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SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN IM-650
Seminario de investigación IM-650
1
UNIVERSIDAD NACIONAL
AUTÓNOMA DE HONDURAS
Facultad de ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica Industrial
Seminario de investigación (IM-650)
Investigación “Corrosión intergranular en el acero inoxidable
austenítico AISI-304”
Catedrático: Ing. Marcos Martínez
Elaborado por:
César Hemán García Teruel
Cnta: 20052004394
14 de diciembre del 2015
Ciudad Universitaria “José Trinidad Reyes”
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INDICE
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 4
Antecedentes ............................................................................................................ 4
Planteamiento del problema .................................................................................... 4
Hipótesis ................................................................................................................... 5
Objetivo General ....................................................................................................... 5
Objetivos específicos ................................................................................................ 5
Importancia del estudio ............................................................................................ 5
Delimitación del estudio ........................................................................................... 5
Diseño de la investigación ......................................................................................... 6
2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................. 6
Marco teórico ........................................................................................................... 6
Los metales en la historia .......................................................................................... 6
2.2.1. Edad de los metales ..................................................................................... 6
2.2.2. Edad de Cobre ............................................................................................... 6
2.2.3. Edad de Bronce ............................................................................................. 7
2.2.4. Edad de Hierro ............................................................................................... 7
2.2.5. Historia del acero inoxidable ...................................................................... 7
2.2.6. Aceros inoxidables austeníticos ................................................................ 9
2.2.7. Tratamientos térmicos de los aceros inoxidables austeníticos ........ 11
2.2.8. Composiciones inestabilizadas ............................................................... 11
Base teórica de estudio ........................................................................................... 12
2.3.1. Mecanismos básicos de corrosión .......................................................... 12
2.3.2. Formas específicas de corrosión. ........................................................... 12
Ensayo de Dureza .................................................................................................... 13
2.4.1. Dureza de Brinell ......................................................................................... 14
2.4.2. Dureza Rockwell .......................................................................................... 14
2.4.3. Dureza Vickers ............................................................................................. 15
2.4.4. Ensayo de Microdureza ............................................................................. 15
3. MÉTODO ......................................................................................................................... 16
Selección del acero.................................................................................................. 16
Selección del material para elaborar probeta. ........................................................ 17
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Preparación de las probetas para someterlas a las temperaturas establecidas ...... 18
Sometimiento de probetas a las temperaturas de sensibilización. ......................... 18
Pulido de las muestras ................................................. ¡Error! Marcador no definido.
Ensayos de dureza en durómetro Clarck y Hoytom ................................................. 21
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................................................. 23
Durezas y tracción. .................................................................................................. 23
Metalografías .......................................................................................................... 28
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. .......................................................................... 32
Conclusiones. .......................................................................................................... 32
Recomendaciones: .................................................................................................. 32
6. ANEXOS........................................................................................................................... 34
Declaración
Yo, César García Teruel, estudiante de la Carrera de Ingeniería Mecánica
Industrial, con No. De registro: 20042005394, declaro bajo juramento que el
presente Trabajo de Investigación, titulado “Corrosión intergranular en el acero
inoxidable austenítico AISI-304”, es de mi autoría, que no ha sido presentado
previamente y que las referencias bibliográficas aquí descritas han sido
investigadas en su totalidad. De acuerdo a la Ley de Propiedad
Intelectual, cedo mis derechos a la Universidad Nacional Autónoma de
Honduras.
Nombre y Firma Fecha
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DEDICATORIA
Dedico este esfuerzo de investigación a mi familia y amigos ya que sin ellos sería
imposible lograr este proceso de investigación, y como olvidar a mis mentores y guías
en este camino del saber: mis apreciables maestros que han inculcado en mí esa sed por
conocimiento y el deseo por hacer las cosas bien.
AGRADECIMIENTOS
Agradezco la guía y ayuda del ing. Rene Fiallos el cual ayudó en gran manera a
desarrollar mi tema de investigación de buena forma, ing. Marco Martínez por aportar
las directrices a seguir en mi proceso investigativo, ing. David Aguilar por darme un
espacio para trabajar en el laboratorio de la carrera técnico universitario en metalurgia,
ing. Sergio Sánchez por facilitarme el uso de las máquinas de INFOP. En general el
apoyo de mi familia y amigos, y a Dios porque de él viene el conocimiento.
RESUMEN
La presente investigación pretende dar una breve introducción a la metalurgia y de paso
poner en perspectiva la importancia del conocimiento en la ciencia de los materiales.
El tópico a tratar es la corrosión en el acero inoxidable austenítico AISI-304,
detallaremos el proceso seguido en nuestra investigación, también los contratiempos y
limitantes del entorno.
Pretendemos corroborar lo que el fundamento teórico afirma y de paso obtener mediante
la debida observación científica interesantes datos cualitativos acerca de nuestra
experimentación.
En el presente informe se detalla la debida fundamentación teórica y las tablas y
gráficas de resultado con los cuales podemos obtener interesantes conclusiones.
1. INTRODUCCIÓN
Antecedentes
De acuerdo a nuestras búsquedas preliminares no encontramos tesis de investigación
enfocadas en nuestro tema de investigación, por lo que nos apoyamos en la información
bibliográfica de los libros especializados y tesis de otros países.
Planteamiento del problema
En la facultad de ingeniería mecánica vemos que se carece de investigaciones orientadas
hacia la ciencia de los metales, es nuestro propósito enriquecer un poco esta área de la
investigación.
El tema que nos motivó a investigar y es de gran importancia fue la corrosión en los
metales, siendo más específicos: la corrosión intergranular, la cual puede surgir en
materiales que originalmente son resistentes a la corrosión en ambientes controlados.
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El material que pudimos identificar y trabajar en nuestra investigación fue el acero
inoxidable austenítico (AISI 304), que por su uso en la industria y su alta resistencia a la
corrosión lo posiciona como un material de múltiples usos.
Más en concreto, nuestra investigación está orientada hacia la corrosión intergranular en
aceros inoxidable austenítico AISI 304, encontrar las temperaturas a las que en teoría
este tipo de corrosión puede ocurrir.
Hipótesis
La hipótesis que se plantea es: el acero inoxidable austenítico AISI 304 se sensibiliza en
un rango de temperatura de 425°C a 875°C, logrando así ser susceptible a la corrosión
intergranular.
Objetivo General
Conocer a que temperaturas se puede provocar la corrosión intergranular en el acero
inoxidable austenítico AISI 304 y que características mecánicas son afectadas por
dichas condiciones de trabajo.
Objetivos específicos
1. Reconocer a que temperaturas puede ocurrir la corrosión intergranular en el
acero inoxidable austenítico AISI 304.
2. Verificar que otras propiedades son afectadas por las altas temperaturas de
servicio en el acero inoxidable austenítico AISI 304.
3. Realizar una medición cualitativa de la corrosión en nuestras muestras sometidas
a diferentes ambientes corrosivos.
Importancia del estudio
1. Con nuestro estudio esperamos cubrir un poco la carencia de estudios
relacionados con la metalurgia, en este caso queremos fomentar posteriores
investigaciones en este tema en particular en nuestra facultad.
2. Desde hace mucho tiempo se sabe que el desarrollo de los materiales ha sido
uno de los puntos fuertes de las naciones prósperas, las cuales han basado su
desarrollo en esta área. Por lo tanto sabiendo que la corrosión es un tema de gran
importancia, (EEUU invierte un 6% de su PIB en este problema), nuestro
estudio tiene una gran relevancia.
Delimitación del estudio
Nuestra investigación se realizó en dos lugares uno de ellos el labotarorio de
metalurgia ubicado en el edificio J1 de la UNAH, el otro fue el laboratorio de
metalurgia de INFOP, ambas instalaciones ubicadas en Tegucigalpa MDC.
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Para realizar nuestro trabajo contamos con equipo de los laboratorios antes
mencionados y logrando realizar los distintos ensayos en un espacio temporal
que abarcó desde el 20 de octubre hasta el 5 de diciembre de 2015.
Diseño de la investigación
Nuestra investigación fue experimental ya que se debió hacer uso no sólo de
equipo especializado sino también de un procedimiento experimental para
obtener resultados.
De acuerdo al período de tiempo en que logramos realizar nuestro trabajo se
puede decir que fue una investigación transversal, porque nos apegamos a un
cronograma y obviamente como todo trabajo se tuvo inconvenientes de espacio
y disponibilidad, espacio en cuanto a los laboratorios y de disponibilidad por las
maquinarias utilizadas.
2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
Marco teórico
Los metales en la historia
El paso entre el paleolítico y el neolítico es considerado un paso relevante en el
desarrollo de la especie humana.
Es en esta etapa en la que el ser humano se fue haciendo capaz de construir espacios
urbanos cerca de las fuentes de agua, aprendió a cultivar la tierra y a domesticar
animales. Al final del paleolítico, el ser humano descubre los metales, que dieron un
importante impulso a su desarrollo, marcando el paso de la Edad de Piedra a la Edad de
los Metales.
2.2.1. Edad de los metales
El descubrimiento y la utilización de los metales fue uno de los acontecimientos más
influyentes en el desarrollo cultural de la humanidad.
A fines del paleolítico, hacia el año 4.000 a.C., en el cercano oriente, el ser humano
descubrió los metales, dando inicio a la edad de los metales. En un comienzo, fue
mezclando elementos como la madera, el marfil, la piedra y la arcilla con diversos
metales, lo que le permitió perfeccionar la elaboración de sus adornos, utensilios,
herramientas e implementos de caza, reemplazando a la manufactura lítica de
instrumentos, como hachas, puntas de flecha, cuchillos, etc.
La utilización de los metales, y las consecuencias que ella trajo al desarrollo de los
asentamientos humanos, marcó el fin de la Edad de Piedra y el inicio de la Edad de los
Metales, dos grandes periodos de la prehistoria.
2.2.2. Edad de Cobre
No se sabe con exactitud cuál fue el primer metal trabajado, pero el más importante y
difundido fue el cobre.
Al parecer, el proceso de trabajar los metales, fue descubierto al mismo tiempo que se
controlaba el uso del fuego y se descubrían sus posibilidades. Comienza, de esta forma,
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la metalurgia del cobre a través del fuego y, junto con esto, aparece el cultivo con arado
y surgen las primeras poblaciones.
2.2.3. Edad de Bronce
La edad de bronce se inicia cuando las sociedades más complejas que fueron
emergiendo y consolidándose idearon combinar el cobre con el estaño, resultando el
bronce. Este período se prolongó en Europa occidental desde el 2.000 hasta el 1.000 a.
C.
El bronce alcanzaría un notable auge, pues las más diversas sociedades de la
Antigüedad lo tuvieron como su metal preferido, tanto para la ornamentación como para
sus instrumentos y utensilios cotidianos.
Este periodo se distingue por la metalurgia de bronce y por el nacimiento del comercio a
partir del descubrimiento de la rueda, lo que permitió el perfeccionamiento de los
medios de transporte. La rueda fue utilizada en el arado, impulsando la agricultura.
2.2.4. Edad de Hierro
Luego de la Edad de Bronce, comienza la denominada Edad del Hierro. En este periodo,
los avances en metalurgia alcanzaron niveles insospechados y, dado que el hierro es un
metal difícil de trabajar, sólo pudo desarrollarse en sociedades más complejas.
Al agotarse las materias primas para obtener el bronce, fue necesario utilizar el hierro, el
cual se encontraba en pequeños fragmentos diseminados en el suelo.
La mayor ventaja del hierro sobre el bronce residía en el hecho de que los filones para
extraer el mineral eran mucho más abundantes y, por tanto, más económicos en
comparación con el bronce. No era necesaria aleación alguna y constituía un material
muy adecuado para la fabricación de sierras, hachas, azuelas y clavos.
El trabajo del hierro es muy difícil y necesita elevadas temperaturas. La industria
siderúrgica comenzó humildemente, produciendo primero objetos de adorno y más tarde
útiles de labranza e instrumentos de paz (como ejes de carro, cadenas, etc.). Durante un
tiempo se continuó fabricando armas de bronce.
Cuando se tuvo armas y útiles de trabajo de hierro, se abrieron para el ser humano
tiempos nuevos, modos de vivir diferentes de los pasados.
La metalurgia del hierro implicaba la necesidad de ser un pueblo adelantado, con
ordenamiento social y estatal, pues era necesario el trabajo en grupo. Los pueblos del
cercano Oriente y del mediterráneo lo usaron
para la fabricación de armas, moldes, escudos, monedas, vasijas y joyas, como las
encontradas en las tumbas egipcias. Se destacan, en esta edad, las espadas, que primero
fueron de bronce y posteriormente de hierro, y las fíbulas (hebillas, imperdibles), que
reemplazaron a las grandes agujas de la cultura de los campos de urnas.
2.2.5. Historia del acero inoxidable
La búsqueda de un metal inmune a la corrosión es una batalla que se ha librado desde
hace varios siglos. Si queremos encontrar la primera muestra histórica de aleación de
metales capaz de evitar la corrosión a la intemperie, nos tenemos que trasladar a la
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India, donde en el año 400 d.C. se construyó el Pilar de hierro de Delhi. Éste no tiene
unas dimensiones imponentes (tan sólo 7,21 metros de altura), ni un gran acabado que
lo convierta en una elemento recalcable del arte hindú, pero el Pilar de hierro de Delhi
ha pasado a la historia de la siderurgia por haber sido capaz de estar en pie 1.600 años
sin haber sufrido las consecuencias de la oxidación.
Pero la historia a veces es interesante y caprichosa. Hace más de 1.600 años ya se había
conseguido la primera aleación de hierro inoxidable, hasta la llegada de la revolución
industrial, nunca se puso especial atención sobre este tema. Fue entonces cuando en
1821, Pierre Berthier se percató de cómo las aleaciones de hierro y cromo eran
especialmente resistentes a algunos ácidos, razón por la cual sugirió su uso en
cuberterías. Aun así, las grandes dificultades para conseguir este tipo de aleaciones en la
época, hizo que éstas se consideraran impracticables.
Durante las siguientes décadas se hicieron algunos avances en aleaciones resistentes a la
corrosión, pero seguía sin encontrarse el tan deseado acero inoxidable. Todo ello
cambió con la llegada del siglo XX. Ante la creciente tensión internacional, Inglaterra
comenzó a preocuparse por la mejora de su armamento, intentando estar preparada para
la inminente guerra, razón por la cual muchas grandes mentes estaban buscando los
mejores materiales para mejorar su peso y funcionamiento.
En el año 1913, el inglés Harry Brearley estaba combinando distintos metales en busca
de aleaciones de acero útiles para la construcción de cañones de pistola. Durante meses
estuvo descartando a un lugar olvidado de su laboratorio todas las aleaciones probadas,
viendo como el tiempo pasaba y sus investigaciones no hacían más que fracasar.
Un día, paseando entre todas las muestras rechazadas se percató de cómo una de esas
aleaciones, a diferencia de las demás, no se había aherrumbrado. Aquella aleación de
acero, compuesta de un 0,24% de carbono y un 12,8% de cromo, había sido fabricada
por primera vez el 13 de Agosto de 1913, y a día de hoy está considerada como la
primera aleación de acero inoxidable.
Con la llegada poco después de la Primera Guerra Mundial, el descubrimiento no pudo
llegar rápidamente a los medios, siendo la primera vez que se publicó de forma formal
en enero 1915 en el New York Times. Poco después Brearley intentó conseguir la
patente en Estados Unidos, encontrándose con el hecho de que Elwood Haynes ya había
patentado el acero inoxidable antes que él.
Este hecho hace dudar sobre quién ha de llevarse el mérito de este descubrimento, pero
analizando detenidamente la historia, el problema es aún mucho más complejo. A parte
de Brearley y del ya mencionado Haynes en Estados Unidos, hubo otros dos
estadounidenses, Becket and Dantsizen, que trabajaron con aleaciones con similar
cantidad de cromo entre 1911 y 1914, y unos alemanes, Eduard Maurer y Benno
Strauss, que trabajaron entre 1912 y 1914 con cantidades mayores de cromo y algo de
níquel.
Todos ellos descubrieron de forma independiente diferente formas de acero inoxidable,
pero posiblemente el caso más sorprendente sea el de Brearley, que sin buscarlo
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intencionadamente, dio con una aleación de acero inoxidable cuyas proporciones aún
son a día de hoy una de las aleaciones de acero inoxidables más usada, la conocida
como acero inoxidable extra suave.
La mayoría de los metales se oxidan; la plata se pone negra, el aluminio cambia a
blanco, el cobre cambia a verde y ordinariamente el acero cambia a rojo. En el caso del
acero, el hierro presente se combina con el oxígeno del aire para formar óxidos de hierro
o “herrumbre”.
A principios del siglo XX algunos metalurgistas descubrieron que adicionando poco
más de 10% de cromo al acero, éste no presentaba herrumbre bajo condiciones
normales; la razón de ello es que el cromo suele unirse primeramente con el oxígeno del
aire para formar una delgada película transparente de óxido de cromo sobre la superficie
del acero y excluye la oxidación adicional del acero inoxidable. Esta película se llama
capa pasiva. En el caso de que ocurra daño mecánico o químico, esta película es auto
reparable en presencia de oxígeno.
Los aceros inoxidables son aleaciones de bases de hierro, que contienen cromo, carbono y otros elementos, principalmente níquel, molibdeno, manganeso, silicio y titanio. El cromo, que se encuentra en un porcentaje no inferior al 10 %, le confiere la propiedad de ser mucho más resistente a la corrosión que lo que sería el hierro sin la presencia de este aleante. Esta característica se debe a la pasivación de la aleación en un ambiente oxidante. Estas aleaciones adquirieron gran importancia; son muy utilizadas en una amplia variedad de aplicaciones de la industria, ya que además de ser resistentes a la corrosión tienen muy buenas propiedades mecánicas. Se clasifican en cinco familias diferentes; cuatro de ellas corresponden a las estructuras
cristalinas particulares formadas en la aleación: austenita, ferrita, martensita y dúplex
(austenita más ferrita); mientras que la quinta corresponde a aleaciones endurecidas por
precipitación, basadas más en el tipo de tratamiento térmico usado que en la estructura
cristalina.
Los tratamientos térmicos en aceros inoxidables se realizan para producir cambios en
las condiciones físicas, propiedades mecánicas, nivel de tensiones residuales y restaurar
la máxima resistencia a la corrosión. Frecuentemente en el mismo tratamiento se logra
una satisfactoria resistencia a la corrosión y óptimas propiedades mecánicas.
2.2.6. Aceros inoxidables austeníticos
Son esencialmente terciarios, (Fe, Cr, Ni); contienen entre 16 y 25% de Cr, 7 y 20% de
Ni, y 0.03 y 0.08% de C. Se denominan austeníticos debido a su estructura FCC, de
hierro γ, a todas las temperaturas normales de tratamientos térmicos. Esta propiedad la
proporciona el níquel. Su presencia, como así también manganeso, carbono y nitrógeno,
es necesaria para bajar la temperatura del intervalo γ y evitar la transformación
alotrópica γ-α. En la Fig. XVI.1 se muestran una serie de diagramas de equilibrio Fe-C
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con 18% Cr y contenidos crecientes de níquel, donde se observa la influencia de éste
para expandir el campo γ (austenita).
Estos aceros normalmente tienen mayor resistencia a la corrosión que los ferríticos y
martensíticos, porque los carburos de cromo se descomponen y los elementos
permanecen en solución sólida por enfriamiento rápido desde alta temperatura. Sin
embargo si se enfría lentamente, como en los procesos de soldadura, entre 870 y 600º C
precipitan carburos de cromo en bordes de grano dejando pobre en Cr la zona vecina al
borde, lo que facilita el fenómeno denominado “corrosión intergranular”. Para evitarlo
se puede bajar al mínimo el contenido de C (0.03 %), o bien agregar niobio o titanio;
estos elementos tienen mayor tendencia a formar carburos que el Cr, permitiéndole a
este último permanecer en solución sólida en el hierro y así mantener su capacidad de
resistencia a la corrosión. La Fig. XVI.2 esquematiza este inconveniente.
Los aceros austeníticos se pueden dividir en dos categorías, según la clasificación AISI:
Serie AISI 300. Aleación de Cromo-Níquel.
Serie AISI 200. Aleación de Cromo-Manganeso-Nitrógeno.
La Serie 300 es la más extensa y comúnmente utilizada, con porcentajes de níquel entre 6 y 37% para estabilizar la austenita. También pueden contener molibdeno, cobre, silicio, aluminio, titanio y niobio, elementos que son utilizados para conferir ciertas características. La Tabla XVI.1 muestra algunos ejemplos de estos aceros. En la Serie 200 el níquel se encuentra en menor proporción (hasta 6%) y mantienen la estructura austenítica con altos niveles de nitrógeno. El manganeso, de 5 a 10%, es necesario para aumentar la solubilidad del nitrógeno en la austenita. Se caracterizan
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por un alto valor de límite elástico y tensión de rotura pero su ductilidad es baja si se compara con los de la serie 300. En la Tabla XVI.2 se muestran algunos ejemplos. Las principales características de los inoxidables austeníticos se deben, en general, a su estructura FCC, que le trasfiere una gran ductilidad, conformabilidad, tenacidad y excelente resistencia al impacto, siendo materiales que se pueden endurecer por trabajo en frío, aunque no por tratamientos térmicos. La resistencia a la oxidación es muy superior a los otros tipos de aceros inoxidables por lo expuesto anteriormente, lo que favorece los procesos de soldadura que pueden realizarse perfectamente; gracias a esto son muy utilizados para la fabricación de envases y cañerías para la industria química y petroquímica, donde la corrosión es una condición de servicios determinante. Suelen no ser magnéticos, pero pueden serlo cuando se trabajan en frío. El conformado en frío es una vía para mejorar sus propiedades mecánicas, específicamente el límite elástico, que es relativamente bajo con respecto a otros materiales. Entonces, la reducción en sección o el trabajo en frío aumentan el valor del límite elástico y la tensión de rotura, mientras disminuye la capacidad del acero al alargamiento.
2.2.7. Tratamientos térmicos de los aceros inoxidables austeníticos
En base a la clasificación anterior, se dividen en tres grupos: a) composiciones inestabilizadas: 201, 202, 301, 302, 303, 304, 305, 308, 309, 310, 316, y 317, b) composiciones estabilizadas, principalmente los tipos 321, 347 y 348, y c) grados de extra bajo carbono, tales como 304Ly 316L. En la carga del horno se debe tener en cuenta que su expansión térmica es alrededor del 50 % más elevada que en los aceros al C; por ello, el espacio entre las piezas debe ser adecuado.
2.2.8. Composiciones inestabilizadas
No pueden endurecerse por tratamiento térmico, pero sí por trabajado en frío. Estos aceros son recocidos para asegurar la máxima resistencia a la corrosión y restaurar la máxima ductilidad y ablandamiento. Durante el recocido, los carburos que decrecen marcadamente la resistencia a la corrosión intergranular, se disuelven. Las temperaturas de recocido varían algo con la composición, como se ve en la Tabla XVI.3. Como la precipitación de los carburos puede ocurrir entre los 400 y 840ºC, es deseable realizar el recocido sobre este límite. Además es necesario que los carburos estén disueltos antes de comenzar el enfriamiento, y como esto ocurre muy lentamente, se elige la temperatura más elevada que no aumente el tamaño de grano, cercana a los 1090º C. El enfriamiento debe ser rápido pero consistente con las limitaciones de distorsión. El mejor temple es el agua, porque los carburos disueltos permanecen en solución; no obstante, cuando las piezas son delgadas y el temple en agua produce distorsión, será necesario enfriar en aire forzado. Si en este caso llegaran a precipitarse carburos, la solución será utilizar acero inoxidable estabilizado.
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Base teórica de estudio
Corrosión: La corrosión es un ataque químico gradual en un metal, por su medio ambiente, que da por resultado la conversión del metal en un óxido, una sal o algún otro compuesto. Los metales que han experimentado corrosión pierden su resistencia, su ductilidad y otras propiedades mecánicas y físicas convenientes. El ataque corrosivo se produce frecuentemente en combinación con otros mecanismos de fallas, tales como la fatiga, la erosión y el esfuerzo. Hay muchos tipos de medios corrosivos, tales como el aire, las atmósferas industriales, el suelo, ácidos, las bases y las soluciones salinas.
Con frecuencia, se produce una corrosión a elevadas temperaturas, en medios que, a bajas temperaturas, son por lo común inertes.
2.3.1. Mecanismos básicos de corrosión
La corrosión es el medio químico por el que se deterioran y destruyen los metales y se han conocido dos mecanismos básicos: el ataque químico directo y el ataque electroquímico, que puede subdividirse en cierto número de formas diferentes de corrosión.
El ataque químico directo incluye todos los tipos de corrosión en los que no hay flujo apreciable de corriente a través del metal, en distancias apreciables. El ataque químico directo da como resultado una reacción uniforme sobre toda la superficie expuesta. Por lo común, se produce en el material metálico una capa escamosa o un depósito de espesor uniforme.
El ataque electroquímico es el segundo mecanismo principal de la corrosión y se caracteriza por el establecimiento de zonas catódicas y anódicas, separadas por distancias finitas y entre las que fluyen electrones, a través del metal. En el corrosivo electrolítico, la electricidad fluye por medio del movimiento de los iones, de modo que el ataque es localizado, más que uniforme, como es el caso en el ataque químico directo.
2.3.2. Formas específicas de corrosión.
Picadura: Es la forma localizada de corrosión da como resultado pequeños orificios que pueden traspasar completamente a ciertos miembros. Se encuentra en el aluminio y sus aleaciones, el cobre y las suyas, el acero inoxidable y aleaciones de alto contenido de níquel. La picadura es una forma electroquímica de ataque, en la que el mecanismo básico implica la intervención de celdas galvánicas o de concentración y, a veces, de ambos.
Ataque intergranular: Se produce cuando los límites granulares de un metal se corroen selectivamente. La causa es probablemente la acción galvánica, resultante de
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las diferencias de composición existentes entre los límites granulares y los granos mismos.
Descincado: Es una forma de corrosión, peculiar en las aleaciones de cinc y cobre; o sea, latón. Como lo indica su nombre, el descincado da como resultado una pérdida de cinc del latón, dejando atrás una masa porosa de cobre.
Corrosión a altas temperaturas: Este tipo de corrosión involucra, con frecuencia, una oxidación o una reacción con los productos de la combustión.
La corrosión erosión: Es una combinación de erosión mecánica con uno de los mecanismos básicos de corrosión. La erosión se debe al flujo turbulento de líquidos, sobre todo los que contienen sólidos en suspensión.
Corrosión con esfuerzo: Este fenómeno tiene probabilidades de ocurrir cuando actúan esfuerzos estáticos y superficiales de tensión, en combinación con un medio corrosivo.
Fragilización cáustica: Es un ataque al acero, bajo la influencia de esfuerzos de tensión, temperaturas elevadas e hidróxido de sodio. Esas condiciones ambientales pueden encontrarse en los calentadores de agua.
La corrosión con fatiga: Se debe a la acción de un medio corrosivo, en combinación con esfuerzos variables. En este tipo de falla, un agente corrosivo ataca la superficie metálica, produciendo incrementadores de esfuerzo que provocan una falla por fatiga. Este tipo de corrosión es experimenta en los cables de minas, en los tubos de intercambio de calor del equipo de elaboración de productos químicos.
Ensayo de Dureza
La dureza es una condición de la superficie del material, no representa ninguna
propiedad de la materia y está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas del
material. Si bien, es un término que nos da idea de solidez o firmeza, no existe una
definición única acerca la dureza y se la suele definir arbitrariamente en relación al
método particular que se utiliza para la determinación de su valor. Los diferentes
métodos desarrollados para medir la dureza en general consisten en producir una
deformación local, en el material que se ensaya, a través de un identador.
Los diferentes métodos utilizados para obtener los valores de dureza se pueden
clasificar en dos grandes grupos según la forma de aplicación de la carga:
Ensayos estáticos en lo que la carga se aplica en forma estática o cuasi-estática.
En este caso un identador se presiona contara la superficie de ensayo con una
carga que se aplica en forma relativamente lenta. En general la medida de dureza
en este tipo de ensayo resulta del cociente de la carga aplicada y el área de la
huella que deja el identador en la superficie, como es el caso de los método
Brinell, Vickers y Knoop, o bien es una medida de la profundidad de la
identación como en el ensayo Rockwell.
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Ensayos dinámicos en los que la carga se aplica en forma de impacto. En general
el identador es lanzado sobre la superficie a ensayar con energía conocida y el
valor de dureza se obtiene a partir de la energía de rebote del penetrador luego
de impactar en la muestra, como sucede en el método de Shore y en el de Leeb,
ambos conocidos como métodos de dureza por rebote.
En general se puede utilizar la medición de dureza para:
Evaluar la efectividad de un tratamiento térmico
Evaluar la resistencia al desgaste de un material
Evaluar la maquinabilidad del material
Obtener una idea de la resistencia a la tracción de un material
2.4.1. Dureza de Brinell
El ensayo de dureza brinell consiste en presionar la superficie del material a ensayar con
una bolilla de acero muy duro o carburo de tungsteno, produciéndose la impresión de un
casquete esférico correspondiente a la porción de la esfera que penetra. En la práctica el
número de Brinell se puede tomar directamente de una tabla ingresando con el valor del
diámetro de la impronta. Algunos durómetros modernos están dotados de sistemas
electrónicos encargados de producir la identación y determinar el valor de dureza
automáticamente. De acuerdo a las normas ASTM las cargas estándar son las de 3000,
1500 y 500 kg, por lo que considerando que el penetrador normal es el de 10 mm. En
ensayos normales la carga máxima se alcanza en un lapso de 15 s y se mantiene, al
menos, durante otros 15 s para aceros y 30 s para metales más dúctiles.
2.4.2. Dureza Rockwell
El estándar ASTM E 18-03 define la dureza Rockwell como un método de ensayo por
indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentador
cónicoesferoidal de diamante (penetrador de diamante), o una bola de acero endurecido
(acero o carburo de tungsteno), bajo condiciones específicas contra la superficie del
material a ser ensayado, en dos operaciones, y se mide la profundidad permanente de la
impresión bajo condiciones específicas de carga.
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El método de Rockwell aunque es un método de indentación no pretende de manera
directa medir la dureza a través de la determinación directa de la magnitud de los
esfuerzos de contacto, sino que la define como un número arbitrario, inversamente
proporcional a la penetración del indentador.
2.4.3. Dureza Vickers
La determinación de la dureza Vickers es similar a la Brinell ya que se obtiene del
cociente de la carga aplicada por la superficie de la impronta. Sin embargo en este caso
se utiliza una carga pequeña y el penetrador es un diamante en forma de pirámide. Las
cargas pueden variar de 1 a 100 kg según el espesor y tipo de material. En general las
máquinas estándar proveen cargas de 1, 2.5, 5, 10, 20, 30, 50, 100 y 120 kg de las
cuales las de 30 y 50 kg son las más usadas. De esta manera para indicar las condiciones
de ensayo solo es necesario indicar la carga, así HV30 significa dureza Vickers con una
carga de 30 kg.
2.4.4. Ensayo de Microdureza
En este tipo de ensayos la penetración es del orden algunos micrones, por lo que pueden
ensayarse chapas y láminas extremadamente delgadas, o superficies tratadas en las que
el espesor del tratamiento es muy delgado como es el caso de las superficies carburadas
o nitruradas, así como también los recubrimientos por electrodeposición. En los ensayos
de microdureza se utilizan aparatos que aplican cargas que pueden variar de 0,01 kg a 2
kg.
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3. MÉTODO
Para lograr nuestra investigación se contará con equipo especializado y se dispondrá de material debidamente clasificado, se deberá seleccionar y preparar las probetas para someterlas a las distintas temperaturas en las que el acero AISI-304 se puede sensibilizar y por lo tanto lograr a tener corrosión intergranular.
Selección del acero
Una desventaja grande en cuanto a nuestro estudio fue poder identificar el tipo de acero inoxidable que se dispone en el comercio, Se encontró que una ferretería tenía debidamente clasificado un tipo de acero inoxidable, en este caso según la norma alemana DIN-933 el cuál es un tornillo hecho en acero inoxidable y que equivale a la norma AISI-304, pero como cualquier investigación científica se debe verificar dicha suposición.
Foto.(tomada por César García) Compra del material a trabajar.
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Selección del material para elaborar probeta.
Se hizo por lo tanto un ensayo de chispa, el cual consiste en comparar una probeta debidamente clasificada según su porcentaje de elementos que lo constituyen. En este caso se usó un Standard Piece for spark test, (pieza estándar para ensayo de chispa). Este tipo de ensayo es cualitativo, se provoca una chispa mediante un esmeril y en un cuarto oscuro se compara la chispa de nuestra muestra con el de la probeta estándar debidamente clasificada.
Foto(Tomada por César García). Piezas para ensayo de chispa.
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Preparación de las probetas para someterlas a las
temperaturas establecidas
Foto(tomada por César García). Medir y cortar tornillo para preparar probetas.
Teniendo debidamente identificado de que material está hecha la probeta de estudio se procede a cortar los tornillos a una longitud de aproximadamente 1.5 cm.
Sometimiento de probetas a las temperaturas de
sensibilización.
Nuestro estudio intenta comprobar lo que en teoría sucedería en el acero AISI-304, en este caso alcanzar sensibilizar la estructura de este acero. Lograr que el Cromo se difunda en carburo de cromo “desprotegiendo” el grano de nuestra muestra y volviéndolo susceptible a la indeseable corrosión.
Para lograr esto someteremos a diferentes rangos de temperatura nuestras probetas debidamente preparadas, según la literatura el acero inoxidable se sensibiliza entre los 400°C-900°C, pero como nuestro horno no tiene la capacidad de mantener estable una temperatura en particular, esto es que debido a las resistencias que cumplen un ciclo de encendido y apagado, la temperatura baja y sube en ese ciclo., definiremos rangos de temperatura para trabajar.
Haremos uso de un pirómetro para hacer mediciones de la temperatura cada 5 minutos, para establecer la variación de temperatura a la que estarán sometidas nuestras probetas.
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Foto(tomada por César García).Ingreso de la probeta al horno para alcanzar la temperatura especificada.
foto(tomada por César García.Temperaturas a las que se someterán nuestras probetas
Encapsulado de las probetas
Se procede a encapsular con una mezcla de acrílico líquido y en polvo,para poder manipular de
forma cómoda las probetas.
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fotos(tomadas por César García), el proceso de encapsulado de las probetas.
Se procede a lijar las muestras con un debaste grueso usando lija 240, 320, 400 y 600 sucesivamente hasta lograr pulir con una lija 1500 y 2000.Para luego entrar a las pulidoras de torno Pulishing, usando una mezcla de agua y alumina. De 1.0, 0.3 y 0.05 micras.
Para lograr dejar la superficie espejo y tener apta la probeta para el ataque químico el cual revelará la estructura metalográfica y nos dará información, usando un metal handbook para comparar.
Las probetas debidamente pulidas se someterán a atmosferas corrosivas en este caso se eligieron sustancias de uso común para atacar la estructura del grano sensibilizado, para lograr así obtener la corrosión intergranular o verificar si sigue teniendo su resistencia a la corrosión nuestra probeta.
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Foto(tomada por César García),piezas pulidas en el paño.
Foto(tomada por César García).Líquidos a los que se sometió nuestras probetas sensibilizadas.
Ensayos de dureza en durómetro Clarck y Hoytom
Una de las partes vitales de nuestra investigación en cuanto a conocer las propiedades mecánicas de nuestro material, son los ensayos de dureza. Por cuestiones de dificultad de tiempo y costo para realizar el montaje de tracción en nuestras probetas obtenidas de tornillos métricos, se dispone de una tabla de dureza del fabricante Hoytom, en el cual se realiza el ensayo de dureza Rockwell C con una carga de 150 Kp entrando a la tabla se obtienen las distintas durezas y tracciones equivalente.
Foto(tomada por César García). Durómetro Clarck
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Foto(tomada por César García). Durómetro HOYTOM, múltiples ensayos de dureza.
Foto(tomada por César García).Especificaciones de durómetro HOYTOM.
Foto(tomada por César García). Pantalla digital del durómetro Hoytom.
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Según la tabla del fabricante del durómetro, se puede sacar la dureza Brinell encontrando la dureza Rockwell C y entrando a una tabla en donde se dan las equivalencias a otros tipos de durezas y valores de tracción.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Durezas y tracción.
Con el resultado del dial del durómetro Clarck se entra a la tabla de dureza Rockwell C con escala 30-N, ya que utilizamos una carga de 30 Kg. Nos vemos en la necesidad de interpolar así:
42 62.8
HRC1 41.1 62
41 61.9
Interpolación dureza Rockwell C para pieza 425°C
31 52.8
HRC2 30.1 52
30 51.9
Interpolación dureza Rockwell C para pieza 575°C
23 45.4
HRC3 22.9 45.3
22 44.5
Interpolación dureza Rockwell C para pieza 725°C
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23 45.4
HRC4 22.9 45.3
22 44.5
Interpolación dureza Rockwell C para pieza 875°C.
42 62.8
HRC5 41.1 62
41 61.9
Interpolación dureza Rockwell C para pieza estándar.
Con el durómetro HOYTOM se simplifica el trabajo, ya que al encontrar la dureza Rockwell C usando una carga de 150 Kp, se encuentra el equivalente a dureza Vickers, Brinell, Rockwell superficial y la tracción.
Figura. Tabla resumen de resultados.
De la tabla anterior se graficarán distintas durezas y tracciones equivalentes, se hace uso de estas conversiones que dicho sea de paso tienen algún grado de error, porque el montaje de las probetas para realizar tracción requiere un montaje algo complicado.
Con esto pretendemos tener resultados aproximados para saber que ocurre con nuestra probeta de acero AISI-304 al ser sometida a distintas temperaturas de servicio, no solamente averiguar si se puede corroer.
Con esto podemos establecer condiciones de servicio de dicho material, ya que estos se usan en intercambiadores de calor, bombas y elementos que deben de resistir no solamente la corrosión sino también las altas temperaturas de trabajo.
1 425°C 2 29 41.1 49.5 279 294 930 95
2 575°C 2 17 30.1 38.3 211 215 730 71
3 725°C 2 12 22.9 33.3 186 180 680 61
4 875°C 2 12 22.9 33.3 186 180 680 61
5 ESTANDAR 0 30 41.1 50.4 286 302 950 97
PiezaTemperat
ura (°C)
Tiempo
(Horas)HRC(150Kg) HBHRC(30Kg) TracciónHV Tracción
HR
superficial
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25
0
5
10
15
20
25
30
35
28°C 425°C 575°C 725°C 875°C
HRC(150Kg)
Gráfica(elaborada por César García). Dureza HRC (30Kg) distintas probetas trabajadas.
Gráfica(Elaborada por César García). Dureza HRC(150Kg) distintas probetas trabajadas.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
28°C 425°C 575°C 725°C 875°C
HRC(30Kg)
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Gráfica(elaborada por César García). Dureza Brinell distintas probetas trabajadas.
Gráfica(elaborada por César García). Dureza Vickers distintas probetas trabajadas.
0
50
100
150
200
250
300
350
28°C 425°C 575°C 725°C 875°C
HB
0
50
100
150
200
250
300
350
28°C 425°C 575°C 725°C 875°C
HV
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Gráfica(elaborada por César García). Tracción (N/mm²), distintas probetas trabajadas.
Gráfica(Elaborada por César García). Tracción (Kp/mm²), distintas probetas trabajadas.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
28°C 425°C 575°C 725°C 875°C
Tracción (N/mm²)
0
20
40
60
80
100
120
28°C 425°C 575°C 725°C 875°C
Tracción (Kp/mm²)
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Metalografías
Imagen(tomada por César García). Metalografía pieza a 425°C, aumento 300x.
Imagen(tomada por César García). Metalografía pieza a 425°C, aumento 600X.
Imagen(tomada por César García). Metalografía pieza a 575°C, aumento 300X.
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Imagen(tomada por César García). Metalografía pieza a 575°C, aumento 600X.
Imagen(tomada por César García). Metalografía pieza a 725°C, aumento 300X.
Imagen(Tomada por César García). Metalografía pieza a 725°C, aumento 600X.
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30
Imagen(tomada por César García). Metalografía pieza a 875°C, aumento 300X.
Imagen(tomada por César García). Metalografía pieza a 875°C, aumento 600X.
Imagen(tomada por César García). Metalografía pieza a estándar, 300x
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Imagen(Tomada por César García). Metalografía pieza estándar, 600x
Foto(tomada por César García)Probeta con trazos de corrosión en la superficie. Atacada con cloro.
Foto(tomada por César García). Probeta esmerilada en su cara, con trazos de corrosión
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5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Conclusiones.
En base a los resultados de nuestra investigación podemos concluir que:
1. Efectivamente el acero inoxidable austenítico AISI-304 se sensibiliza en los rangos de temperatura de 400 a 900°C, resultando con esto con la subsecuente corrosión intergranular.
2. Que la dureza y resistencia del material se reduce a partir de los 525°C, de allí no hay una variación sustancial.
3. Es más agresiva la corrosión por fatiga que la intergranular, ya que en este tipo de corrosión el límite de grano queda al descubierto.
4. Ácidos como el cloro o el ácido clorhídrico tienen la capacidad de una vez sensibilizado el acero corroerlo en menos de una semana, la Coca Cola y la solución salina no lograron corroer nuestra probeta por lo menos en el tiempo de exposición a la sustancia.
5. El acero inoxidable austenítico AISI-304 al ser sometido a ese rango de temperatura el cromo se disuelve en carburos de cromo, es la imagen oscura en las metalografías. El ácido ataca selectivamente el límite de grano y corroe su borde.
6. La estructura del acero AISI-304 muestra la forma de la martensita retenida, y presenta el carburo de cromo en “barras” o “agujas” en forma de la austeníta.
7. El cromo no sólo hace más resistente a la corrosión al acero en cuestión sino que le da propiedades como dureza y mayor resistencia la tracción.
8. Al realizar nuestro ensayo de dureza se logró observar una variación en las mediciones debida a que no todos los granos aportan la misma dureza al material, para esto sería excelente hacer micro dureza Vickers.
9. Este acero puede ofrecer servicio a todos los rangos de temperatura estudiados y ser sometido a sustancias como la Coca Cola (ácido fosfórico).Por lo menos si esta exposición es por solamente dos horas ininterrumpidas.
10. El acrílico que usamos para encapsular nuestras probetas tuvo la capacidad de corroer más rápidamente nuestras probetas, más rápido aún que el cloro.
11. Tan bien corroboramos que este acero no alcanza temple y por lo tanto una mayor dureza después de la exposición a estos rangos de temperatura.
12. También comprobamos que el acero AISI-304 es no magnético. 13. La dureza del material se reduce más que por el crecimiento de grano por la
segregación del cromo en carburos de Cromo.
Recomendaciones:
14. Recomendamos seguir con nuestra investigación como guía para realizar una que sea más completa en cuanto a preparación, que sirva de anteproyecto para lograr una investigación más profunda y enriquecedora.
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15. Es conveniente usar un cronograma de actividades más preciso y mejor organizado siempre basándose en esta experiencia. Ya que las limitantes de tiempo y espacio dificultan una buen resultado en el proceso de investigación.
16. Usar hornos con atmósferas controladas para obtener mejores resultados en este tipo de experimentos.
17. Procurar dejar lo más lisa y paralelas posible las caras de la probeta para que el ensayo de dureza no tenga error en la medición.
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6. ANEXOS
Foto. Tabla para escoger la carga para el ensayo de dureza Rockwell C.
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Foto. Tabla del fabricante Hoytom, en ellas están las durezas Rockwell C y sus equivalente a Brinell, Rockwell superficial, micro dureza Vickers, tracción.c}
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BIBLIOGRAFIA
Ciencia e Ingeniería de los Materiales | 6ta Edicion | Donald R.
Askeland, Pradeep P. Fulay, Wendelin J. Wright.
Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales
William Smith
