacin .......................................................... 29

Tabla 3.3: DOS obtenidos para algunos ejemplares de tensin .................................................... 30

Tabla 3.4: Ensayos de corrosin bajo esfuerzos llevados a cabo .................................................. 31

Tabla 3.5: Comparacin entre los ensayos a CC y SSRT ............................................................. 34

Tabla 3.6: Estadsticas de las grietas encontradas en los ejemplares ensayados en SSRT ........... 36

Tabla 3.7: Ensayos de CBE monitoreados mediante EA, RE y DIC ............................................ 40

Tabla G.1: Informacin complementarias de los ejemplares fotografiados.................................. 60

vii

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS

AISI American Iron and Steel Institute (Instituto Americano del hierro y del

acero)

CBE Corrosin Bajo Esfuerzo

CBE-IG Corrosin Bajo Esfuerzo Intergranular

CBE-TG Corrosin Bajo Esfuerzo Trans-granular

CC Carga Constante

CI Corrosin Intergranular

CSL Coincident Site Lattice (sitio coincidente de la red)

D Duracin

Daij Componente de la matriz de desplazamiento de posicin ij

Promedio de los componentes de la matriz A

DIC Digital Imaging Correlation (Correlacin de imgenes digitales)

DL-EPR Double Loop Electrochemical Potentiokinetic Reactivation (reactivacion

potencio-cinetica electroquimica a doble bucle)

DOS Degre of Sensititazion (Grado de sensibilizacin)

dreel Desplazamiento real de cuerpo solido

Deformacin

EA Emisin Acstica

ECS Electrodo de Calomenano Saturado

EPR Electrochemical Potentiokinetic Reactivation (reactivacin potencio-

cinetica electroqumica)

GBE Grain Boundarie Engineering (ingeniera de los bordes de granos)

H2SO4 cido sulfrico

Tamao en x de la matriz A

Tamao en y de la matriz A

JSCE Japan Society of Corrosion Engineering (sociedad japonesa de la

ingenieria de la corrosion)

Kic Factor de intensidad critico de ruptura

KSCN Tiocianato de potasio

LI Localization Index (indice de localizacion)

viii

MEB Microscopia Electrnica de Barrido

n Pendiente Roll-off

NACE National Association of Corrosion Engineers (asociacion nacional de

ingenieros de la corrosion)

PSD Power Spectra Density (densidad del espectro de potencia)

R Tiempo de llegada

RE Ruido Electroqumico

Rn Noise Resistance (resistencia al ruido)

SCC Stress Corrosion Cracking (Corrosion bajo esfuerzo)

Esfuerzo

y Esfuerzo de fluencia

SSRT Slow Strain Rate Test (Ensayos a velocidad de deformacin constante y

baja)

1

Introduccin

La Corrosin Bajo Esfuerzo (CBE) es un tipo de corrosin localizada, donde los procesos

mecnicos y qumicos, conllevan a la degradacin de metales y aleaciones. Se requieren tres

condiciones para sufrir CBE: un esfuerzo de tensin, un medio agresivo y un material

susceptible. La combinacin sinrgica de estas 3 condiciones acarrean la fractura frgil del

material, la cual puede ser: Intergranular (CBE-IG) donde la grieta avanza a travs de los bordes

de granos y Transgranular (CBE-TG), donde la grieta avanza a travs de los granos. [1-2]

La CBE ha sido un problema reiterado en la industria nuclear, afectando componentes

tales como: tuberas, generadores de vapor, turbinas, toberas, vlvulas, etc. El proceso es

altamente peligroso y puede acabar en una falla inesperada de los componentes, ya que ninguna

grieta es generalmente visible antes de la falla final. [3]

Hoy en da la investigacin en el mbito de la corrosin bajo esfuerzo en estructuras y

componentes mecnicos; est enfocada en los siguientes puntos: (1) el desarrollo de una tcnica

no destructiva, que permita la deteccin temprana de un problema de corrosin y su

identificacin, (2) el desarrollo de un ensayo acelerado y ptimo de corrosin, para la

determinacin de la susceptibilidad de metales a sufrir CBE y (3) el desarrollo de modelos; los

cuales permitirn determinar la vida remanente de estructuras ingenieriles. [4]

Se han propuestos algunos modelos para predecir la vida remanente de estructuras; los

mismos estn basados en medidas hechas en laboratorio, evaluando el tiempo para la iniciacin

de fisuras y su velocidad de propagacin. Slo algunos pocos, toman en cuenta las diferentes

etapas de crecimiento y la coalescencia de pequeas grietas, las cuales, pueden ocupar la mayor

parte de la vida de un componente; pero su fiabilidad permanece incierta ya que se necesita una

gran cantidad de data experimental para validarlos. En consecuencia, ellos proveen estimaciones

bastantes conservativas y dan cabida a una cantidad enorme de revisiones no-destructivas, las

cuales resultan costosas y consumidoras de tiempo.

En este contexto, la intencin de este proyecto recae en definir las condiciones

experimentales ptimas, para la medicin por Correlacin de Imgenes Digitales (DIC, por sus

siglas en ingles) de la corrosin bajo esfuerzo en un acero inoxidable austentico 304L; para

obtener de esta manera, una data de manera rpida y precisa , con la finalidad de desarrollar (en

futuros proyectos) un modelo, el cual permita determinar la vida remanente de estructuras y

componentes, tomando en cuenta el proceso de agrietamiento mltiple y su coalescencia.

2

Para la definicin de las condiciones ptimas experimentales, compatibles con la DIC; se

utilizar una tcnica no-destructiva, como lo es la emisin acstica y otras tcnicas

complementarias como: el ruido electroqumico y medidas de elongacin; estas ltimas se

utilizaran esencialmente para monitorear el proceso de propagacin de fisuras y el progreso del

proceso corrosivo.

3

CAPITULO I

MARCO TERICO

1.1.Corrosin bajo esfuerzo: mecanismos y modos de fractura

El proceso de Corrosin Bajo Esfuerzo (CBE) de un material, resulta de la accin combinada

de un medio corrosivo y solicitaciones mecnicas con al menos una componente en tensin. La

falla resultante es de una naturaleza bastante diferente a aquella observada por la accin

individual del ambiente qumico o del esfuerzo por s mismo. [5]

Las fisuras de CBE presentan caractersticas frgiles y dependiendo de la aleacin y las

condiciones experimentales, pueden seguir caminos diferentes: entre los granos y con una

superficie bastante lisa y granular, denominada Corrosin Bajo Esfuerzo Intergranular (CBE-IG)

o a travs de los granos, exhibiendo una disolucin andica casi nula, denominada Corrosin

Bajo Esfuerzo Transgranular (CBE-TG); una forma combinada de CBE-IG y CBE-TG puede ser

de igual manera encontrada.

Las fisuras se inician y se propagan a una velocidad lenta comprendida entre 10-9

hasta 10-6

m/s, dependiendo del mecanismo de propagacin de las grietas. La secuencia de eventos

involucrados en el proceso de CBE esta usualmente dividida en tres etapas (vase figura 1.1): [6]

1. Iniciacin de las grietas y etapa 1 de propagacin.

2. Propagacin estable de la grieta.

3. Propagacin rpida de la grieta y falla final.

Figura 1.1: Representacin de la propagacin tpica de una grieta en funcin del Kic, se ilustran 3

etapas. [6]

4

Debido a que la CBE es un proceso altamente estocstico, muchos factores pueden

influenciar el proceso, como por ejemplo: factores qumicos, metalrgicos, electroqumicos o

mecnicos. Todo lo anterior, implica que modelar el fenmeno resulte bastante complejo y en

consecuencia, la etapa de iniciacin y la etapa de propagacin son frecuentemente estudiadas

individualmente.

1.1.1. Procesos de iniciacin de grietas: La iniciacin de grietas puede ocurrir en diferentes

situaciones: [6]

a. Sobre discontinuidades en la superficie: la CBE inicia con frecuencia en defectos pre-

existentes en el material tales como: rebabas, muescas y ranuras, resultantes del

proceso de fabricacin.

b. Por picaduras: las picaduras pueden formarse sobre las inclusiones encontradas en la

superficie o por la ruptura localizada de la capa pasiva. La transicin entre el proceso

de picadura y el proceso de agrietamiento dependen de los mismos parmetros que

controlan la CBE, estos son: la electroqumica en la base de la picadura, la geometra

de la picadura, la composicin del material, el esfuerzo y la velocidad de deformacin

en la base de la picadura.

c. Por corrosin intergranular (disolucin andica): La iniciacin de una fisura de CBE

tambin puede ocurrir en la ausencia de picaduras por corrosin intergranular. Dicho

proceso requiere la existencia de una diferencia entre, la qumica del volumen del

material y la qumica de los bordes de granos; esto se puede lograr a travs de un

tratamiento de sensibilizacin (vase seccin 4).

1.1.2. Modelos de propagacin de grietas: Se han realizados muchos intentos para modelar la

propagacin de grietas en CBE, ellos han consistido en el conocimiento de la situacin en

la punta de la grieta, en particular la estructura de la interface material-ambiente. De

acuerdo a los autores, los parmetros que controlan el ambiente en la punta de la fisura

son: disolucin andica selectiva o localizada, absorcin de hidrgeno, adsorcin de

especies especficas, movilidad en superficie de los tomos, ruptura de la pelicula pasiva,

suavizacin local de la zona plstica en la base de la grieta, etc.

Entre todos los modelos propuestos para explicar el proceso de propagacin de

fisuras en CBE, los expuestos en los siguientes prrafos son los ms citados:

5

a. Modelo basado en la ruptura de la capa pasiva (slip dissolution/film rupture): Este

modelo supone que la deformacin plstica, localizada en la base de la grieta, rompe

la capa pasiva revelando la superficie del metal desnudo, el cual se disuelve hasta

formar una nueva capa protectora. Este modelo est basado en la lucha de la cintica

de tres procesos diferentes: la depasivacin mecnica, la disolucin andica del metal

desnudo y la repasivacin. Algunos investigadores [7-8]

proponen, que cuando la

propagacin de la grieta comienza, la base de la fisura permanece desprotegida gracias

a la diferencia entre las cinticas de la ruptura del filme pasivo y la repasivacion (ver

figura 1.2.a). Otros investigadores [9-10]

postulan que la base de la grieta posee el

tiempo suficiente para repasivarse completamente y se rompe frecuentemente gracias

a las bandas de deformacin (ver figura 1.2.b).

Figura 1.2: Representacin esquemtica de la propagacin de una grieta de CBE segn el

modelo de ruptura de la capa pasiva [6]

Aunque este es un modelo maduro, ciertos puntos quedan poco evidentes; como por

ejemplo: la evidencia de un proceso de fisuracin discontinuo, donde se observan marcas

de detencin de grietas (como se observa en CBE-TG). Adems, las superficies de

fractura de la CBE-TG son planas y encajan bastante bien cada una de ellas, lo que indica

poca disolucin andica durante el proceso de avance de la grieta. En conclusin, este

modelo parece ser ms apropiado para explicar la CBE-IG, especficamente para

materiales con un camino activo (active path) pre-existente; y es en general poco aceptado

como mecanismo de la corrosin bajo esfuerzo transgranular. [11]

b. Modelo basado en los tneles de corrosin: Este es un modelo mecnico, que asume la

existencia de una concentracin de esfuerzo en la base de las cavidades de corrosin o

6

en las picaduras, incrementando el esfuerzo hasta el punto de fluencia y dando cabida

a la fractura. En este modelo, se asume que la grieta se propaga esencialmente por

disolucin y que los ligamentos restantes fallan por fractura mecnica. [6]

c. Modelos de fragilizacin por hidrgeno: Se observa cuando el hidrgeno es producido

por las reacciones electroqumicas, est presente en la solucin o en el metal. An este

tipo dao no puede ser explicado por un mecanismo simple, por lo cual se expondrn

los tres mecanismos ms importantes:

i. Fragilizacin por formacin de hidruros: Este mecanismo requiere la

posibilidad y la formacin estable de hidruros metlicos dentro del material

(como una segunda fase), la formacin de estas fases frgiles es facilitada

por la presencia de hidrgeno y la existencia de un campo de esfuerzos en

la base de la grieta; los hidruros se forman en la base de la grieta y debido a

su naturaleza frgil, fallan por clivaje; el proceso es repetido

continuamente hasta la falla final del material. Este mecanismo est

respaldado por observaciones microscpicas.

ii. Descohesin del material debido al hidrgeno: En este modelo se considera

que el hidrgeno influencia la ruptura de lazos atmicos en la base de la

grieta y de los enlaces de cohesin interatmicos. Este modelo propone que

el hidrgeno puede acumularse alrededor de las regiones con fuerte

triaxilidad de esfuerzos, tal como es el caso en la base de la grieta,

disminuyendo la energa de enlace y facilitando la propagacin de la grieta.

Este mecanismo es debatible, pues ninguna evidencia directa ha

demostrado que el hidrgeno disuelto en el material disminuye las fuerzas

interatmicas. Finalmente, este modelo resulta aplicable en sistemas donde

la formacin de hidruros es nula.

iii. Incremento de la plasticidad local por el hidrgeno: Este modelo est

basado en las interacciones especficas entre el hidrgeno y las

dislocaciones, permitiendo a las dislocaciones de moverse bajo esfuerzos

muchos menores. En este caso el hidrgeno incrementa la plasticidad del

material a diferencia de los otros modelos donde la falla final es de tipo

frgil.

7

1.2.Agrietamiento mltiple en corrosin bajo esfuerzo

Usualmente, las fallas por CBE de componentes mecnicos en el mundo industrial, no es

simplemente causada por la aparicin de una sola fisura, por el contrario, frecuentemente

involucra la iniciacin de mltiples fisuras, las cuales pueden desarrollarse o no, e interactuar

entre ellas, de una manera bastante particular.

Este tipo de interaccin entre grietas mltiples involucra un proceso altamente estocstico,

donde las fisuras individuales rodeadas por otras fisuras, se propagan de un modo bastante

irregular. En muchos casos, una parte de estas grietas desarrollan una inclinacin hacia un estado

de reposo mientras que, otras grietas aisladas tienden a crecer de manera constante, adems de

esto, algunas grietas en conjunto muestran una tendencia a unirse y a formar una nica grieta

final. [11]

Las interacciones entre estas numerosas fisuras, poseen ciertas influencias en el proceso de

propagacin de grietas; estas interacciones involucran dos caractersticas tpicas: coalescencia de

grietas y un estado de inactividad. La coalescencia de grietas prximas entre s, lo que se observa

con frecuencia en el proceso de crecimiento de grietas, se convierte en un activador para la

aceleracin del proceso debido al cambio del campo de esfuerzo alrededor de la punta de la grieta

[12]. Por otro lado, la grieta tambin puede detener su crecimiento, debido a la accin de pantalla

del campo de esfuerzo, causado por otras grietas ms grandes localizadas en la vecindad

(estancamiento, estado de inactividad). [13]

Los modelos utilizados para predecir la vida remanente de aceros al carbono utilizados en las

tuberas transmisoras de gas natural, afectadas por el fenmeno de CBE, toman en cuenta estos

procesos de coalescencia de grietas, pero an existe la necesidad de validarlos con altas

cantidades de datos experimentales. [14]

Es conocido que ste fenmeno ocurre en aleaciones de nquel, aceros inoxidables

austenticos y aceros al carbono en ambientes bastantes especficos. El caso de CBE en los aceros

inoxidables sensibilizados es un tema particular de investigacin de varios trabajos.

1.3.Aceros inoxidables (304)

Los aceros inoxidables son aleaciones de base hierro las cuales contienen al menos 10% de

cromo en solucin [15]

. A pesar de que el hierro se corroe en muchos ambientes acuosos, el

8

cromo le otorga al acero inoxidable la habilidad de formar una capa protectora en la superficie

que lo hace resistente a la corrosin general.

Cuando el nquel es aadido a la matriz, se estabiliza la fase austentica. Los aceros

inoxidables austenticos son cbicos centrados en el cuerpo (BCC) y no pueden endurecerse por

tratamientos trmicos. Adems poseen excelente trabajabilidad, soldabilidad y un amplio rango

de resistencia a la corrosin.

El AISI 304 es el ms popular de los aceros inoxidables austenticos; posee una segunda

versin denominada 304 L, la cual presenta una cantidad menor de carbono en solucin. En esta

aleacin, la cantidad de carbono es reducida hacindolo ms resistente a la sensibilizacin, de tal

manera que no requiera un post-tratamiento de recocido luego de un proceso de soldadura. La

composicin global de los aceros 304 y 304 L se encuentra en la tabla 1.1.

A pesar de su excelente resistencia a la corrosin generalizada, estos aceros son propensos a

sufrir corrosin localizada tal como: picaduras, hendeduras, corrosin intergranular y CBE. Un

gran nmero de incidentes relacionados con la CBE en aceros inoxidables austenticos

sensibilizados han sido reportados en plantas nucleares y en el sector petroqumico. [16]

Tabla 1.1: Composicin qumica de los aceros inoxidables austenticos AISI 304 y AISI 304L

% en peso

ASTM C Mn P S Si Cr Ni N Fe

304 0.07 max 2 max 0.045 max 0.03 max 0.75 17.5 - 19.5 8.0 - 10.5 0.1 max Balance

304L 0.03 max 2 max 0.045 max 0.03 max 0.75 17.5 - 19.5 8.0 - 12.0 0.1 max Balance

1.4.Sensibilizacin de los aceros inoxidables

Es un fenmeno bastante perjudicial que se produce en los aceros inoxidables y en otras

aleaciones base nquel; l mismo ocurre cuando el material es calentado hacia temperaturas

inapropiadas entre 400-800C por un largo periodo de tiempo (por ejemplo durante procesos de

soldaduras o en condiciones de servicio).

El material sobrelleva una precipitacin de carburos de cromo en la vecindad de los bordes de

granos, lo cual produce cerca de los precipitados, una zona empobrecida en cromo; dando paso a

una alta susceptibilidad a los bordes de granos de corroerse en comparacin con la matriz. [17]

9

Para medir el grado de sensibilizacin (DOS, por sus siglas en ingles), se puede usar la

tcnica de reactivacin potencio-cintica electroqumica (EPR, por sus siglas en ingles). El

principal propsito de los ensayos EPR recaen en lograr medir la corriente generada como

respuesta a un barrido uniforme de un potencial aplicado y de evaluar los rasgos caractersticos

en la curva potencial vs corriente obtenida. El principio se basa en reactivar la muestra desde la

regin de pasividad incompleta.

Debido a la exposicin previa de sensibilizacin a elevadas temperaturas, las regiones

alrededor de los bordes de granos, empobrecidos en cromo, son cubiertos por una capa pasiva.

Luego, cuando el potencial cambia hacia regiones ms activas, el filme pasivo tiende a disolverse

localmente en los defectos, los cuales se activan de primero; mientras que la capa formada sobre

el material rico en cromo permanece sin perturbaciones durante todo el rango de potenciales [18]

.

Gracias a esta diferencia en las velocidades de disolucin durante el proceso de reactivacin, se

puede detectar el ataque corrosivo localizado revelado por la curva.

1.5.Tcnicas de solicitacin mecnica para estudios en CBE

Existen varias maneras de solicitar mecnicamente un material para realizar estudios de CBE,

con la finalidad de acelerar el proceso de propagacin de grietas. En esta seccin sern expuestas

dos de las tcnicas ms comunes usadas en el presente:

1.5.1. Ensayo a velocidad de deformacin constante y baja (SSRT, por sus siglas en ingls):

Este tipo de ensayo es usado principalmente para solicitar muestras a velocidades de

deformacin constante muy bajas. Esto permite realizar varios ensayos de una manera

rpida y reproductible. En estos ensayos, la etapa de iniciacin, la cual es responsable de

la dispersin en los resultados; es reducida considerablemente, comparada con la etapa de

propagacin. Por lo tanto, la reproducibilidad de este tipo de ensayos se ve

significantemente, mejorada en comparacin con los ensayos denominados estticos.

Los parmetros que pueden caracterizar la susceptibilidad de sufrir CBE durante el

ensayo son: la prdida en ductilidad y la disminucin en el esfuerzo de ruptura. [25]

1.5.2. Carga constante (CC): En estos ensayos, el esfuerzo de tensin se mantiene constante

durante todo el plazo del experimento, al mismo tiempo, se pueden realizar medidas de

elongacin. Cuando una fisura aparece o se propaga, el rea efectiva de la probeta de

traccin disminuye, y aumenta la intensidad local del esfuerzo en el frente de la grieta.

Una de las aplicaciones ms interesantes de esta tcnica es la capacidad de separacin

10

entre la etapa de iniciacin y la de propagacin (procedimiento desarrollado en el anexo

B).

1.6.La tcnica de emisin acstica como herramienta de monitoreo en CBE

La Emisin Acstica (EA) se define como el estudio del ruido generado por una estructura

que se encuentra sujeto a un esfuerzo y que causa en el material una deformacin local

irreversible. La energa almacenada en el material bajo el efecto del esfuerzo, es liberada de

forma repentina, en parte por el arreglo interno de la estructura del material, una porcin de esta

energa es liberada en forma de ondas elsticas las cuales constituyen la emisin acstica. Estas

ondas elsticas se propagan sobre un amplio rango de frecuencias que van desde la audible (20-

20.000 Hz) hasta frecuencias en el orden de los MHz. [28]

Un sistema clsico de adquisicin de EA en CBE consiste en:

-Un par (o ms) de sensores piezoelctricos, los cuales reciben las ondas elsticas y las

transforman en pulsos elctricos.

- Un preamplificador por sensor, para incrementar la amplitud de la seal.

-Filtros paso bajos y paso altos, para eliminar ruidos de fondo as como tambin seales parsitas.

- Un sistema de adquisicin conectado a una computadora para la recoleccin y el procesamiento

de la data.

1.7.La seal de EA y sus caractersticas

Dependiendo de la fuente y su amplitud, se pueden encontrar dos tipos de EA: la emisin

discreta (discontinua) y la continua. En las emisiones discretas, es posible aislar pulsos como una

seal elctrica transitoria con un comienzo bien definido (ver figura 1.3). Su amplitud disminuye

drsticamente y sobrepasa rpidamente el umbral de deteccin. Las emisiones acsticas continuas

ocurren, cuando la actividad acstica de una o varias fuentes es muy importante y en

consecuencia, la seal se encuentra continuamente sobre el umbral de deteccin. [29]

En el caso de una emisin discreta, el pulso es caracterizado a travs de ciertos parmetros.

Algunos de los ms bsicos son los siguientes (para mayores detalles ver anexo C):

1.7.1. Amplitud (A): Es el mayor voltaje medido en la forma de onda y es determinado en

decibeles (dB). ste es un parmetro importante en EA, pues determina la capacidad de

una seal a ser detectada. Aquellas con amplitudes por debajo del umbral de deteccin no

sern registradas.

11

1.7.2. Tiempo de llegada (R): Es el intervalo de tiempo entre el primer cruce del umbral de

deteccin y la amplitud de la seal. Este parmetro se encuentra relacionado con la

propagacin de una onda entre la fuente y el sensor. Es por eso que el tiempo de llegada

es utilizado para la calificacin de la seal y como un indicativo para los filtros.

1.7.3. Duracin (D): Es la diferencia de tiempo entre el primer y el ltimo cruce del umbral de

deteccin. La duracin de una seal puede ser utilizada para identificar diferentes tipos de

fuentes y para filtrar los parsitos.

Figura 1.3: Caractersticas principales de una seal discreta de EA

Existen muchas fuentes generadoras de EA debido a que todo proceso de deformacin

irreversible puede generar una seal EA (ver figura 1.4). Una lista no-exhaustiva podra ser:

desprendimiento de hidrgeno, iniciacin y/o propagacin de una grieta, ruptura de una capa de

xido gruesa, descohesin de precipitados o inclusiones, deformacin plstica homognea o

heterognea, transformacin martenstica, etc. [30]

12

Figura 1.4: Algunas fuentes de emisin acstica en CBE [30]

1.8.Emisin acstica en estudios de CBE

Durante los ltimos 40 aos la tcnica de EA ha sido ampliamente utilizada para la

deteccin de la corrosin, de la corrosin bajo esfuerzo y de la fatiga-corrosin. Entre los

fenmenos involucrados en el proceso de la CBE, algunos, como la disolucin de metal y la

formacin de una capa de xido, no emiten ruido o seal ya que la red no es deformada. Sin

embargo, otros procesos, como: la liberacin de hidrgeno, la deformacin plstica y la

propagacin de una grieta, producen fuertes emisiones acsticas ya que todas ellas deforman de

manera irreversible la red del material. [30]

Varios autores [31-33]

,

han obtenido seales de EA durante ensayos de CBE bajo

solicitaciones a velocidad de deformacin constante (SSRT); la mayora de la actividad acstica

se encontr altamente concentrada justo despus de pasar el punto de fluencia del material y justo

antes de la falla final. Bosh y su equipo [32]

manifestaron que las EA detectadas alrededor del

esfuerzo de fluencia estuvieron relacionadas al inicio de algunas fisuras y a la deformacin

plstica del material; mientras que la actividad acstica encontrada cerca de la ruptura final,

estaba relacionada con la rpida propagacin de las grietas.

Otros estudios [34-35]

, han logrado detectar la CBE-TG y la CBE-IG en varios metales y

aleaciones (latn-, aceros inoxidables y aleaciones Ag-Au); dichos estudios determinaron que la

actividad acstica proveniente de la propagacin de la CBE-TG, result en un orden de

magnitud mayor que la actividad acstica registrada en la CBE-IG. Ellos atribuyeron este

resultado a la fractura de los ligamentos luego del avance de la grieta en la CBE-TG. Por otro

13

lado, los valores promedios de la amplitud y del tiempo de llegada de las seales de EA

registradas en ambos fenmenos (CBE-TG y CBE-IG), resultaron similares, y solo variaron

ligeramente entre diferentes soluciones probadas. [34]

Por su parte, Du y Wang [36]

condujeron estudios de CBE en un acero inoxidable 304 bajo

ensayos a carga constante; ellos estudiaron la actividad acstica a lo largo de todo el ensayo hasta

ruptura. Los autores lograron clasificar las seales de EA en tres grupos diferentes de acuerdo a

su ancho de banda, amplitud, duracin y a travs del uso de hits cumulativos. Ellos relacionaron

estos tres grupos con: la iniciacin, la propagacin de fisuras y la falla final, respectivamente.

1.9.Ruido electroqumico: La tcnica

El Ruido Electroqumico (RE) es una tcnica que permite el registro de fluctuaciones

espontneas de potencial y corriente de muy baja amplitud, las cuales ocurren durante un proceso

electroqumico tal como lo es la corrosin hmeda. Es bien conocido, que en los procesos de

corrosin localizada, las reacciones andicas y catdicas pueden causar pequeos eventos

transitorios en las cargas elctricas de los electrodos. Estos eventos se ven reflejados en forma de

ruido de potencial y corriente, los cuales pueden ser registrados, identificados y tambin

monitoreados para estudiar el fenmeno. La principal atraccin de este tipo de anlisis incurre en

la posibilidad de realizar una deteccin temprana de un proceso de corrosin localizada. Existen

varios modos de implementar esta tcnica; la misma puede ser llevada a cabo bajo condiciones de

polarizacin o bajo corrosin libre (para mayores detalles ver anexo D). [37]

Figura 1.5: Montaje experimental para realizar medidas de RE en corrosin libre

Como se mencion anteriormente, es posible implementar esta tcnica bajo corrosin libre

(sin polarizacin alguna). La figura 1.5 muestra la configuracin tpica de los elctrodos, de tal

manera, que las fluctuaciones en corriente y en potencial puedan ser registradas de manera

simultnea. Este tipo de arreglo es bastante til para llevar a cabo estudios de la evolucin natural

14

de un proceso de corrosin ya que el sistema no es perturbado por una polarizacin externa, de

manera que no se inducen efectos corrosivos adicionales. [38]

1.10. Mtodos de anlisis de la data de RE

El anlisis de las seales obtenidas en RE, tal como, los registros en el tiempo de la corriente

y el potencial pueden ser llevados a cabo por distintas maneras:

1.10.1. Examinacin visual de los registros temporales: Los registros temporales de la corriente y

el potencial son a menudo usados para identificar, de una manera cualitativa, eventos

transitorios en la data. Estos eventos son usualmente un indicativo de cambios

espontneos en el mecanismo de corrosin, tal como sucede por ejemplo, durante la

ruptura de una capa pasiva debido a un proceso de picadura, hendidura o CBE. Los

procesos de corrosin localizada tal como lo son: la picadura y la CBE, poseen eventos

transitorios caractersticos en los registros temporales que pueden ayudar a distinguir

entre los posibles tipos de corrosin. Por ejemplo, la picadura metaestable exhibe una

cada abrupta en el potencial y una recuperacin exponencial acompaado por un

incremento en la corriente. Cada cada en el potencial corresponde a una ruptura en el

filme pasivo mientras que, la recuperacin exponencial est ligada al proceso de

repasivacion; por otro lado, el incremento en la corriente est relacionado a la disolucin

andica en la picadura (ver figura 1.6). [39]

Figura 1.6: Registro del potencial y la corriente para un AISI 316 sumergido en una solucin

desairada de cloruros durante picadura metaestable [40]

15

1.10.2. Anlisis estadsticos (independiente de la lnea temporal): En este anlisis, la data es

estudiada sin importar su posicin en la secuencia del tiempo, utilizando parmetros

estadsticos, siendo algunos de ellos: el promedio, la resistencia al ruido (Rn, por sus

siglas en ingles), ndice de localizacin (LI, por sus siglas en ingles), distorsin (skew, en

ingls), y la kurtosis (cada uno de ellos esta detallado en el apndice E). Ellos proveen

informacin sobre el proceso de corrosin y la velocidad de corrosin (slo en el caso de

corrosin generalizada). [41]

1.10.3. Mtodos frecuenciales (dependientes de la lnea temporal): En este mtodo, la data es

analizada tomando en cuenta su secuencia en la lnea de tiempo; el anlisis es

inevitablemente, ms complejo que en los anlisis estadsticos, pero provee informacin

ms importante. El mtodo ms comn es el espectro de la densidad de potencia (PSD,

por sus siglas en ingls). [41]

La PSD es conocida como una estimacin espectral, donde el objetivo base es

estimar la potencia presente a varias frecuencias en la seal. El espectro de potencia

obtenido se denomina densidad espectral de potencia (PSD), la cual es la potencia por

unidad de frecuencia (unidades: V2/Hz o A

2/Hz) en funcin de la frecuencia. No hay una

manera correcta de estimar el espectro de potencia, la transformada rpida de Fourier

(FFT, por sus siglas en ingls) o el mtodo de la entropa mxima (MEM); son los ms

comunes en el campo de la corrosin.

Uno de los parmetros ms importantes obtenidos de la PSD, es la pendiente (roll-

off slope). Es conocido que en RE durante un proceso de corrosin localizada, la curva

puede ser ajustada en escala logartmica como una funcin

, donde la n es la

pendiente. Varios autores han relacionado el valor de esta pendiente con el mecanismo de

corrosin. [38,42]

1.11. Monitoreo de CBE mediante ruido electroqumico

Se cree que cada proceso de corrosin que tiene lugar en la superficie del metal, genera

huellas caractersticas en la lnea del tiempo [43]

; estas firmas son conocidas por ser indicadores

de: la ruptura localizada de los filmes pasivos, la incubacin, la propagacin y la repasivacion de

los procesos de corrosin localizada; y la propagacin de grietas en CBE. La iniciacin de la

CBE podra darse a partir de picaduras, por una alta disolucin localizada y debido a altas

16

concentraciones de esfuerzos en la base de la picadura. De ah, la iniciacin de la CBE, podra

considerarse como una extensin del proceso de picadura. [40]

Muchos autores [44-46]

, han caracterizado el proceso de picadura por un incremento abrupto

del potencial (vase figura 1.7), seguido de una recuperacin exponencial y fluctuaciones

espontneas en la corriente al mismo tiempo, lo cual indica la caracterstica andica del proceso.

La recuperacin del potencial siempre excede el tiempo de la recuperacin de la corriente, los

investigadores [45,47]

han atribuido esto a la lenta descarga de la capacitancia de la superficie del

electrodo y han concluido que el ataque por picadura puede ser detectado en segundos luego de

su iniciacin usando anlisis de ruido electroqumico. [47]

Figura 1.7: Diagrama esquemtico donde se muestra el ruido tpico en el potencial, de un

electrodo bajo corrosin por picaduras [44]

Otros autores [43,48-52]

, han utilizado la pendiente obtenida a travs de las curvas de PSD

(roll-off slope) del ruido del potencial, para diferenciar la corrosin uniforme de la picadura, o

cualquier otro fenmeno de corrosin localizada. Ellos encontraron que los valores de n se

encontraba entre -2 (-20 dB/ dec) y -4 (-40 dB/dec); los mismos manifestarn que la pendiente

n posea valores cercanos o mayores a -2, cuando el material sufra corrosin por picaduras;

mientras que los valores n cercanos a -4, estuvieron relacionados con fenmenos de corrosin

generalizada. Por otra parte, algunos trabajos [53]

han mencionado una pendiente n para

corrosin uniforme de 0 (ruido blanco), es por esta razn que la relacin entre la pendiente n

y el mecanismo de corrosin no est clara y se encuentra en discusin.

Adicionalmente, la deteccin del proceso de agrietamiento en CBE es de igual forma

posible mediante el anlisis de datos provenientes del RE. Una gran cantidad de estudios [28,54-56]

han resaltado que las fluctuaciones en RE provienen de la iniciacin y la propagacin de grietas.

17

Leban y sus colegas [57]

,

encontrarn en sus estudios dos tipos de eventos transitorios:

picos agudos de corta duracin (tipo I) y fluctuaciones suaves de larga duracin (tipo II). Ellos

sugirieron que estos dos tipos de fluctuaciones podran estar asociados al proceso de

agrietamiento; as mismo, asociaron las fluctuaciones de tipo I con la propagacin de grietas por

las fractura mecnica de los ligamentos (relacionados CBE-TG) y los eventos transitorios de tipo

II con la propagacin de grietas por disolucin intergranular (relacionados con CBE-IG). Debe

resaltarse que las fuentes de RE no estn claras y siguen en discusin.

Por otro lado, J. Kovac y sus colegas [1]

estudiaron la correlacin entre las facturas y los

datos de ruidos electroqumicos. Ellos observaron un incremento en la corriente y un descenso en

el voltaje, lo que puede estar relacionado con la iniciacin de grietas y su propagacin; tambin

correlacionaron estos resultados con medidas de elongacin.

Figura 1.8: RE del potencial y de la corriente para un AISI 304 (DOS 23%) inmerso en 10 mM

de tetrationato y solicitado en CC a 230 MPa. [26]

Por otra parte, M. Breimesser y sus colaboradores [26]

estudiarn la corrosin bajo

esfuerzo de un acero inoxidable austentico (AISI 304) en una solucin de tetrationato de potasio

mediante la tcnica de ruido electroqumico. Ellos observaron una caracterstica general entre

todas las fluctuaciones, la cual consisti en un pico de corriente positivo y cadas simultneas de

potencial, (tal como se mencion en lneas anteriores), indicando eventos localizados de

disolucin andica en el electrodo de trabajo. La figura 1.8 representa el RE de la corriente y del

potencial para un acero inoxidable AISI 304; se puede observar un gran pico en la corriente

excediendo 1 A y una cada de potencial de varios mV, los cuales fuern relacionados con la

18

coalescencia de micro grietas. Estas fluctuaciones fueron precedidas directamente por cambios

escalonados en la corriente, el potencial y por un nmero cada vez mayor de eventos transitorios.

M. Breimesser y sus colaboradores [26]

clasificaron las diferentes fluctuaciones obtenidas en

su estudio en tres categoras (vase figura 1.9):

Seales de tipo I: Poseen picos de amplitudes tpicamente por debajo a 10 nA, y con una

duracin de fluctuaciones de unos pocos segundos. La forma de estos eventos fueron

usualmente bastantes agudos con un rpido aumento y una abrupta cada. Fluctuaciones

con una forma similar han sido reportados para procesos de picaduras meta-estables en

aceros inoxidables [58]

. Cabe mencionar que la existencia de picaduras fue corroborada

luego de una revisin de la muestra. Los autores expresaron que estas seales pueden

indicar: la picadura meta-estable o el crecimiento de una micro grieta.

Seales de tipo II: A este grupo, pertenecen aquellas fluctuaciones con una duracin por

un periodo de tiempo mucho mayor (decenas de minutos). En este tipo de seales los

autores no pudieron diferenciar eventos individuales, ya que muchas de las fluctuaciones

se sobreponan, resultando el conjunto en un grupo de eventos; los cuales exhiban un

rpido aumento de la corriente y un descenso lento. Las mximas amplitudes de este

grupo de seales era del rango de los 30-50 nA, y su duracin se extenda de 10 a 30

minutos. Los investigadores encontraron que este tipo de seales correspondan a algunas

fluctuaciones obtenidas en un estudio previo [28]

(usando la tcnica de micro celda

electroqumica). En dicho estudio, se encontraron fluctuaciones de corriente similares, las

cuales indicaban claramente el crecimiento de micro grietas individuales a travs de los

bordes de grano. Las formas de estas fluctuaciones pueden ser explicadas por una serie de

superposicin de los siguientes eventos: ruptura de la capa pasiva, disolucin andica y

repasivacion; en concordancia con el modelo de disolucin para el crecimiento de grieta

(slip dissolution). [59]

Seales de tipo III: Este grupo incluye aquellas fluctuaciones cuya frecuencia de

aparicin resulto menor que las fluctuaciones de tipo I. Estas seales exhiban un rpido

incremento de la corriente y del potencial, frecuentemente seguido por una cada

exponencial, regresando hasta el nivel del estado inicial o estabilizndose a valores

superiores de corriente y potenciales ms bajos. La duracin de dichas fluctuaciones eran

tpicamente entre diez (10) segundos y tres (3) minutos. Estas seales ocurran en su

mayor parte antes de un agrietamiento macroscpico, donde aparecan junto a cambios

19

escalonados de la lnea base de la seal; las mismas fueron asociadas a la coalescencia de

micro grietas.

Figura 1.9: Fluctuaciones caractersticas encontradas por Breimesser y colaboradores; en un AISI

304 inmerso en 10mM de tetrationato de potasio y solicitado en CC a 230 MPa. [26]

En resumen, debido a que el fenmeno de corrosin bajo esfuerzo resulta en una

combinacin de procesos mecnicos y electroqumicos, varios autores [31-36]

han aplicado las

tcnicas de emisin acstica y ruido electroqumico de manera simultnea para la deteccin, el

monitoreo o el estudio de la CBE. Ellos han encontrado, que la etapa de iniciacin de grietas y

los inicios de la propagacin pueden ser detectados por medidas de RE, debido a que la etapa de

iniciacin posee una parte significativa de disolucin andica, los cuales emiten una actividad

acstica casi nula, pero, importantes fluctuaciones de corrientes y potencial. Por otro lado, la

tcnica de misin acstica es bastante sensible a la propagacin rpida de grieta, lo cual involucra

altos volmenes de deformacin plstica.

1.12. Correlacin de imgenes digitales (DIC, por sus siglas en ingls)

La correlacin de imgenes digitales es una tcnica implementada para el mapeo de

desplazamientos en superficies mediante el seguimiento de rasgos caractersticos en imgenes

sucesivas. Una imagen de referencia es adquirida antes de la deformacin y es comparada con

20

otras imgenes obtenidas luego de imponer la carga; estas imgenes son divididas en pequeos

subgrupos y a travs del uso de un algoritmo, estos subgrupos de la imagen de referencia son

comparados con su localizacin en la imagen de la superficie deformada. De este modo, el vector

desplazamiento puede ser obtenido para cada sub grupo, obtenindose as, la matriz de

deformacin [60]

; as mismo, la aparicin de las fisuras debera generar un cambio en la

distribucin de la deformacin o un salto en la matriz de desplazamiento; de tal manera que las

grietas resulten fcilmente reconocibles.

Esta tcnica necesita que la superficie posea un patrn aleatorio, con la finalidad de volver

cada pixel nico en la imagen; sin embargo, hacer a cada pixel exclusivo en la imagen, resulta

muy difcil, por lo tanto, al menos un grupo de 3 X 3 pixeles son requeridos para hacer a un

rasgo identificable. La talla del sub conjunto ideal, debera contener al menos tres rasgos nicos

visibles, pero con frecuencia, esto resulta en un compromiso entre la resolucin y la precisin. Es

conocido, que un subconjunto grande, incrementa la precisin, mientras que un sub conjunto de

trabajo pequeo, incrementa la resolucin del anlisis; el hecho de la eleccin de talla del sub

conjunto se encuentra determinado por la calidad de la imagen y del tratamiento de superficie. [61]

La DIC ha sido ampliamente utilizada en estudios de deformacin de una amplia variedad de

materiales. Es una tcnica adecuada para el estudio de agrietamiento en materiales, debido a la

gran ventaja que posee al detectar grietas poco visibles pticamente, adems de realizar su

caracterizacin. Duff y Marrow [62]

utilizaron la DIC en su estudio de CBE-IG, y lograron

detectar grietas mayores a treinta (30) m. Los mismos autores tambin usaron la DIC en otro

estudio (a elevadas temperaturas y presiones en agua con oxgeno) [63]

para monitorear el

crecimiento de una grieta.

Adicionalmente, Kovac y sus colaboradores [1]

, implementaron la DIC para la deteccin de

fisuras en CBE-IG, con el soporte de otras tcnicas complementarias, tales como: la emisin

acstica, el ruido electroqumico y medidas de elongacin; ellos lograron localizar el rea de la

aparicin de la grieta antes de su aparicin macroscpica.

Varios tratamientos de superficies han sido propuestos para producir un patrn aleatorio.

Algunas veces la superficie del material sin ninguna modificacin es suficiente para producir un

patrn adecuado, pero en algunos estudios, esto no es suficiente y otros mtodos son aplicados.

Generalmente el patrn es producido por la aplicacin de una secuencia de pinturas blanca y

negra en espray; el inconveniente es que este mtodo podra generar algn tipo de proteccin en

21

los estudios de corrosin. Para ello, otros tratamientos han sido estudiados, tales como: el lijado,

la oxidacin y el grabado electroqumico. [5]

Duff y Marrow [63]

estudiaron la calidad del acabado obtenido a travs de tres

preparaciones de superficies distintas (en probetas fabricadas en AISI 304), para la

implementacin de la DIC en estudios de CBE-IG. Sus estudios indicaron que mediante el uso

de la desviacin estndar de la deformacin, el mejor mtodo para generar un patrn aleatorio en

la superficie era el grabado electroqumico, mejor que el lijado y el tratamiento por oxidacin (el

cual obtuvo un desempeo muy parecido al del grabado electroqumico).

1.13. Sntesis bibliogrfica y propuesta de un protocolo experimental

Esta sntesis bibliogrfica busca mostrar la complejidad del problema. Debido a que una

gran cantidad de factores ambientales, micro-estructurales y mecnicos pueden influenciar la

apariencia y la morfologa de una colonia de fisuras.

El objetivo principal de esta investigacin est basado en lograr desarrollar un protocolo

experimental, el cual permita el monitoreo de colonias de fisuras mediante el uso de tcnicas

complementarias entre s, tales como: la emisin acstica, el ruido electroqumico y la

correlacin de imgenes digitales. Otros estudios han demostrado que el RE posee una fuerte

habilidad para seguir el proceso de iniciacin de fisuras, mientras que la emisin acstica

presenta la ventaja de monitorear el proceso de propagacin; la tcnica de la DIC permitir

obtener el campo de deformacin de tal manera que la iniciacin de grietas pueda ser fcilmente

reconocible antes de ser visible pticamente.

Para esto, se escogi un sistema experimental en el cual el fenmeno ya ha sido puesto en

evidencia; se usaran aceros inoxidables austenticos de la serie 300, los cuales son conocidos por

ser sensibles a sufrir CBE en soluciones diluidas de tiosulfato y soluciones de cloruros.

Se estudiara la influencia de los parmetros relacionados con el modo de solicitacin

(carga, velocidad) y aquellos asociados con el ambiente reactivo (concentracin del ion agresivo,

pH) en relacin con la morfologa de las colonias de fisuras.

Finalmente, un tiempo aceptable de iniciacin de fisuras y una morfologa de tipo

colonial, bastante parecida a aquellas obtenidas en fallas reales, aseguraran el xito de esta

investigacin.

22

CAPITULO II

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.1. Estudio del tratamiento de sensibilizacin

Se utilizaron cupones de 25,4 mm de lado y 2 mm de espesor. Los mismos fueron

obtenidos de una lmina de acero AISI 304L de 2 mm de espesor, la tabla 2.1 muestra la

composicin del acero. Los cupones fueron tratados en un horno marca Naberthem, modelo N

17/HR, y se encontraron expuestos al aire.

En general se realizaron dos tratamientos trmicos (tal como se observa en la tabla 2.2) a

distintos periodos de tiempo y a diferentes temperaturas. El primer tratamiento trmico,

denominado recocido (o puesta en solucin), se realiz a 1050 C por una hora, seguido de un

temple al agua. El segundo tratamiento trmico, denominado tratamiento de sensibilizacin,

fue llevado a cabo a dos temperaturas diferentes a periodos de tiempos distintos.

Tabla 2.1: Composicin qumica del acero AISI 304 L

Elemento C Si Mn P S Ni Cr

% en peso 0.023 0.380 1.30 0.026 0.006 9.31 18.35

Tabla 2.2: Tratamientos trmicos

#

Tratamiento

trmico

Tipo Temperatura

(C) Tiempo (horas) Enfriamiento

1 Recocido 1050 1 Temple al agua

2 Sensibilizacin

600 40-45-50 Al aire

650 20-30-35-45-50-74 Al aire

El objetivo de realizar este estudio de sensibilizacin consiste en encontrar una

combinacin de tratamientos la cual produzca un alto grado de sensibilizacin (DOS, por sus

siglas en ingls), de tal manera de incrementar la probabilidad a sufrir agrietamiento mltiple. Un

estudio [73]

, basado en la teora de la percolacin, ha propuesto que un DOS 23% genera en el

material una red interconectada y continua de bordes de granos sensibilizados.

23

2.1.1. Medicin del grado de sensibilizacin mediante la tcnica DL-EPR.

Previamente al realizar cada medicin, los electrodos de trabajo, fueron pulidos con papel

abrasivo hasta # 1200, desengrasados con acetona, posteriormente limpiados con alcohol en

ultrasonido por 10 minutos, enjuagados con agua destilada y finalmente secados con aire

caliente.

La solucin para el ensayo de DL-EPR consisti en 0,5 M H2SO4 + 0,01 M KSCN. El

DOS fue obtenido a travs de la relacin Ir/Ia, donde Ia es el pico de la corriente en el barrido

andico e Ir es el pico de la corriente en el barrido inverso. El anexo J muestra un ejemplo del

protocolo utilizado en la medicin del DOS de una muestra.

Los ensayos DL-EPR fueron llevados a cabo en una celda convencional de 3 electrodos,

usando un electrodo de Pt como electrodo auxiliar y un Electrodo de Calomenano Saturado

(ECS) como electrodo de referencia. En principio, se midi el potencial de corrosin (Ecorr) por 5

minutos, luego se realiz un barrido en la direccin andica a una velocidad de 1,67 mV/s hasta

alcanzar 300 mV/ECS, seguidamente se invirti el barrido hacia potenciales ms nobles hasta

alcanzar el potencial de corrosin. El potensiostato utilizado fue un Gamry 600.

2.2. Soluciones usadas para los ensayos de CBE.

Dos tipos de soluciones fueron usadas en este estudio, soluciones basadas en iones de

tiosulfato (vase anexo A para ms detalles) y soluciones basadas en iones cloruros; ambas

fueron usadas a distintos pH y concentraciones; tal como se muestra en la tabla 2.3. Cada una de

las soluciones se prepararon con reactivos analticos de extrema pureza y con agua destilada,

mantenindose a temperatura ambiente y presin atmosfrica.

Tabla 2.3: Soluciones utilizadas en las experiencias

N Solucin pH

1 100 ppm de tiosulfato, acidificada con H2SO4 3

2 1000 ppm de tiosulfato, acidificada con

H2SO4 3

3 10000 ppm de tiosulfato 7

4 0.5 M NaCl + 1.5 M H2SO4 0,25

5 0.5 M NaCl + 0.005 M H2SO4 2

24

En esta etapa del estudio se busc el ambiente agresivo con el pH adecuado y la

compatibilidad ptica adecuada para los anlisis por DIC. Como se mencion en el captulo I, la

DIC necesita tener un acceso ptico (transparencia) hacia la muestra.

2.3. Ensayos de corrosin bajo esfuerzo.

Tanto las probetas de tensin (electrodos de trabajo) como los contra-electrodos fueron

obtenidos de la misma chapa de acero AISI 304L, utilizada en la fabricacin de los cupones

sometidos a la determinacin del DOS (Ver tabla 2.1); la geometra del electrodo de trabajo y del

contra-electrodo se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1: Geometra del electrodo de trabajo (ejemplar de tensin) y del contra-electrodo

Todas las probetas utilizadas en los ensayos de CBE, incluyndose los contra-electrodos,

se sometieron al tratamiento trmico que obtuvo el mejor desempeo (mayor DOS). Segn los

experimentos de sensibilizacin estudiados, el mismo consisti en las siguientes condiciones: sin

recocido previo y tratado a 650 C por 74 h; se utiliz el mismo horno convencional mencionado

en la seccin 2.1. Las muestras se enfriaron al aire al finalizar el tratamiento.

Luego de aplicar el tratamiento trmico, las probetas se pulieron con papel abrasivo de

SiC hasta #1200 y posteriormente fueron desengrasados con alcohol. Slo un rea de 8 mm por

20 mm de cada lado de la probeta estuvo expuesta a la solucin; el rea no expuesta estuvo

protegida con silicn CAF4.

Todos los electrodos (referencia, trabajo y contra) se colocaron en una celda de corrosin

con una ventana en la parte delantera (ver figura 2.2.b), permitiendo el acceso ptico hacia el

interior de la celda; la estanqueidad de la celda se logr gracias al uso de tapones de goma y

silicn CAF4. Las conexiones de los sistemas de emisin acstica y de ruido electroqumico

fueron realizadas antes de imponerse la carga mecnica (ver seccin 4 y 5).

25

Las probetas fueron ensayadas considerando dos tipos de cargas: carga constante en un

anillo de CBE de 40 kN como carga mxima y a velocidad de deformacin constante (SSRT, por

sus siglas en ingles) en una mquina electrnica de tensin con un lmite de 30 kN (Lloyd

LR30K). En el caso de los ensayos a carga constante, las muestras fueron solicitadas a distintos

niveles de carga, los cuales se ubicaron en un rango entre 80 y 130% del esfuerzo de fluencia

(y). En el caso de los ensayos a velocidad de deformacin constante y baja (SSRT), la velocidad

de deformacin fue de: 5*10-6

s-1

con una pre-deformacin de 21 N a una velocidad de 21

mm/min. Los ensayos se llevaron a cabo hasta la fractura final de la muestra o interrumpidos en

el caso de que ningn signo de corrosin haya sido visible, luego de veinticuatro (24) horas de

inmersin.

Figura 2.2: a) Montaje experimental para los ensayos de CBE. b) Celda de corrosin utilizada en

todos los ensayos de CBE.

2.4. Adquisicin de datos de Ruido Electroqumico (RE)

El ruido electroqumico se midi en condiciones de corrosin libre con un potenciostato

Gamry 600, en un sistema de tres (3) electrodos, dos electrodos fabricados con el mismo material

y un electrodo de referencia (ECS). Los electrodos se ubicaron de forma paralela dentro de la

celda y separados unos 15 mm entre ellos. Las variaciones de la corriente se midieron entre el

electrodo de trabajo y el contra-electrodo, a travs del uso de un ZRA (zero resistance ammeter),

mientras que el ruido del voltaje se obtuvo entre el electrodo de trabajo y el electrodo de

b) a)

26

referencia. Las reacciones andicas que tenan lugar en el electrodo de trabajo se reconocan por

una corriente positiva y cambios negativos en el voltaje. La adquisicin se comenzaba, por lo

general, treinta (30) minutos antes de realizar la carga mecnica.

2.5. Sistema de adquisicin de Emisin Acstica (EA)

El sistema de adquisicin por EA consisti en el uso de dos (2) sensores piezoelctricos

R15D; uno ubicado en la parte superior de la probeta, al exterior de la celda de corrosin,

mientras que el otro se ubicaba en la parte baja de la probeta, tambin fuera de la celda de

corrosin. Los sensores posean un rango de frecuencia de operacin ubicada entre 20-1000 kHz

y una amplitud mxima de 100 dB. Las seales fueron amplificadas 40 dB y fueron registradas

con una frecuencia de un (1) MHz.

Con el propsito de eliminar las perturbaciones mecnicas y electromagnticas, se

emplearon dos tipos de filtros: un filtro de paso alto con una frecuencia de corte de 20 kHz y un

filtro de paso bajo con una frecuencia de corte de 1,2 MHz. El umbral de deteccin se ubic

ligeramente por encima del ruido de fondo: 26 dB para los ensayos llevados a cabo en soluciones

de tiosulfato y 33 dB para los ensayos implementados en las soluciones de cloruro. La

adquisicin de emisin acstica comenzaba al mismo tiempo que la solicitacin mecnica.

2.6. Adquisicin de imgenes para la DIC

2.6.1. Preparacin de la superficie de los electrodos: se probaron dos tipos de preparacin de

superficies: una mediante chorro de arena y la otra por grabado electroqumico. Tanto el

electrodo de trabajo como el contra-electrodo sufrieron el mismo procedimiento, los

cuales fueron los siguientes:

a. Chorro de arena: La abrasin de las muestras, se realiz en una cmara de abrasin y

con la ayuda de una pistola especial. Se utilizaron granos de Corindn con un tamao

de partcula promedio de 200 m. Las muestras fueron tratadas manualmente,

ubicando la pistola aproximadamente a 10 cm de ellos y mediante una presin de

trabajo de 4 bares.

b. Ataque electroqumico: El bao electroqumico consisti en 92 % de cido actico y

8% de cido perclrico, cada probeta se sumergi en el bao y recibi un ataque a

37,9 V por 4 segundos.

27

Luego de realizar cada uno de los tratamientos de superficie, la calidad del patrn

resultante fue evaluada mediante el uso de microscopia ptica y mediante un

procedimiento en Matlab propuesto por Y.Guichon. Dicho procedimiento se basa

en la evaluacin del nivel de gris y en la evaluacin de la calidad de la correlacin

digital (para mayores detalles vase Anexo F).

2.6.2. Adquisicin de imgenes para la DIC: Se utiliz una cmara CCD modelo STINGRAY

de Allied Vision Technologies, la cual posea 2452 X 2056 pixeles; la misma se

encontraba acoplada a un objetivo tele-cntrico de tal manera que la combinacin

otorgaba un tamao de pixel de 3,45 m. La zona de trabajo que permita esta

combinacin resultaba en unos 8,5 X 7,1 mm, lo cual permita la observacin de una parte

de la muestra de traccin a travs de todo su ancho.

2.7. Caracterizacin de las fisuras:

Las grietas fueron caracterizadas mediante el uso de la Microscopia ptica y la Microscopia

Electrnica de Barrido (MEB). Entre los parmetros evaluados, se encontraron: la densidad de

grietas y su talla promedio.

Tambin se observ la morfologa de la fractura, mediante la evaluacin de la porcin de

material que fall de manera intergranular.

28

CAPITULO III

RESULTADOS Y DISCUSIONES

3.1. Tratamientos trmicos de sensibilizacin.

Se estudiaron varios cupones tratados trmicamente en distintas condiciones (de temperatura

y tiempo), con el fin de obtener altos grados de sensibilizacin. En general, cada tratamiento

trmico se llev a cabo en dos etapas: la primera etapa consisti en la aplicacin o no de un

recocido (vase Tabla 2.2); y la segunda etapa consisti en el tratamiento de sensibilizacin

finalizado con un enfriamiento al aire.

La Tabla 3.1 muestra los resultados obtenidos para cada condicin, en ella se puede observar

que el mayor grado de sensibilizacin (DOS, por sus siglas en ingls) se obtuvo para el cupn

que sufri un tratamiento trmico sin recocido previo y el cual se sensibiliz a 650 C por 74 h.

Tambin se observ que estos cupones a los cuales se les aplic un recocido previo (a la misma

temperatura y por el mismo periodo de tiempo) no presentaron un incremento en el DOS a partir

de 40 h de tratamiento.

Tabla 3.1: Grados de sensibilizacin obtenidos para las distintas combinaciones de

tratamientos trmicos estudiados

Temperatura

(C) Muestra DOS (%)

600

Recocido + 40 H 3,233



Sin recocido, 50 H 10,233

650








29

Dicha estabilizacin en el DOS al aumentar la duracin del tiempo de tratamiento, se presume

que se debe a un Efecto de auto curado, el cual ocurre debido a cambios termodinmicos en la

aleacin. El calentamiento prolongado del material, provoca un crecimiento excesivo de los

carburos. Este crecimiento desmesurado induce una disminucin de carbono en la matriz

austentica, lo cual provoca un descenso en la actividad del carbono en la aleacin; esto

promueve la re-difusin del Cr hacia la zona empobrecida en Cr. Este hecho genera un umbral de

sensibilizacin, lo que significa la aparicin de un valor mximo de sensibilizacin. [69]

Como la bsqueda de este umbral de sensibilizacin (mximo valor de DOS antes de sufrir

auto curado) toma bastante tiempo y no es uno de los objetivos principales de esta

investigacin; se consider la combinacin que arrojo el mayor DOS para el resto del estudio. Se

debe mencionar que la realizacin de un tratamiento de recocido previo (a 1050 C por 1 hora)

sirve para eliminar los esfuerzos residuales en el material y tambin ayuda a re-disolver los

carburos de cromo existentes, antes del tratamiento de sensibilizacin. Por esta razn los cupones

recocidos poseen menor DOS que los que no sufrieron dicho tratamiento. Adems, por lo

mencionado anteriormente, el recocido previo mejora la reproducibilidad del tratamiento entre

todas las muestras.

Se estudi la reproducibilidad del tratamiento escogido en pequeos cupones cuadrangulares,

los mismos utilizados en un principio para realizar el estudio de las muestras de la tabla 3.1. Se

confirm la obtencin de altos valores de DOS (28,72 1,89 %) con una reproducibilidad

aceptable (Tabla 3.2).

Tabla 3.2: DOS obtenidos en los cupones de confirmacin

Cupn

(#) DOS (%)

0 27,17

1 30,64

2 30,07

3 27,03

Promedio 28,72 1,89

30

La Tabla 3.3 muestra los resultados obtenidos luego de algunos ensayos de DL-EPR, en dicha

tabla los DOS se obtuvieron usando el mismo protocolo utilizado para los cupones

cuadrangulares, con la excepcin que esta se vez se utilizaron pedazos rectangulares de 15 X 10

mm extrados de las cabezas de cada probeta de traccin, luego de los ensayos de CBE. En dicha

Tabla se observa, de manera bien explicita el problema de reproducibilidad, an si este problema

no es importante en los cupones cuadrangulares. La dispersin se hace bastante representativa en

el caso de las probetas de traccin (vase imagen 2.1). Esta dispersin en los DOS podra

explicarse por el hecho de que las largas muestras de traccin una vez dentro del horno, sufren un

gradiente de temperaturas en la superficie, lo que provoca heterogeneidades en el grado de

sensibilizacin.

Tabla 3.3: DOS obtenidos para algunos ejemplares de tensin

Probeta (#) DOS (%)

1 36,20

2 19,47

3 29,45

4 20,79

7 18,39

8 22,20

Promedio 24,42 6,97

Dicha dispersin en los grados de sensibilizacin de las probetas, debe ser mejorada para

lograr una mejor reproducibilidad del tratamiento. Tal como podr verse en la prxima seccin,

las soluciones diluidas de tiosulfato requieren altos valores de sensibilizacin para iniciar la CBE-

IG en un tiempo aceptable.

3.2. Agrietamiento mltiple y ensayos de CBE

Como se mencion en secciones anteriores, el objetivo principal de este trabajo es lograr un

agrietamiento mltiple en el material, dentro de un periodo de tiempo aceptable (ensayo

acelerado); de tal manera de hacer un seguimiento del proceso, mediante el anlisis de datos

31

provenientes de la EA, del RE y de la DIC. La Tabla 3.4 resume cada uno de los ensayos llevados

a cabo durante el estudio.

Tabla 3.4: Ensayos de corrosin bajo esfuerzo llevados a cabo

Probeta

(#)

Aleacin Solucin pH Tipo de

carga DOS (%) CBE

A

304

100 ppm de tiosulfato

2.7 CC (1)

36,03

B

3

SSRT (1)

1

304L

36,20

2 19,47 X

3 1.000 ppm de tiosulfato 29,45 X

4

100 ppm de tiosulfato

20,79 X

5 ND (2)

X

6 10.000 ppm de tiosulfato 7 ND X

7 304L 3%

def (3)

0,5 M NaCl + 1,5 M H2SO4 0,25 18,39

(4)

8 304L 22,20

9 304L 3%

def

0,5 M NaCl + 0,005 M

H2SO4 1,86 ND X

10 304L 0,5 M NaCl + 0,1 M H2SO4 0,87 ND

(1) CC = Carga Constante, SSRT = Slow Strain Rate Test.

(2) No determinado.

(3) Algunas muestras de traccin fueron pre-deformados en el aire antes de los ensayos de CBE.

(4) DOS fue determinado en la extremidad del ejemplar, lo cual no estuvo pre-deformado.

En la Tabla 3.4 se puede observar que los ensayos realizados en medio tiosulfato

resultaron en gran parte insatisfactorios; esto debido a que los ensayos de CBE en medios

diluidos de tiosulfato, necesitan altos grados de sensibilizacin. En dicha tabla se observa la

32

existencia de un umbral en el DOS, el cual, una vez sobrepasado, el fenmeno de CBE se hace

evidente en un tiempo tolerable. Tal umbral se estima que se encuentra entre 28-36 %.

As mismo, la probeta 3 no present CBE, an si posea un DOS de 29,45 %. Dicho DOS

se considera suficientemente alto, en comparacin al que se menciona en la teora de percolacin

[73]. Este hecho sin CBE, podra atribuirse a la degradacin de la solucin por la acidificacin del

medio, tal como se observa en la ecuacin 3.1.

Eq. (3.1)

Dicha degradacin causada por la precipitacin de azufre (ecuacin 3.1), no siempre es

negativa, de hecho, debido a la naturaleza traicionera del anin ( ) de proveer y acumular

azufre en la punta de la grieta, impide la repasivacion y en consecuencia la grieta puede

propagarse. Por lo tanto, se debe encontrar un equilibrio en el pH de la solucin, de tal manera

que la solucin no se degrade y adems, posea la acidez suficiente para que el proceso de

corrosin localizada se desarrolle de forma estable.

Adems de las soluciones de tiosulfato, se utilizaron medios basados en iones cloruros;

estos medios agresivos estn compuestos de 0,5 M NaCl + 1,5 M H2SO4. En este tipo de solucin

la especie agresiva eran los iones cloruros (Cl-), los cuales fueron responsables de la iniciacin de

picaduras en la superficie del metal; estas picaduras sirvieron como puntos de iniciacin de las

grietas de corrosin bajo esfuerzo, luego de someter a carga mecnica la probeta. El rol del cido

sulfrico (H2SO4) consisti en acelerar el proceso de corrosin, debido a que impide la re-

pasivacion del metal, con lo cual se estabiliza el fenmeno de picadura. Se variaron las

concentraciones de cido en los medios agresivos (ejemplares 7-10), con el fin de estudiar la

influencia del pH en la morfologa del agrietamiento mltiple. Se encontr que las soluciones con

altas concentraciones de cido sulfrico (e.g 1,5 M) provocaban picaduras sumamente estables y

numerosas (vase figura 3.1), lo que generaba un excesivo desprendimiento de hidrgeno. Luego

de un anlisis post-mortem de las superficies de las muestras, se observ que las picaduras

encontradas no eran de gran profundidad. Por lo cual, la falla final pudo deberse a fragilizacin

por hidrgeno, en vez de CBE asistida por picadura.

33

Figura 3.1: Fotos obtenidas mediante MEB de la probeta 7, a) se puede observar una gran

cantidad de picaduras en la superficie de poca profundidad y b) la grieta muestra una apariencia

trans-granular, caracterstica de la fragilizacin por hidrgeno.

Por otro lado, debido a la incontrolada produccin de hidrgeno gaseoso, el sistema de

emisin acstica se satur (generacin de seales superior a la capacidad de registro), de tal

manera que no se pudo trabajar a bajos umbrales de deteccin, ni registrar las formas de ondas.

As mismo, el anlisis por DIC result tambin imposible, debido a la interferencia de las

burbujas de hidrgeno en el algoritmo de trabajo (programa utilizado para realizar la correlacin).

En consecuencia, se probaron soluciones con concentraciones menores a 1,5 M de H2SO4, con el

fin de trabajar con soluciones menos acidificadas, las cuales tericamente provocaran una

cintica de generacin de hidrgeno mucho menor.

Como puede observarse en la tabla 3.4, el fenmeno de corrosin bajo esfuerzo slo se

gener en las soluciones con una concentracin de H2SO4 entre 1,5 M y 0,1 M; mientras que

para la probeta sumergida en la solucin contentiva de 0,005 M de H2SO4 slo se observaron

fisuras en etapa de iniciacin. Por otra parte, la probeta 10 (solucin con 0,1 M de H2SO4) no

present falla catastrfica, pero si exhibi una densidad de grietas bastante importante en la

superficie (vase tabla 3.5).

En conclusin, los resultados obtenidos indican que para poder observar CBE en estos dos

tipos de soluciones, dentro de un tiempo aceptable; es decir, sin que los ejemplares presenten

altas tasas de deformacin, los ensayos se deben llevar a cabo a bajos niveles de pH. Estos bajos

niveles de pH resultan en altas concentraciones de H2SO4, lo cual dificulta el registro y anlisis

de los datos (EA y DIC).

34

3.3. Morfologa de las grietas segn el modo de solicitacin: Carga Constante (CC) o

velocidad de deformacin constante (SSRT, por sus siglas en ingls)

Solo una muestra fall a carga constante (vase probeta A en la tabla 3.4), pero es bastante

claro que el modo de agrie

CONDICIONES EXPERIMENTALES PARA EL ANÁLISIS POR CORRELACIÓN DE IMÁGENES DIGITALES EN CORROSIÓN...

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