CUESTIONARIO 1

DEGRADACION DE LOS MATERIALES

1. Defina la corrosión cuando ésta se refiere a los materiales.

La corrosión es la deterioración de los materiales por la acción del medio, sea química o electroquímica; y a

la cual puede estar asociada una solicitación mecánica, por ejemplo: corrosión bajo tensiones.

Si se pretenden comprender los métodos de control de la corrosión es necesario describir primero en un

cierto grado de profundidad las reacciones y los factores que influyen en el fenómeno.

Este fenómeno no siempre involucra un cambio de peso o un deterioro visible, ya que muchas formas de corrosión se manifiestan por un cambio de las propiedades de los materiales, disminuyendo su resistencia.

2. ¿Cuáles son algunos factores que afectan la corrosión de metales?

Los factores más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre

del hierro y el acero o la formación de pátina verde en el cobre y sus aleaciones (bronce, latón).

La mayoría de los metales se encuentran en estado natural formando parte de minerales, ya sea como

oxido o metales. El mineral común de hierro se asemeja al herrumbre, este es convertido a fierro metálico

mediante el empleo de energía y esta misma energía es la que se libera cuando el hierro se convierte en

herrumbre debido a la corrosión en efecto, es la energía que guarda el metal durante el proceso de

refinación lo que hace posible el proceso de corrosión.

Corrosión es un proceso de destrucción o deterioro electroquímico de un metal por acción y reacción de

éste con el medio que lo rodea (reacciones de oxidación y reducción simultánea).

3. ¿Cuál está en el estado de energía más baja: a) hierro elemental o b) Fe2O3 (oxido de

hierro)?

El oxido de hierro es el que se encuentra en de energía baja ya que necesita energía para volver a hierro

elemental cual es más alto.

4. Proporcione ejemplos de deterioro ambiental de a) materiales cerámicos y b) materiales

poliméricos.

CERAMICOS: Como los materiales cerámicos son combinaciones de elementos metálicos y no metálicos, se puede considerar que estos son materiales que ya han sido corroídos. Por tanto, las cerámicas son excesivamente resistentes a la corrosión en la mayoría de los ambientes, especialmente a temperatura ambiente. La corrosión de los materiales cerámicos generalmente transcurre como una simple disolución química, en contraste con los procesos electroquímicos de los metales ya descritos.

Frecuentemente se utilizan materiales cerámicos debido a su resistencia a la corrosión. Por ese motivo los líquidos se almacenan en recipientes de vidrio. Las cerámicas refractarias no solo deben ser estables a altas temperaturas y aislantes térmicos sino que a menudo deben resistir el ataque a elevadas temperaturas de

metales, sales escorias y vidrios fundidos. Algunas de las nuevas tecnologías desarrolladas para convertir una forma de energía en otra requieren temperaturas relativamente elevadas, atmósferas corrosivas y presión superiores a la ambiental. Los materiales cerámicos suelen resistir mejor que los metales estas condiciones, sobre todo durante períodos de tiempos largos.

Las variaciones de estado del agua: el elemento de volumen al pasar al estado sólido y las tensiones desencadenadas con el posterior deshielo.

La migración de sales solubles: formación de depósitos superficiales y disgregación de revestimiento.

POLIMEROS: Los polímeros son moléculas orgánicas gigantes ,son ligeras y resistentes a la corrosión buenos aislantes eléctricos ,pero tienen relativamente baja resistencia a la tensión y son adecuados para uso a alta temperatura.

Los polímeros se emplean en innumerables aplicaciones como son:

Juguetes

Pinturas

Adhesivos

Neumáticos (Ebonita)

Empaques

Poliéster

Dentro de ellos podemos incluir al plástico caucho ,ahora se utiliza en el poliéster y muchos tipos de adhesivos que se producen creando grandes estructuras moleculares ,a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas o “ POLIMERIZACIÓN “.

Estos materiales pueden ser seleccionarse para proporcionar combinaciones poco usuales en rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. Los materiales compuestos metal cerámica incluyen herramientas de corte de Carburo de Tungsteno y hasta cementados; el Titanio es un proceso reforzador de las fibras de carburo,el Silicio refuerza al acero y al esmaltado.

El cloruro polivinilo expuesto a altas temperaturas se colorea y no sufre cambio de propiedades mecánicas.

Efecto de las reacciones químicas: El oxigeno, el ozono pueden originar o acelerar la escisión (separación o rotura de los enlaces de las cadenas moleculares).

5. ¿Cómo se llama la reacción de oxidación en la cual los metales forman iones que pasan a

una solución acuosa en una reacción de corrosión electroquímica? ¿Qué tipos de iones

producen esta reacción? Escriba la reacción de oxidación de media celda para la oxidación

de metal de zinc puro en solución acuosa.

Se denominan así a los procesos que se desarrollan por acción de electrólitos sobre el metal.

Los procesos electrolíticos pueden ser muy complejos en dependencia de la naturaleza del metal y del

electrólito, pero en general corresponden a una reacción de oxidación -reducción, en la que el metal sufre

un proceso de oxidación y se destruye (se disuelve). Al mismo tiempo el hidrógeno presente en la solución

acuosa se reduce y se desprende oxígeno elemental de la disolución que corroe adicionalmente el metal.

Las aguas naturales que contienen sales, el aire húmedo, las soluciones ácidas, de álcalis o salinas son los

electrólitos más comunes con los que entran en contacto los metales en la práctica.

La tendencia de los metales a ceder a la disolución sus iones, se llama presión de disolución. Cada metal

tiene su propia presión de disolución. A consecuencia de esto, si se colocan diferentes metales dentro de un

mismo electrólito, cada uno adquiere diferente potencial eléctrico y forman pares galvánicos.

En estos pares el metal con potencial más bajo (mayor presión de disolución), pasa a ser el ánodo y se

destruye, es decir se oxida o pasa a la disolución. El segundo metal con potencial mayor actúa como cátodo

y no se disuelve.

Con esto se explican los procesos que se desarrollan durante la corrosión electroquímica de los metales

técnicos (aleaciones). Al sumergir tal metal en el electrolítico, sus diferentes partes adquieren diferentes

potenciales y como en el interior del metal estos componentes están en corto circuito, entonces este

sistema se puede considerar como un conjunto de múltiple pares galvánicos conectados

La destrucción del metal comienza desde la superficie del sistema metal-medio y se propaga

paulatinamente dentro del metal.

6. ¿Cuál es el potencial estándar de oxidación-reducción de media celda?

7. ¿Cómo se llama la reacción de reducción en la que un metal o no metal se reduce en

carga de valencia en una reacción de corrosión electroquímica? ¿En esta reacción se crean

o consumen electrones?

El potencial estándar de reducción (E0) es el voltaje asociado con una reacción de reducción en un electrodo

cuando todos los solutos se encuentran a 1 M y todos los gases están a 1 atm.

8. Describa un método utilizado para determinar el potencial de oxidación-reducción de

media celda de un metal utilizando una media celda de hidrógeno.

Electrolisis

En una electrolisis, en el ánodo ocurre la oxidación y es el borne positivo. Por otro lado, en el

cátodo, es decir, el borne negativo de la electrolisis, ocurre la reducción.

Puede ocurrir cualquiera de las 6 combinaciones iónicas siguientes:

Catión Anión

Metálico del G1,G2 o Aluminio: No se puede

reducir el catión, se reduce el hidrogeno del agua:

Con el elemento en el máximo numero de

oxidación

. No se puede oxidar mas, por lo que se oxida el

agua:

Otro metálico:

Haluros y sulfuros:

Ácidos

Bases

Equivalente redox:

El equivalente redox es la masa que se deposita o reacciona cuando pasa 1Faraday (96500 C)

Equivalente electroquímico

: masa que se deposita, desprende o reacciona por el pasaje de 1 C

1 Ley de Faraday:

La masa depositada, desprendida o reaccionante en una electrolisis es directamente proporcional a la

cantidad de carga que circula

2 Ley de Faraday:

La reacción entre las masas depositadas en cubas electrolíticas por las que circula la misma corriente

es la misma que existe entre los eq-redox

Pila

Una pila electroquímica, galvánica o voltaica es un dispositivo que genera corriente eléctrica

aprovechando reacciones de oxido-reducción

Una pila esta constituida por 2 semipilas, donde se producen las reacciones parciales de oxidación y

reducción. Cada semipila esta constituida por un conductor electrolítico (solución donde circulan

iones) y uno electrónica (donde se produce la circulación de electrones.

El conductor puede participar en la reacción oxidándose o bien ser inerte, actuando solamente como

soporte de electrones. Las semipilas deben estar unidas electrolíticamente a través de un puente

salino o un tabique poroso lo que permite que los iones se desplacen sin que las soluciones se

pongan en contacto en forma directa.

El polo negativo es el ánodo y es donde ocurre la oxidación, mientras que el polo positivo es el

cátodo y es donde ocurre la reducción.

Notación:

Se coloca a la izquierda el negativo y a la derecha el positivo, separados por una barra o línea

punteada (con puente salino o no)

Ejemplo:

Cada electrodo esta formado por un conductor electrónico y otro electrolítico. Entre los contactos se

genera una diferencia de potencial eléctrica que se denomina potencial de electrodo. Dicho

potencial depende de los componentes del electrodo, de la concentración de iones y de la

temperatura. Para que una pila pueda producir corriente los electrodos que la constituyen deben

tener diferentes potenciales de electrodo.

Si se pone en contacto un metal con una solución del mismo metal, pero ionizado, es decir, Men+

puede ocurrir:

El metal se oxida y pasa a la solución en forma iónica, quedando “n” electrones liberados

que a su vez atraen a los iones de la solución y se establece una doble capa eléctrica

El Ion metálico se reduce y se deposita sobre el metal.

Este equilibrio esta caracterizado por una diferencia de potencial eléctrico entre la fase sólida y

liquida que se denomina potencial de electrodo. Su valor absoluto no puede ser medido, solo puede

determinarse experimentalmente diferenciales de potenciales de electrodo. La diferencia de

potencial entre los electrodos de una pila se denomina fuerza electromotriz (Fem.)

Electrodos Reversibles

Un metal o un no metal en contacto con sus respectivos iones

Platino u oro en contacto con iones hierro o de magnesio

Metales en contacto con soluciones poco solubles del mismo y una solución de un Ion no metal.

La Fem. representa la fuerza impulsora de la reacción química. Si la reacción se realiza de manera

espontánea, el

. Si la reacción va en sentido contrario,

y no es espontánea. Para determina las Eo estándar de una semipila es necesario una media celda

patrón: la del hidrogeno.

Al electrodo normal de hidrogeno se le asigna el Eo=0V

A las reacciones que se producen con mas facilidad que la del hidrogeno son positivos, y las de

menos facilidad negativas.

El valor del potencial de la media celda es una medida cuantitativa de tendencia de la media

reacción a producirse de izquierda. Si se invierte en la que escrita una media celda se invierte el

signo del potencial.

Ecuación de Nerst

Corrosión

En el sentido más amplio, es un fenómeno natural por medio del cual los sistemas químicos

expresan su tendencia hacia un estado de equilibrio estable y puede definirse en dos maneras:

Se habla de corrosión química cuando el fenómeno se debe a la reacción química entre el

metal y el agente corrosivo (p. Ej. el oxígeno del aire) en contacto directo.

En cambio, se habla de corrosión electroquímica o galvánica cuando hay circulación de

iones en el medio agresivo y, simultáneamente, de electrones libres en el metal agredido

(reacción "a distancia"). Este tipo de corrosión es de mayor complejidad y también de mayor

frecuencia y de enorme implicancia técnico-económica. Ocurre cuando el agente agresivo

actúa sobre ciertas zonas (comúnmente se emplea la palabra "áreas"), de un mismo cuerpo

metálico que, en cierto momento, tengan menor potencial de reducción, o sea que sean más

"anódicas" respecto de otras zonas del mismo cuerpo. En tal caso, las acciones

fisicoquímicas y mecánicas van acompañadas de una corriente eléctrica dentro del metal

(conducción metálica) y de circulación de iones (conducción electrolítica) en el medio

líquido en contacto con el metal.

Puede desempeñar el papel de medio agresivo líquido, la delgadísima e invisible película de

humedad que casi inevitablemente recubre a todo cuerpo expuesto al aire atmosférico.

Este tipo de corrosión es también una reacción de oxidación-reducción, de tipo iónico, tal como las

que ocurren en las descargas de las pilas electroquímicas (pilas galvánicas) o en las electrólisis, a

distancia, es decir sin que las sustancias actuantes estén en contacto directo.

Tipos de protección:

Protección electroquímica:

Catódica: puede ser con ánodo de sacrifico, con una fuente de corriente o cubiertos de metal

Ánodo de sacrificio: se tiene enterrado un ánodo de magnesio cerca de las tuberías en donde el suelo

esta humedecido. Debido a que el magnesio tiene mayor potencial de oxidación que el hierro, se

corroe el magnesio y no las tuberías.

Fuente de corriente: Se tiene un ánodo de grafito enterrado, al cual se le conecta una fuente de

corriente (denominada impresa) que esta conectado a la cañería. De este modo, la cañería no se

corroe

Anódica: mediante una formación de películas protectoras

Protección no electroquímica: recubrimiento con pinturas o por la eliminación de humedad con

desecantes

Aguas

Las partículas mas finas que están en suspensión que no han sido eliminados durante la

sedimentación se separan mediante la coagulación. Esta se efectúa mediante el agregado de

coagulantes (

). La cantidad de coagulante a agregar al agua es la necesaria para formar el floculo.

El floculo de

durante su formación envuelve a la mayor parte de las partículas en suspensión, a una parte de los

microorganismos y absorbe el color por combinación química.

Coagulación: es el proceso mediante el cual un floculo mediante una determinada carga superficial

que neutraliza partículas coloidales en suspensión de carga superficial opuesta formando un coagulo

luminoso que sedimenta lentamente

9. Liste cinco metales que sean catódicos respecto al hidrógeno e indique sus potenciales de

oxidación estándar.

A los metales que son menos reactivos que el hidrógeno se les asignan potenciales positivos y se dice que son catódicos con respecto al hidrógeno. Los iones del metal cuyo potencial está siendo determinado son reducidos al estado metal (y pueden depositarse sobre el electrodo), y el hidrógeno gas es oxidado a iones hidrógeno. Las ecuaciones para las reacciones del proceso son:

M+n + ne- M (iones de metal reducidos a átomos)

H2 2H+ + 2e- (gas hidrógeno oxidado a iones hidrógeno)

Potenciales de electrodo estándar a 25ºC

10. Una celda galvánica estándar tiene electrodos de hierro y plomo. ¿Cuál electrodo es el

ánodo? ¿Cuál electrodo se corroe? ¿Cuál es la fem de la celda?

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11. En metales, ¿cuál región es más reactiva químicamente (anódica), la matriz de grano o las

regiones de fronteras de grano? ¿Por qué?

12. ¿Por qué los metales puros son en general más resistentes a la corrosión que los

impuros?

13. Un proceso de electrodepositación de cadmio emplea 10A de corriente y corroe

químicamente a un ánodo de cadmio. ¿Cuánto le tomará corroer 8,2 g de cadmio del

ánodo?

14. ¿Qué es la corrosión por picaduras? ¿Dónde suelen iniciarse las picaduras? Describa un

mecanismo electroquímico para el crecimiento de una picadura en un acero inoxidable

sumergido en una solución de cloruro de sodio aereada.

Ciertos metales y aleaciones (aluminio, acero inoxidable, etc.), que deben su estabilidad a delgadas películas pasivadoras de oxido, son los más propensos a desarrollar picaduras. Estas se originan en las imperfecciones superficiales y en los lugares expuestos a daño mecánico, bajo condiciones en que la película es incapaz de regenerarse. Son especialmente susceptibles a este tipo de corrosión las zonas mal aireadas, por ejemplo, bajo depósitos o sedimentos y dentro de resquicios. Se entiende por picadura una cavidad o agujero con el diámetro de la superficie igual o menor que su profundidad. Las picaduras, que pueden ser superficiales o muy profundas, comienzan a formarse en aquellas zonas del metal en las que se produce un aumento local de las velocidades de corrosión. Las picaduras constituyen una forma muy insidiosa de corrosión, a pesar de que la cantidad de metal atacado es pequeña, el perjuicio puede ser grande, en particular cuando el metal está destinado a contener fluidos (tubos de intercambiadores, tuberías enterradas, recipientes de la industria química, etc.), ya que existe el riesgo de una rápida perforación. Una de las primeras cuestiones planteadas es donde se originan las picaduras y que elementos o defectos en la superficie proporcionan los lugares para su iniciación. A veces la predisposición es mayor en los bordes de grano y de macla. Se ha sugerido cierta relación entre puntos de emergencia de dislocaciones (defectos lineales en la estructura cristalina) y formación de picaduras. Otras veces parece estar comprobada la intervención de microheterogeneidades de naturaleza química, tales como inclusiones de óxidos, sulfuros y compuestos diversos, y partículas metálicas y no metálicas contaminando la superficie, así como de microheterogeneidades de índole geométrica, tales como rayas y señales dejadas por acciones mecánicas. Son particularmente temibles desde el punto de vista del desarrollo de picaduras las soluciones que contienen iones cloruro, aunque el fenómeno se manifiesta también en presencia de iones bromuro, hipoclorito y otros. Muchos de los medios que las producen son casi neutros. La picadura compone una pila local en la que la corriente fluye a través del electrolito desde la región anódica (fondo de la picadura) a la región catódica colindante.

Como el área anódica central es pequeña, la densidad de corriente es elevada, lo que explica las altas velocidades de penetración observadas. Es muy peligrosa, difícil de prevenir y afecta a la capacidad de deformación del metal. Ejemplo: Fe o Al atacados por agua del mar.

15. ¿Qué es la corrosión intergranular? Describa la condición metalúrgica que puede producir

corrosión intergranular en un acero inoxidable austenítico.

La corrosión intergranular, también conocida como ataque intergranular, es un fenómeno corrosivo que sucede en los aceros inoxidables, el mismo consiste en una decarburización del acero debido a un fenómeno difusivo del carbono hacia los bordes de grano, en el proceso el carbono arrastra átomos de cromo, lo cual hace que el acero pierda sus propiedades anticorrosivas. Este fenómeno es característico de los aceros inoxidables, sin embargo se puede presentar en otras aleaciones resistentes a la corrosión.

Contenido

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1 Mecanismo 2 Efecto de la sensitización 3 Métodos de prevención

o 3.1 Acero estabilizado 4 Referencias

[editar] Mecanismo

En las aleaciones de níquel, así como en aceros inoxidables austeníticos, en donde se agrega cromo

para incrementar la resistencia a la corrosión, el mecanismo que se presenta para la corrosión

intergranular es la formación de carburos de cromo (Cr23C5) , debido a que la afinidad del cromo

por el carbono es termodinámicamente muy alta, y como el carbono tiene buena difusividad a través

del acero hacia el borde del grano este arrastra al cromo hacia el borde, lo cual forma zonas pobres

en cromo, normalmente este proceso esta asociado a un aumento y sostenimiento de la temperatura

de entre 450 a 850 °C, al cual se le denomina sensitización y normalmente es producto de un mal

tratamiento térmico o una soldadura.

Al crearse los carburos de cromo y las zonas empobrecidas en este último elemento, se crean

pequeñas celdas galvánicas debido a la diferencia de potencial entre los bordes y el resto del grano

del metal, lo cual provoca una corrosión galvánica localizada en los bordes del grano.

Otro efecto relacionado con la corrosión intergranular es el ataque "Knifeline", este fenómeno se ve

dentro de los aceros estabilizados con niobio como el acero inoxidable 347. El titanio y el niobio, así

como sus carburos se disuelven el en acero a temperaturas muy altas, en algunos ciclos de

enfriamiento, el carburo de niobio no precipita, y el acero se comporta como uno no estabilizado por

lo que se forman los carburos de cromo. Sin embargo esto solo suele pasar en los ciclos de

enfriamiento en soldaduras y sólo afecta a una zona delgada de algunos milímetros de ancho en la

vecindad misma de la soldadura, las estructuras hechas de aceros que puedan ser atacados mediante

este fenómeno deben ser calentados por encima de 1066 °C para disolver el carburo de cromo y

formar el carburo de niobio. La velocidad de enfriamiento no es importante en este último

tratamiento, debido a que el carbono que podría unirse con el cromo ya esta ligado con el niobio.

Las aleaciones de aluminio pueden ser sensibles la corrosión intergranular si dentro de los granos de

la aleación hay partículas de materiales que actúen como ánodos, la corrosión intergranular también

afectar a las aleaciones con un alto contenido de cobre.

[editar] Efecto de la sensitización

La sensitización de los metales implica la creación de celdas galvánicas dentro de la microestructura

de una aleación.

Ciertas aleaciones cuando se exponen a temperatura o un rango de temperaturas en particular se

sensitizan y se vuelven susceptibles a la corrosión intergranular. En una atmósfera corrosiva, las

interfaces del grano de esa aleación sensitizada se vuelve muy reactivas y se produce la corrosión

intergranular, la cual se caracteriza por un ataque localizado adyacente a los límites de grano y poca

o nula corrosión dentro del mismo.

Esta corrosión se considera generalmente que es causada por la segregación de impurezas en los

bordes de grano o por el enriquecimiento o el agotamiento de uno de los elementos de aleación en

las zonas de borde de grano. De esta manera, en algunas aleaciones de aluminio, se ha demostrado

que pequeñas cantidades de hierro se segregan en los límites de grano y causan corrosión

intergranular, también se ha visto que en el contenido de zinc en los latones es mayor en los límites

de granos que han sufrido corrosión. Las aleaciones de aluminio de alta resistencia tales como el

duraluminio (aleación de Al-Cu), en las cuales el fortalecimiento de la aleación depende de las fases

precipitadas, son susceptibles a la corrosión intergranular después de una sensitización a

temperaturas de 120 °C. Las aleaciones ricas en níquel como el Inconel 6000 o el Incoloy 800

muestran una susceptibilidad similar a esta corrosión.

Aleaciones de zinc fundidas que contienen aluminio exhiben corrosión intergranular en cuando se

someten a vapor en una atmósfera marina. Los aceros al Cr-Mn y Cr-Mn-Ni son susceptibles a la

corrosión intergranular luego de una sensitización en un rango de temperatura de 400 - 850 °C. En el

caso de los aceros inoxidables austeníticos, cuando se sinsetiza a estos aceros en una rango de

temperatura de 500 - 800 °C, ocurre el empobrecimiento de cromo en la región adyacente a los

límites de granos, lo cual resulta en usa suceptibilización a la corrosión intergranular, esto es común

en calderas, generadores de vapor o en estructuras soldadas con estos aceros.

[editar] Métodos de prevención

Para evitar este tipo de corrosión se debe evitar calentar el acero entre el rango de la temperatura de

sentitización (450 - 850 °C), o en el caso de calentar, ya sea por un calentamiento térmico o una

soldadura hacerlo con el cuidado debido, se debe calentar el acero a una temperatura mayor a

1100 °C, la cual permite disolver los carburos dentro del grano del material y luego se enfría

rápidamente para evitar de nuevo su formación.

Otra forma de prevenir este fenómeno es utilizar aceros con bajo contenido de carbono, alrededor de

un 0,02%,ya que al haber menos carbono dentro de los granos del acero la cantidad de carburos que

se pueden formar también será menor y la corrosión intergranular no tendrá lugar.

En el caso de soldadura, para evitar este fenómeno corrosivo se debe soldar partes delgadas para que

así al terminar la soldadura la pieza libere el calor tan rápidamente que no de tiempo a la formación

de los carburos.

[editar] Acero estabilizado

Para evitar la corrosión intergranular se pueden usar aceros estabilizados, los cuales están aleados

con elementos como el titanio, niobio o tantalio, los cuales tienen más afinidad por el carbono que el

cromo, por lo que serán estos elementos y no el cromo los que formarán los carburos, evitando las

zonas pobres de cromo y con ello su perdida en la resistencia contra la corrosión.1

16. Describa tres métodos para evitar la corrosión intergranular en aceros inoxidables

austeníticos.

17. ¿Qué es la corrosión por erosión? ¿Qué es el daño por cavitación?

La corrosión por erosión se suele presentar en tuberías, especialmente en codos, ángulos y

cambios bruscos de diámetro: posiciones donde el fluido cambia de dirección y suele convertirse

en turbulento. Hélices, alavés de turbina, válvulas y bombas son susceptibles de experimentar este

tipo de corrosión.

Un procedimiento para paliar la corrosión por erosión consiste en cambiar el diseño para eliminar

los defectos de turbulencia. También existen materiales con elevada resistencia a la corrosión por

erosión. Además, eliminando las partículas y las burbujas de la disolución, disminuye la posibilidad

erosiva.

A V I T A C I Ó N

La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc.), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo. (Los constructores de bombas hidráulicas, por ejemplo, reciben con frecuencia reclamaciones y encargos de reposición

Descripción de la cavitación.

Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, él liquido hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a

una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, implotando bruscamente las burbujas. Esta fenómeno se llama cavitación. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea con diferentes partes de la máquina.

Según se ha dicho, cuando, la corriente de un punto de una estructura o de una máquina alcanza una presión inferior a la presión de saturación de vapor (Fig. 1), el líquido se evapora y se originan en el interior del líquido “cavidades” de vapor, de ahí el nombre de cavitación. En el interior del fluido existen, pues, zonas en que reina un gradiente fuerte de presiones que aceleran las burbujas y producen un impacto en el contorno (Venturis, bombas, turbinas, etc.).

El fenómeno de la cavitación se explica con el mecanismo siguiente: si la presión en un líquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente. Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un pistón en contacto con el agua. Si se mueve el pistón en dirección fuera del agua, se reduce la presión y el agua se evapora formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el pistón hacia el agua la presión aumenta, el vapor se condensa y la burbuja se destruye (colapso de la burbuja). Cuando se repite este proceso con alta velocidad como por ejemplo -en el interior de una bomba de agua, se forman y se destruyen las burbujas rápidamente. Se demostró con cálculos que una burbuja en colapso rápido produce ondas de choque con presiones hasta de 410 MPa. Estas fuerzas ya son capaces de deformar varios metales hasta la zona plástica, lo que está comprobado por la presencia de bandas de deslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto a cavitación.

Figura 1. Tabla de vapor de agua que muestra como la temperatura de fusión del agua está en función de la presión del medio.

El incremento de la velocidad va acompañado de un descenso en la presión. Por ejemplo, la velocidad del aire sobre la parte superior del ala de un aeroplano es, en promedio, más rápida que la que pasa por debajo de la misma ala. Entonces, la fuerza de presión neta es mayor en la parte inferior del ala que en la parte superior de esta (el ala genera sustentación).

Si la diferencia de velocidad es considerable, las diferencias de presión pueden también serlo. Para flujos de líquidos, esto podría resultar con problemas de cavitación, una situación potencialmente peligrosa que resulta cuando la presión del líquido se reduce hasta la presión de saturación del vapor y entonces este hierve. La presión de saturación del vapor es la presión a la cual comienzan a formarse burbujas de vapor en el líquido. Obviamente esta presión depende del tipo de líquido y de la temperatura.

Una manera de producir cavitación es denotada en la ecuación de Bernoulli. Si la velocidad del fluido se incrementa (por ejemplo en una reducción de área), la presión descendería. Este descenso de presión al acelerar el líquido podría ser menor que la presión de saturación de vapor de dicho fluido. Un ejemplo de cavitación puede ser mostrado en el siguiente diagrama:

Q

En algunas situaciones la ebullición ocurre (cuando la temperatura no necesariamente es muy alta) , formando burbujas de vapor, entonces estas se colapsan cuando el fluido las arrastra a una zona de mayor presión (con una velocidad menor). Este proceso puede introducir efectos dinámicos (implosión), si la burbuja se colapsa cerca de una pared de un dispositivo hidráulico esta podría, luego de un periodo de tiempo, causar daños en este por cavitación.

Propondremos ahora un ejemplo con una estructura hidráulica estática (tubería), la cual podría presentar problemas por cavitación.

Agua a 60°F es extraída de un tanque de diámetro constante. Se determinará la altura máxima necesaria (con respecto al piso del tanque) para la cual el agua al ser extraída no causara problemas de cavitación. Patm=14.7 psi.

(2)

(1)

H

15'

Agua

5'

(3)

Considerando un flujo permanente e incompresible, podemos aplicar la ecuación de Bernoulli, a lo largo de los puntos (1), (2) y (3):

Como el piso del tanque es la referencia, tenemos que z1=15', z2=H, z3=-5', además v1=0 (considerando el tanque lo suficientemente grande), p1=p3=0 (tanque y chorro abierto a la atmósfera) , y de la ecuación de la continuidad A2v2=A3v3, y debido a que el diámetro de la tubería es constante, v2=v3, entonces la velocidad del fluido a la salida de la tubería es:

Usando la ec de Bernoulli entre los puntos (1) y (2), podemos obtener la p2 en la parte más alta medida desde el piso

De la tabla de vapor del agua a 60°F es de 0.256 psi, entonces para que se presente una cavitación incipiente en el sistema p2=0.256 psi. Entonces tomando p1=0, tenemos que p2=0.256-14.7=-14.4 psi, y sustituyendo en la ecuación anterior tenemos:

despejando H

H = 28.2 ft

Para mayores valores de H, se formaran burbujas de vapor en el punto (2), y la acción de sustracción e agua podría detenerse.

Nótese que los resultados obtenidos son independientes del diámetro y de la longitud de la tubería (considerando que los efectos viscosos no son tan importantes).

Daño por cavitación

El daño por cavitación es una forma especial de corrosión-erosión debido a la formación y al colapso de burbujas de vapor en un líquido cerca de una superficie metálica, que ocurre en turbinas hidráulicas, hélices de barcos, impulsores de, bombas y otras superficies sobre las cuales se encuentran líquidos de alta velocidad con cambios de presión.

Un daño por cavitación tiene un aspecto semejante a picaduras por corrosión, pero las zonas dañadas son más compactas y la superficie es más irregular en el caso de la cavitación. El daño por cavitación se atribuye parcialmente a efectos de desgaste mecánico. La corrosión interviene cuando el colapso de la burbuja destruye la película protectora, como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura, con los pasos siguientes:

Se forma una burbuja de cavilación sobre la película protectora.

El colapso de la burbuja causa la destrucción local de la película.

La superficie no protegida del metal está expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva película por medio de una reacción de corrosión.

Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder nucleante de la superficie irregular.

El colapso de la nueva burbuja destruye otra vez la película.

La película se forma de nuevo y el proceso se repite indefinidamente hasta formar huecos bastante profundos.

El mecanismo anterior también funciona sin la presencia de una película protectora, ya que la implosión de la burbuja ya es suficiente para deformar el metal plásticamente y arrancarle pedazos de material. Se acepta generalmente que la cavitación es un fenómeno de corrosión-erosión.

En forma general, es posible prevenir el daño por cavitación con los métodos descritos en la prevención de corrosión-erosión:

Modificar el diseño para minimizar las diferencias de presión hidráulica en el flujo de medio corrosivo

Seleccionar materiales con mayor resistencia a la cavilación.

Dar un acabado de pulido a la superficie sujeta a efectos de cavilación, ya que es más difícil nuclear burbujas sobre una superficie muy plana

Recubrimiento con hules o plásticos que absorben las energías de choque.

Para caracterizar la susceptibilidad de un sistema que maneja un líquido a la cavitación, se utiliza el parámetro de cavitación, definido por

Donde p es la presión absoluta en el punto de interés, pv la presión de vapor del líquido, la densidad del líquido y V una velocidad de referencia. Obsérvese que el parámetro de cavitación es una especie de coeficiente de presión. Dos sistemas geométricos semejantes tienen el mismo grado de cavitación son igualmente susceptibles de cavitar si tienen el mismo valor. Cuando =0, la presión, se reduce hasta la presión de vapor y en ese momento ocurre la ebullición. Pruebas conducidas en líquidos químicamente puros indican que tales sustancias pueden resistir esfuerzos de tensión muy altos, de varios miles de libras sobre pulgada cuadrada, lo cual contradice el hecho de que se formen cavidades. Cuando la presión se reduce a la presión de vapor. Dado que generalmente se tiene ebullición espontánea cuando se alcanza la presión de vapor con líquidos comerciales o técnicos, se suele aceptar que la formación de

las burbujas es mediante el proceso llamado nucleación, el cual no se conoce completamente, hasta la fecha. Cabe suponer que en este tipo de líquidos, siempre se encuentran presentes partículas microscópicas de polvo o de otros contaminantes ampliamente dispersos en el fluido.

La formación y el aplastamiento de un gran número de burbujas en una superficie dan lugar a esfuerzos locales muy intensos, mismos que parecen dañar la superficie por fatiga. Algunos materiales dúctiles pueden resistir el bombardeo por un periodo, llamado periodo de incubación, mientras que materiales frágiles pueden perder parte de su peso inmediatamente. Algunos efectos electroquímicos, abrasivos y térmicos inherentes al líquido que se maneja, pueden acelerar el deterioro de las superficies expuestas.

La protección contra la cavitación debe comenzar con un diseño hidráulico adecuado del sistema, de tal manera que se eviten en lo posible las presiones bajas. Cuando sea inevitable la presencia de la cavitación , el efecto sobre las superficies se puede reducir mediante el recubrimiento de materiales especiales de alta resistencia. El empleo de pequeñas cantidades de aire introducidas en el agua reduce notablemente el daño causado por la cavitación: por último, en estudios recientes se ha comprobado que la protección catódica puede ser de utilidad contra los efectos de la cavitación.

. El fenómeno de la cavitación ocasiona tres efectos nocivos en la operación de una turbomáquina: disminuye la eficacia, daña los conductos para el escurrimiento y produce ruido y vibraciones molestas. Los alabes curvos son particularmente susceptibles a la cavitación en su cara convexa, donde se pueden tener áreas sujetas a un picado fuerte e incluso a falla total. Dado que todo tipo de turbomaquinaria, así como las hélices de barco y muchas estructuras hidráulicas, pueden quedar sujetas a la cavitación, es necesario poner atención a este aspecto durante las etapas de diseño.

Métodos de Predicción

Para efectos de diseño o revisión de obras ya construidas es necesario contar con métodos de predicción, que permitan saber si la obra es susceptible a daños por cavitación.

Para efectos prácticos es más común tratar de predecir en qué zonas hay posibilidad de erosión por cavitación debida a superficies rugosas, el método de Echávez G.,1979, quien propuso valuar el índice local de cavitación, k, para una superficie sujeta a ciertas condiciones hidráulicas, y compararlo con el índice de cavitación local incipiente, ki, obtenido en laboratorio para situaciones similares, si ki>k, existe la posibilidad de cavitación.

En el caso de superficies rugosas el índice de cavitación local k, según el mismo autor puede calcularse con la ecuación:

donde:

k, rugosidad equivalente de Nikuradse de la superficie

vk, ,velocidad del flujo a una distancia k de la superficie

Las demás variables ya han sido definidas. La velocidad vk a su vez puede calcularse con la fórmula:

donde:

h, caída vertical, medida desde la superficie libre del vaso a la superficie del escurrimiento

x, distancia de la cresta del cimacio al punto de análisis.

Es importante hacer notar que Echávez sugiere hacer correcciones por curvatura al índice local de cavitación en el piso kp, considerando como piso a una sección transversal para un ángulo con

respecto a la vertical de 40º y con vértice en el centro de la sección, como se indica a continuación:

kp = 0.76k

donde:

kp , índice de cavitación local en el piso para curvas verticales cóncavas

Protección contra daños debidos a cavitación

La resistencia a la erosión por cavitación del concreto se incrementa con la reducción de la relación agua-cemento, con el incremento de la resistencia a la compresión y a la tensión, con el vibrado del concreto o usando polvo de acero en la mezcla.

Las recomendaciones sobre el tamaño máximo de los agregados del concreto son muy variables, Grünw W.,1960, recomienda 5 mm, Govinda R., 1961, 20 mm y Gainzburg T., 1959, 60 mm; se considera además que el mejor agregado para estos casos es el granito.

Se puede proteger la superficie de concreto por medio de láminas de hule, sin embargo no existe forma de lograr buena adherencia entre las dos superficies, los recubrimientos se han hecho con base en pinturas que incrementan la vida del concreto de 3 a 20 veces, y su resistencia es de 10 a 20 veces menor que la de las láminas de acero.

La resistencia del concreto plástico hecho a base de resinas epóxicas y sin agregados, o con agregados de acero, es de 1.8 a 2.0 veces menor que la del acero al carbono, mientras que el concreto hecho a base de resinas de cloruro de polivilino, PVC, fue 1.5 veces más resistente que el acero dulce.

Un inadecuado proyecto del propulsor tiene gran influencia, no sólo sobre el rendimiento propulsivo, sino también sobre la aparición de fenómenos de cavitación que dan origen a vibraciones y ruidos, y por ello la técnica de proyecto de propulsores se encuentra en un continuo proceso de perfeccionamiento, siendo necesario dedicar gran atención al desarrollo de métodos modernos de diseño y predicción del funcionamiento del propulsor trabajando en un campo de estelas no homogéneo, mediante técnicas de CFD (simulación matemática).

Para el diseño de propulsores se dispone de programas capaces de calcular por teoría de circulación el comportamiento de una hélice, aportando como resultados las fuerzas estacionarias y no estacionarias, su forma de cavitación, los armónicos generados e incluso las fluctuaciones de presión inducidas en la bovedilla por el funcionamiento de la hélice.

Los principales resultados que se pueden obtener con los programas de cálculo de propulsores son:

Curvas características de la hélice y rendimiento en varios regímenes de funcionamiento en aguas

libres.

Empuje, potencia y rendimiento de la hélice funcionando detrás de la carena para un régimen de

funcionamiento especificado.

Las 6 componentes de los esfuerzos y momentos vibratorios sobre cada pala y el eje.

La forma de cavitación lámina en distintas posiciones angulares de las palas.

Los armónicos de cambio de volumen de las cavidades.

La distribución de presión en la superficie de las palas.

Las amplitudes de las presiones pulsatorias sobre la bovedilla.

El túnel de cavitación del Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo, permite el estudio de las características de las hélices estudiando la generación de cavitación, riesgo de erosión , fluctuaciones de presión y la producción de ruidos inherente a la cavitación, con el fin de optimizar el diseño de los propulsores. Los ensayos pueden realizarse con el propulsor aislado o bien trabajando en la estela del buque que se simula bien con mallas o bien introduciendo en el canal una réplica del modelo o "dummy model".

Se diseñan y construyen modelos de hélices de los siguientes tipos:

Series sistemáticas (Series B, K, Gawn,etc).

Paso controlable.

En tobera.

Otros tipos.

18. Describa la corrosión por desgaste.

El desgaste por corrosión es un tipo de deterioro metalúrgico provocado por la acción desintegradora de atmósferas corrosivas, combinadas con efectos de fricción, abrasión o rozamiento. El índice de la pérdida de material puede ser muy alto debido a que los productos desintegrables producidos por la corrosión se desprenden fácilmente por efecto mecánico, generándose un ciclo repetitivo continuo, en el cual el metal limpio vuelve a corroerse rápidamente de forma sucesiva con la consecuente desintegración progresiva. Para determinar la resistencia a la corrosión de los materiales metálicos se emplean las cámaras de ensayos de corrosión acelerada de laboratorio desarrolladas por CCI SL, en las cuales se pueden recrear todas las condiciones ambientales posibles.

19. Liste seis combinaciones de metales y ambiente que tengan buena resistencia a la

corrosión.

METAL O ALEACIÓN

NOMBRE COMÚN

COMPOSICIÓN PROPIEDADES ANTICORROSIVAS

Aceros al cromo.

Acero inoxidable Común 12-14% de cromo.

0.1 -0.4% de carbono.

Mejorado 16-18% de cromo.

0.1% de carbono.

A veces 1.2 - 2% de níquel.

Termorresistente 27-30% de cromo.

0,1% de carbono.

1.2-2% de níquel.

Se corroen en los ácidos sulfúrico y clorhídrico, pero resisten el aire húmedo, el agua dulce y el ácido nítrico. En el agua salina se produce corrosión uniforme.

Aceros al cromo-níquel

Acero inoxidable 17- 25% de cromo. 8-20% de níquel. 0.1% de carbono. Generalmente contienen algo de titanio y a veces de 2-3% de molibdeno.

Son resistentes a los mismos medios que los anteriores, su tendencia a la corrosión puntiforme es considerablemente menor y resisten un poco más el ácido sulfúrico y el agua salina.

Aleaciones cobre-cinc

Latones Hasta 45% de cinc Se usa para piezas que trabajan en aguas naturales y aire húmedo.

Aleaciones cobre-aluminio

Bronce al aluminio. Hasta 10% de aluminio. Buena resistencia a los ácidos diluidos (excepto el nítrico) y a algunas soluciones salinas.

Níquel Níquel Sin aleación Es muy resistente al aire húmedo, a las aguas naturales y a los álcalis. Se corroe lentamente en los ácidos sulfúrico y clorhídrico. Al ácido nítrico no es resistente.

Plomo Plomo A veces con 10% de antimonio. Resiste al ácido sulfúrico y en las disoluciones de sus sales, al ácido clorhídrico hasta el 10% a la temperatura ambiente. Es poco resistente a los ácidos nítrico y acético, el álcalis y en aguas que contienen CO2.

Aluminio Aluminio Sin aleación Resiste el aire húmedo, las disoluciones de nitratos y cromatos y en el ácido sulfúrico concentrado. Se corroe lentamente en los ácidos sulfúrico y acético a temperatura normal. No resiste el ácido clorhídrico ni los álcalis. Sus aleaciones tiene peores cualidades anticorrosivas.

20. ¿Qué es la protección anódica? ¿En qué metales y aleaciones puede emplearse? ¿Cuáles

son algunas de sus ventajas y desventajas?

La protección anódica es un método similar que consiste en recubrir el metal con una fina capa de óxido para que no se corroa. Existen metales como el Aluminio que al contacto con el aire son capaces de generar espontáneamente esta capa de óxido y por lo tanto, se hacen resistentes a la corrosión. Aún así, la capa de óxido que recubre al metal no puede ser cualquiera. Tiene que ser adherente y muy firme, ya que de lo contrario no serviría para nada. Por ejemplo, el óxido de hierro no es capaz de proteger al hierro, porque no se adquiere a él en la forma requerida.

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reducci%C3%B3n+de+media+celda+de+un+metal+utilizando+una+media+celda+de+hidr%C3%B3

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