Corrosão Sob Tensão
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
Professor:
Nelson Medeiros de Lima Filho
Corrosão Sob Tensão
A corrosão sob tensão (CST) é um processo
destrutivo de metal ou liga, resultante da ação
simultânea de um meio agressivo e tensões estáticas
de tração ou aplicadas sobre o metal ou liga.
O simples fato de um metal ou liga estar sujeito a tensões de tração na superfície e a ação de um meio corrosivo não implica que o mesmo venha a sofrer corrosão sob tensão.
Exemplo: aços carbono não apresentam CST em soluções de NaCl, apesar de apresentar uma aceleração no processo corrosivo normal, devido a presença de tensões.
a CST caracteriza-se por uma danificação do metal ou liga, manifestando-se pela formação de trincas;
a fratura pela CST, caracteriza-se pela presença de duas zonas distintas: a primeira de caráter frágil, resultante das trincas de CST ; a segunda resultante da ruptura brusca do metal causada pelas tensões existentes pelo desenvolvimento das trincas de CST, ultrapassando o limite de resistência do material;
as trincas de CST podem ser intergranulares, transgranulares ou mistas. A forma sob a qual uma trinca de CST se desenvolve depende tanto do material (composição química e estrutura metalográfica) como do meio corrosivo (composição química, temperatura, pressão, pH e estado da matéria);
as trincas de CST desenvolve-se perpendicularmente à direção de esforço de tração;
as CST apresenta um efeito altamente localizado;
os produtos de corrosão formados durante o processo de CST, normalmente são invisíveis e as perdas em peso desprezíveis;
a CST caracteriza-se por dois estágios bem distintos o primeiro, denominado período de indução, corresponde a um lento processo de corrosão e, o segundo ao processo de propagação de trincas;
a CST de uma estrutura ocorre quando as tensões (aplicadas, residuais ou ambas) e as concentrações dos agentes responsáveis pelo processo ultrapassam determinados valores mínimos;
A CST em um determinado metal ou liga, num meio bem definido, depende das tensões de tração aplicada, residuais ou ambas.
As tensões de tração presentes num metal podem ser originadas através de : esforço externo, residual, aumento de temperatura por meio de soldagem. Produtos de corrosão formados em regiões confinadas são uma fonte de tensões, podendo atingir até 6,9x107 Pa.
Ex.: aço alto silício ou ferro fundido cinzento exposto a ácido sulfúrico fumegante. O ácido penetra ao longo das lamelas de grafita, corrói o ferro da matriz e forma produtos confinados.
O efeito da tensão aplicada sobre a suscetibilidade de um determinado metal ou liga é medida pelo tempo necessário para ruptura num meio considerado.
Fatores Influenciadores:
Observa-se que existe uma tensão mínima abaixo do qual, a ruptura não ocorre num tempo finito.
Tensão aplicada (tensões externas) ou residual (tensões internas)
Curva representativa do tempo necessário para ocorrência da ruptura em função da tensão aplicada
O valor de tensão crítica depende da temperatura e da composição do material e do meio. E para cada sistema metal/meio existe um valor crítico diferente.
Dentre as tensões residuais internas, as tensões macroscópicas são as que parecem influenciar mais no desenvolvimento da CST. Desse modo, todos os tratamentos e condições capazes de induzir essas tensões, como, os tratamentos mecânicos (deformação plástica), tratamentos térmicos, soldas, aquecimento desiguais durante a utilização ou produção da peça, devem ser levados em considerações.
As tensões internas microscópicas, associada a estrutura cristalina do metal ou liga, também tem papel importante na CST.
Estado da Superfície
O estado da superfície de um metal ou liga desempenha um importante papel no seu comportamento diante da CST. Este estado é determinado pelas características geométricas da superfície (rugosidade, ondulações, microirregularidades, etc.) e mecânico - metalúrgicas (estrutura da camada superficial, deformações plásticas, tensões residuais). A resistência a CST aumenta com a qualidade do estado da superfície.
Composição e Estrutura Cristalina
O efeito da composição química sobre a suscetibilidade de um metal ou liga em sofrer CST é em certos casos de primordial importância.
Ex.: a presença de 0,05% de fósforo no cobre é suficiente para torna-lo suscetível à CST em atmosfera amoniacal úmida. Efeito idêntico é obtido com o arsênio, antimônio, silício, níquel e alumínio. A adição de pequenos teores destes elementos ao cobre determina uma diminuição do tempo de trincamento, o que equivalente a dizer que ocorre um aumento da suscetibilidade a CST.
Efeito do teor de arsênio sobre o tricamento por corrosão sob tensão do cobre em atmosfera amoniacal úmida. A influência da variação do teor dos elementos de liga sobre a corrosão sob tensão pode ser mostrado com o comportamento de arames de ligas Fe-Cr-Ni, com diferentes teores de Ni em solução em ebulição de 42% MgCl2.
Efeito do teor de arsênio sobre o trincamento por corrosão sob tensão do cobre em atmosfera amoniacal úmida
Efeito do teor de níquel sobre o trincamento por corrosão sob tensão de
A CST apresenta pouca relação com as demais formas de corrosão no que se refere a natureza do meio.
Exemplo: aços carbonos que são suscetíveis a forte corrosão generalizada em soluções de cloreto de sódio, não sofre, nesses meios, nenhuma CST. De modo inverso, soluções de nitrito de cálcio que não são consideradas corrosivas e que podem ser manuseadas em aço comum, promovem um rápido trincamento de peças de aço carbono tracionadas principalmente em soluções quentes e concentradas.
A forma das trincas desenvolvidas durante o processo corrosão sob tensão depende da natureza do meio.
Exemplo: aços comuns, que em meios contendo nitratos, trincam intergranularmente e em meios contendo HCN, transgranularmente.
A concentração do agente causador da CST num determinado meio desempenha papel variável de um caso para outro. De modo geral, quanto maior a concentração desse agente, mais rápidos são os efeitos da CST.
Concentração dos Agentes
Efeito da variação da concentração de H2S sobre o trincamento por corrosão sob tensão de aços API N-80 temperados em óleo e revestidos a uma dureza de aproximadamente (33-35)
Na maior parte dos casos, a ação do meio no desenvolvimento da CST é acelerada pela elevação da temperatura.
Temperatura
Variação da temperatura mínima necessária para ocorrência de trincamento por corrosão sob tensão de aços doces em soluções com diferentes concentrações de hidróxido de sódio
O efeito da pressão ainda não é bem conhecido. Em alguns casos, constata-se que o aumento da pressão acelera o processo de corrosão sob tensão.
A adição de NaNO3 a uma solução alcalina promove aceleração do processo de corrosão dos aços doces a pressão atmosférica. No entanto, o mesmo aditivo atua como inibidor de CST dos aços doces em soluções alcalinas a pressões elevadas, como as encontradas em caldeiras.
Pressão
O pH da solução desempenha um papel variável de um caso para outro. Na CST das ligas de alumínio e magnésio, o efeito do pH somente se faz sentir nos extremos, observando-se uma aceleração do processo no lado ácido e uma diminuição do lado básico.
-Aços Carbonos e Aços Ligas com menos de 10% de elemento de liga; -Aços inoxidáveis martensíticos (serie AISI 400);
- Aços inoxidáveis austeníticos (série AISI 200 e 300) podem sofrer CST acima de 80ºC;
- Cobre comercial; - Latões;
- Bronzes de alumínio (suscetibilidade aumenta com o teor de Al)
Os mecanismos propostos, em geral, restringem-se a casos específicos. Independentemente do mecanismo atuante, a CST envolve três estágios principais.
- O estágio inicial consiste num ataque corrosivo lento, que produz pite ou outra forma de concentração de tensão, que pode se desenvolver numa trinca visível.
- O segundo estágio corresponde ao crescimento lento da trinca, durante o qual os efeitos combinados de tensão e corrosão promovem a sua propagação, com o consequente aumento na intensidade de tensão na extremidade da trinca.
- O terceiro estágio é atingido quando a intensidade da tensão alcança um valor tal que a fratura rápida passa a ocorrer sob ação da tensão unicamente.
De maneira geral, os mecanismos de corrosão sob tensão apresentam dois grupos:
- Mecanismo de CST, nos quais a polarização catódica do metal diminui, detém o desenvolvimento do processo. Ocorrem em ligas com estrutura cúbica de face centrada, tais como aços inoxidáveis austeníticos, latões a; - Mecanismo de CST onde a polarização catódica do metal acelera o processo de trincamento, em virtude do hidrogênio liberado no processo de corrosão (fragilização pelo hidrogênio). Ocorrem preferencialmente com metais com estrutura cúbica de corpo centrado, tais como aços carbonos ou aços martensíticos.
Sistema: tubulação de aço inoxidável Material: aço inoxidável AISI 304
Condições operacionais: fraturas em trecho curvo do tubo. Temperatura: 80-90°C.
Análise: a análise do vapor condensado em contato com o tubo acusou presença de cloreto.
Causa: CST, devido a ação conjunta de cloreto e temperatura sobre aço inoxidável em área tensionada como no trecho curvo.
Solução: substituição por aço inoxidável AISI 316 e eliminação da contaminação do vapor com cloreto.
Alguns casos práticos:
Sistema: equipamento de aço inoxidável em fábrica de alimentos Material: peça de aço inoxidável AISI 304.
Condições operacionais: contato da peça com solução de cloreto de sódio 20%.
Observações: fratura na peça.
Análise metalográfica: trincas transgranulares. Causa: CST
Solução: diante da impossibilidade de modificação das condições operacionais, isto é, contato com solução de NaCl, e por questões econômicas, foi empregado o aço inoxidável AISI 316, que, embora mais resistente que o 304, também fica sujeito a CST.
Alguns casos práticos:
