LatinAmerican Journai o/ Metallurgy and Maieriale, Vol. 5, N° 1, 1985

Estudio de Corrosión-Fatiga de la Aleación de Aluminio 6201 T81 en Medio Clorurado Neutro

Ramón Perret, Gunter Joseph y Jorge Pardo"

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Instituto de Investigaciones y Ensayos de Materiales (IDIEM), Uníversi-dad de Chile - Plaza Ercílla 883, Santiago, Chile

Las propiedades de corrosión fatiga de la aleación 620-T81. han sido estudiadas en una solución al 3%de NaCl de pH 6,8 con aplicaciónde un potencial constante regulado en el nivel del potencial de corrosión y en un sobrepotencíal anódico en el rango del potencial depicado de 150mV.Al efecto, se determinó la velocidad de crecimiento de la grieta en función del número de ciclos y del intervalo de inten-sidad de esfuerzo. Debido a que esta aleación se usa en la fabricación de conductores eléctricos de alta tensión se ha elegido un régimende tensión pulsante para simular las condiciones que se dan en. líne1l;sde transmisión en ambientes cesteros.

Corrosion Fatigue of Aluminum 6201 TSl alloy in Neutral NaCI Solut ion

The corrosion fatigue behavior of 6201·T8l alumin um alloy samples was studied in 3 wt. % NaCl solution at pH 6.8. The sample/solution ,potential was keptconstant in two independent series of tests, at the corrosion potentiallevel and at 150 mVanodic overvoltage. Rate ofcrack propagation was determined as a function ofthe nu mber oí cyc!es and stress intensity differential. As this alloy is employed in themanufacture of electrical conductors. a pull-release fatiguing rriode was chosen to simulated sea cost conditions.

INTRODUCCION

En el deterioro por fatiga de un cierto metal, se pue-den distinguir tres etapas: iniciación de la grieta, propa-gación hasta un tamaño crítico y fractura inestable final[1,2]. Si la acción mecánica se combina con una accióncorrosiva (en nuestro caso, una solución al 3% de NaClneutral) los parámetros que pueden influir en el creci-miento de la fractura por fatiga, tales como el nivel deesfuerzo cíclico, la estructura de la aleación y sus propie-dades electroquímicas, dan condiciones de resistencia dela aleación que difieren de la resistencia a la fatiga delmaterial libre de la influencia del medio agresivo. Se hadesarrollado gran cantidad de trabajos tanto teóricoscomo experimentales, para determinar el efecto de laamplitud de la variación de carga, sobre la velocidad depropagación de la: grieta de fatiga [3, 4].

La resistencia de la corrosión de la aleación en estu-dio ha sido caracterizada a través de una curva potencio-dinámica, que señala las condiciones potencial-corrienteactivas y pasivas, trazado que permite elegir las condi-ciones de potenciales especialmente relevantes en pro be-tas sometidas a corrosión-fatiga.

Este trabajo ha sido realizado con el objeto de cono-cer y comparar el comportamiento de la aleación 6201-T81 (Al- Mg-Si) bajo esfuerzo cíclicos al aire y estando lasprobetas sumergidas en una solución acuosa de clorurode sodio [5].

Se eligió un modelo de probeta C.T. [6] para con elloobtener correspondencia del comportamiento con ante-cedentes de literatura de mecánica de fractura, en gene-ral y de corrosión bajo tensión.

La velocidad de crecimiento de la grieta ha sidocorrelacionada con la intensidad de esfuerzo por la fór-mula de Paris y Erdogan [7].

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.1. Preparacidn de la aleación

La aleación de aluminio 6201 se obtuvo de cableselétricos, refundidos en un horno de inducción al vacíoBalzer VSG 10 de frecuencia intermedia (10 Hz) de 35Kw, en crisol de grafito. Posteriormente se forjó a 450°Chasta conseguir una barra de aproximadamente 16 mmde espesor. La composición química de esta aleación esde 0.7% Mg y 0.7% Si.

2.2. Tratamiento térmico

La barra forjada ha sido laminada en frío hasta con-seguir un espesor de aproximadamente 8 mm, elimi-nando del orden de un tercio de su longitud, para des-cartar el rechupe formado en la solidificación. El resto dela barra laminada ha sido sometida a los siguientes pasoscorrespondientes al tratamiento T81 (según nomencla-tura A.S.M.):

a) Solubilización a 530°C durante 3 horas.b) Temple en agua fría (30°).e) Deformado en frío. (50% de reducción en el

espesor).d) Envejecimiento a 160°C durante 8 horas.

2.3. Preparaciónde probetas CT

Las muestras para ensayos de fatiga se elaboraronconforme a la norma ASTM E647-78, orientándose de talmodo que la dirección de laminación concidiese con la deaplicación de los esfuerzos mecánicos, para observar las

• Universidad de Carabobo, Venezuela, Prof. visitante en IDIEM en uso de su Año Sabático.

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condiciones de desplazamiento de la grieta normalmentea dicha dirección. A cada probeta se le practicó una pre-grieta con una máquina de electro erosión (Spark Cutter)usando como herramienta una hoja de máquina de afei-tar. La Fig. 2.1. enseña un esquema dimensional deesta probeta.

5~o.3

...o.~Il)

56.2:0.5

Fig, 2.1. Esquema dimensional de probeta C-T modificada ..

2.4. Curva depolarización

Para la obtención de esta curva se usó un Potencios-tato Gerhard BankElectronik según Wenking con unScannning Potentiometer SMP 72 y un registrador de unsolo canal. La aleación tratada embutida en Lucita fuesometida a prepolarización a 1.500 mV e.c.s. Se utilizóuna velocidad de barrido de potencial de 60 mV/min. Lacurva de polarización obtenida se anota en la Fig.3.1.

2.5. Ensayos de Fatiga

Se hicieron ensayos de fatiga de traccón pulsante enun Vibróforo Amsler 2HFP-421 de frecuencia de reso-nancia, que trabaja a 40-140 hz con un dinamómetro de0.4 toneladas. La carga máxima de tracción aplicadafue de 100 kgf. Las condiciones impuestas al equipofueron:

Pmax = 100 kgfPmin= 25 kgfPmedia = 65,5 kgfR= 0,25Pamplitud ± 37,3 kgfFrecuencia media ± 58,5 ciclos/seg.

Ee.c.s(rnv)

~---------. -500

Ep_1 -700

"'000

-2 -1 O 1 2 3 4 5 6 7 1 mA-U -0.56 0.56 1.1 1.7 U 213 3.3 3.7 IImA/cm2)"

Fig. 3.1. Curva de Polarización de la aleación 6201-T81 con velocidadde barrido de 60 mV/min.

Las pruebas se hicieron estando la probeta inmersaen dos medios: .

a) Aire.b) Una solución acuosa de NaCI al 3%,

El electrolito de 3% de NaCl estaba contenido en unacelda de vidrio a través de cuya tapa y fondo pasaban lasmordazas. La celda contenía además un contraelectrodode Platino y un electrodo de referencia de CalomelanoSaturado, para aplicar distintos niveles constantes depotenciales de polarización mediante el Potenciostato.Se hizo circular en Iorrna continua la solución por mediode una bomba peristáltica. Los detalles de construcciónde esta celda se encuentran contenidos en otro tra-bajo [8].

La medición y observación de la aparición y creci-miento de las grietas a partir de las respectivas pre-grietas, en el proceso de fatigamiento de las muestras, serealizó con ayuda de una lupa binocular Leitz. El ensayose continuó hasta alcanzar la grieta, una longitud deunos 13 mm. Los respectivos números de ciclos se leíanen un dispositivo integrador que forma parte de la cón-sola de control del Vibróforo.

Las condiciones potenciostátieas aplicadas a lasprobetas CT en la celda de corrosión, fueron:

a) Potencial de corrosión libre - 800 mVe.c.s.b) Potencial con sobretensión anódica de 150

mVe.c.s.

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En la primera condición la corriente se mantuvo encero mA. -

En la segunda condición, se dieron condiciones decorriente de:

Intensidad inicial = 1 mA.Intensidad final = 38 mA.

Las probetas ensayadass se observaron metalográ-ficamente en microscopio óptico y en un microscopioelectrónico de barrido Siemens.

3. RESULTADOS

3.1. Ensayos de polarización electroqutmica

La Fig. 3.1. señala una curva de polarización cató-dica, y anódica obtenida con una velocidad de barrido de60 mV/min. El potencial libre de corrosión resultó de unvalor de - 800 mVe.c.s. y el potencial de picado alcanzaun valor superior a - 700 mVe.c.s.

3.2. Ensayos de fatiga

Las tablas 3.1, 3.2 Y 3.3. indican los valores de la lon-gitud de la grieta en los ensayos de fatiga pulsante enaire y en solución de NaCl al 3%, polarizadas anódica-mente a - 650mVe.c.s. y al potencial de corrosión ( - 800mVe.c.s.).

TABLA 3.1.

CRECIMIENTO DE LA GRIETA EN FUNCIONDEL NUMERO DE CICLOS DEAPLICACION DE ESFUERZO

EN AIRE ARMOSFERICO

Ciclos GrietaNX1.000 L(mm)

483 O557 2,13606 3,30662 4,09697 5,06717 5,97738 7,14788 8,15833 9,28841 10,32855 11,14

TABLA 3.2.

CRECIMIENTO DE LA GRIETA EN FUNCIONDEL NUMERO DE CICLOS DE APLICACIONDE ESFUERZO EN ESTADO DE INMERSIONEN SOLUCION DE NaCl AL 3% Y POTENCIAL

APLICADO AL NIVEL DE POTENCIALDE CORROSION (- 800 mVe ..c.s.)

Ciclos GrietaNX1.000 L(mm)

112 O175 1,23223 2,55240 3,56261 4.58273 5,35295 6,40315 7,41'329 8,45340 9,50352 10.4235P 11,46364 12,47369 13,28

TABLA 3.3.

CRECIMIENTO DE LA GRIETA EN FUNCIONDEL NUMERO DE CICLOS DE APLICACION

DE ESFUERZOS EN ESTADO DE INMERSIONEN SOLUCION DE NaCI AL 3% Y POTENCIALAPLICADO EN 150 mV DE SOBRETENSION

ANODICA (- 650 mVe.c.s.)

Ciclos GrietaNX1.000 L(mm)

59 O103 0,90148 1,85188 2,80226 3,65282 4,87295 6,0315 6,81330 7,76339 8,85344 9,77349 10,74352 11,65

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Las velocidades de crecimiento de grieta en funcióndel intervalo de intensidad de esfuerzo, se anotan en lasTablas 3.4, 3.5 Y 3.6.

TABLA 3.4.

VELOCIDAD DE CRECIMIENTO DE GRIETAEN FUNCION DEL liK EN PROBETA

FATIGADA AL AIRE

daNNmm/ciclo t..K

X 10-5 kg/m:m

0,019 54,040,023 .56,840,025 58,740,051 60,740,068 62,380,073 67,010,085 70,08

Se advierte de las tablas 3.1,3.2 Y3.3 que los núme-ros de ciclos o tiempos de incubación para el nacimientode la grieta de fatiga, resultó ser:

de 483.000 ciclos en el fatigamiento en aire.

de 112.000 ciclos en el fatigamiento a potencial decorrosión; y

de 59.000 ciclos en el fatigamiento con polarizaciónde 150 mV anódicos.

TABLA 3.5.

VELOCIDAD DE CRECIMIENTO DE GRIETAEN FUNCION DEL liK EN PROBETA

FATIGADA A POTENCIAL DE CORROSION(E corr. - 800 mV e.c.s.)

da/dN·mm/cic/o t..K

x 10-:' kg/rrr'?'

0,036 52,300,053 55,010,055 57,510,064 60,010,079 62,030,079 64,960:094 67,800,102 70,900,150 74,32

Además se ve que la velocidad finai de crecimientode la grieta es máxima para la probeta polarizadaa + 150 mV en el sentido anódico y mínima para la pro-beta fatigada al aire. Este efecto es muy visible en la Fig.3.2 que presenta un gráfico de N° de ciclos versus longi-tud de grieta.

La Fig. 3.3 que presenta la velocidad de crecimientode grieta en función del intervalo de intensidad deesfuerzo muestra la misma tendencia en forma másnotoria.

3.3. Observaciones microscópicas

Las Figs. 3.4, 3.5 Y3.6 señalan micrografías ópticascon 400 aumentos de la grieta de fatiga en los 3 medios.Se advierte que la grieta en los tres casos tiende a propa-garse por las segregaciones no metálicas.

Se advierte una mayor apertura de las grietas en sucurso medio para las grietas de corrosión-fatiga que parala grieta de fatiga en aire.

Por otra parte la propagación de la grieta a poten-cial de corrosión tiene mayor tendencia a un modo inter-cristalino en las tres condiciones, aunque la grieta decorrosión fatiga a potencial de sobretensión anódica de150 mV.manifieste también grietas satélites intercris-talinas.

Las vistas en microscopio electrónico de barrido delas caras de las grietas de fatiga obtenida en los 3 mediosaparecen en las Figs. 3.7, 3.8 Y3.9 con aumento originalde 200 diámetros.

En la Fig. 3.7 se presenta la topografía de la superfi-cie de fractura de la misma rota en aire. Ella tiene elaspecto de un clivaje transcristalino.

TABLA 3.6.

VELOCIDAD DE CRECIMIENTO DE GRIETAEN FUNCION DEL liK EN PROBETAFATIGADA A POTENCIAL ANODICO

(- 650 mVe.c.s.)

da/dNmm/cic/o t..Kx 10-5 kg/m:J12

0,022 51.300,024 53,440,035 55,650,044 57,730,055 60.600.085 63.840,140 66.120,190 68,890,240 72,16

65

25

20

15

:§j!EÉ~I~

10

Llmml15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

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o e FATIGA AL AIRe

o ¡¡ C:ORROSlON-FATIGAo Pottnciol o. Corrosici-l(-800 m'( f.C.11

+. CORROSIOH·FATlGAPolarizado QnodicQ~tfa .1~Omv.lOb,.ti POIH\Cia:

dI Corrosión

100 200 1000 'N .10300 400 500 600 700 800 900

Fig. 3.2. Longitud de grieta vs, número de ciclos,

./

Fig. 3.4.

l

Aspecto de la grieta con 400 diámetros de aumento en sucurso medio. de la probeta fatigada al aire. Se aprecia queella se propaga de modo preferentemente transcristalina.La apertura de la 'grieta en este curso en muy reducida.

o50L,--------6~O------7 •..0------6 •..0-6-K IIog/mm'I

O: FATIGA Al AIRE

o: CORROSION-fAT1GA OPO!rr.c'al d.CorrOS,Órl t"eOOm~ ec s !

.•• CORRQSION-J;A·rlGA Palomo

ooanoChcom.ntt O·l;Qm.•. lObo

~I Pcteoc-ct d. Co"o5oo"

Fig. 3.3. Velocidad de crecimiento de grieta en función del intervalode intensidad de esfuerzo.

En la muestra rota en inmersión y a potencial decorrosión, la fractura es preferentemente intercristalinay las caras cristalinas señalan pequeñas inclusiones nometálicas (Fig. 3.8).

Al polarizar la muestra anódicamente a + 150 mV lafractura resulta mixta como lo señala -la Fig. 3.9.

Aspecto de la grieta con 400 diámetros de aumento en sucurso medio, de la probeta fatigada al potencial de corro-sión. Se aprecia que ella se propaga preferentemente demodo intercristalino y su apertura es mayor que la obser-vada en la Fig. 3.4.

Fig. 3.5,

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Fig, 3.6. Aspecto de la grieta con 400 diámetros de aumento el) sucurso medio, de la probeta fatigada a potencial anódico.Ella se ha propagado de modo transcristalino, presentandogrietas satélites de propagación intercristalina y su aper-tura es mayor que la mostrada en la figura 3.5.

Fig. 3.7. Cara de grieta de probeta fatigada al aire, observada con200 diámetros de aumento en microscopio electrónico debarrido. La fractura tiene el aspecto de un clivaje trans-cristalino.

DISCUSION

La curva potenciodinámica de polarización señalóen este caso un "rango"de potencial de picado debido auna velocidad de "barrido de potenciales relativamentealta. La idea de seleccionar un potencial de polarizaciónintermiedio nos sitúa en el intervalo definido por J. Gal-vele [9] como rango de susceptibilidad a la corrosión bajotensión cual es el comprendido entre el potencial depicado y el potencial de repasívación.

Fig. 3.8. Cara de grieta de probeta fatigada en solución de NaCl alpotencial de corrosión, observada con 200 diámetros deaumento en microscopio electrónico de barrido. La fracturaes preferentemente intercristalina .y las caras cristalinasseñalan pequeñas inclusiones no metálicas.

Fig. 3.9. Cara de grieta de probeta en solución de NaCl polarizadaanódicamente a + 150 mV observada con 200 diámetros deaumento en microscopio electrónico clebarrido. La fracturaes de carácter mixto (trans-intercristalino).

La circunstancia que al potencial de corrosión seproduce también un efecto de corrosión fatiga, sugiereque en este caso el potencial de repasivación (que no fuemedido) puede estar por debajo del de corrosión.

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El tiempo de incubación o número de cicles de cargaprevios a la grieta, es máxima en el fatigamiento en aire ymínimo al potencial anódico próximo al potencial depicado. Ello se explica por la circunstancia que el procesode disolución anódica produce entalladuras intercristali-nas que actúan como iniciadores de grieta. Al potencialmixto de corrosión esta acción es menos ágil porque sóloactúa la corriente de intercambio.

El comportamiento frágil se debió en este caso ade-más de la triaxialidad de esfuerzos por la presencia de laentalladura, a unafragilización por hidrógeno. De hecho,en los ensayos hechos sobre las probetas inrnersas seobservaba la formación de una burbuja de gas en él fonfode la grieta, situación que era de esperar ya que el poten-cial impuesto era del orden de - 410 mV/ENH y a pH 4 eldesprendimiento de hidrógeno es termodinámicamenteposible para potenciales bajo - 240 mV/ENH, sobre elmetal desnudo de la grieta. La transgresión del potencialde descomposición del agua ocurre porque en el interiorde la grieta el p'H baja a un valor del orden 4 como lo hanmedido Joseph, Perret y Paganelli [8] y Joseph, Perret,Cisternas y Romero [10].

Este trabajo muestra que la grieta se propaga másrápidamente cuando la falla es frágil y mixta trans- eintercristalina. La falla en aire ha sido transcristalinapura. Ella resultó sensiblemente frágil por la acción de laentalladura y la especial geometría de la probeta C.T.

CONCLUSIONES

1. La aleación Al 6201 T81 es sensible a corrosiónfatiga en solución de NaCl al 3%.

REFERENCIAS

1. R. H. Christensen, M. B. Harmon: Limitations ofFatigue CrackResearch in design of Fligth Structure, Fatigue Crack Propaga-tion, p. 5 ASTM STP 415 (1967).

2, D. R. Donaldson y W. E. Anderson: Crack Propagation Beha-vior of Matetials. Proceeding of Crack Propagation Symposium,p. 375, vol. II (1961).

3. Von Euw, E. F.J., R. W. HertzbergyR. Robert: Stress Analysisand Growth of Cracks, ASTM STP 513 (1972) 230.

4. Schijve, J. Engineering Fracture Mechanics 5(1973) 269.5. Norma ASTM B~398-81.

2. El modo de propagación de las grietas de corro-. sión fatiga en Al 620 T81 resulta mixto, trans- e

intercristalino, en un potencial próximo al po-tencial de picado e intercristalino al potencialde corrosión.

3. Los tiempos de incubación para el nacimientode la grieta de ruptura son mínimos a potencialde picado y máximo al fatigar en aire.

4. Las velocidades de propagación de la grieta sonmáximas al potencial de picado y mínimas alfatigar' en aire.

AGRADECIMIENTOS

Los autores del presente trabajo agradecen elaporte financiero para la realización de éste, a las si-guientes Instituciones:

- Instituto de Investigaciones y Ensayos de Mate-riales de la Universidad de Chiie (·IDIEM).

- Dirección de Investigación y Bibliotecas de laUniversidad de Chile. (D.l.B.), según contratoW 1/998/883 F.

- Organización de Estados Americanos, ProyectoMultinacional de Tecnología de Materiales(O.E.A.).

- Universidad de Carabobo, Venezuela.

6. Norma ASTM E-647-81.7. P. París y F. Erdogan: A Critical Analysis ofCrack Propagation

Laws. Trans. ASME Series D, 85 (1963) 528.8, G, Joseph, R. Perret, R. Cisternas y E. Romero: Corrosión Bajo

Tensión de una aleación Cu 9% Al en solución de NaCl al 5%,CONAMET III 24-28 Octubre (1983)..

9. José R. Galvele, A. Methodology for the Prediction of Susceptibi-lity to Stress Corrosion Cracking. the Ohio state UniversityResearch Foundation Topical Report 4152-1, June (1976).

lO. G. Joseph, R. Perret, R. Cisternas y E. Romero: Corrosión Fati-gue and CER tests of disperse ordered 9%Al (Cu 9 Al) - BronceSarnples, Inter-American Conference on Materials Technology,Pto. Rico. June 25-29 (1984).

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