Apunte Corrosion

8/3/2019 Apunte Corrosion

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DEPARTAMENTO DE AERONUTICA FACULTAD DEINGENIERA

CATEDRA

MATERIALES II

CORROSIN

Profesor Titular: Ing. Aer. Dawid GomplewiczProfesor Adjunto: Ing. Aer. Claudio RimoldiColaborador: Sr. Fernando Cordisco


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Materiales II Corrosin

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CORROSION

Definicin

Definiremos a la corrosin cmo la degradacin qumica o electroqumica de unelemento con el ambiente. Siendo solo caracterstica de los metales.

Causas de la corrosin

La corrosin causa severos daos a los metales. Afecta a todos en mayor o en menormedida. Por ello es necesario comprenderla, para poder controlarla y reducir los daosproducidos en la mayor medida posible.

En la corrosin, como en la mayora de las reacciones qumicas, la electronegatividad decada elemento cumple un papel muy importante.

Recordemos que un metal es un conjunto de enlaces metlicos que forma una granmolcula (Teora del Gas de electrones) en la cual cada tomo metlico tendr ciertaelectronegatividad. Los elementos ms electronegativos tienden a ganar electronesreducindose y los de menor electronegatividad entregan electrones oxidndose ycorroyndose.

Esta reaccin corrosiva no solo se presenta entre metales con metales sino tambin entremetales y no metales, siendo estos ltimos elementos de elevada electronegatividad enrelacin a los primeros.

As, al combinarse qumicamente los elementos (Metal Metal y Metal No Metal)mediante la reaccin de sus electrones de valencia se forman compuestos (enlacesMetlicos + ionicos + covalentes) que sern ms nobles que sus predecesores. Estoselementos son ms estables en la naturaleza pues no tienden a reaccionar qumicamente.


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De esta forma podemos decir que los metales al ser analizados en funcin de la corrosinse comportan como elementos metaestables.

Ejemplos como los metales nobles (oro, plata, etc.) son casos excepcionales en los que su baja energa (poca inestabilidad) les confiere una resistencia prcticamente ideal a la

corrosin. Lamentablemente estos materiales carecen de buenas propiedades mecnicas(exceptuando la maleabilidad).

Nota: Es interesante saber que los metales se encuentran en la naturaleza en forma deminerales (Bauxita: Aluminio, Cormita: Cromo, Ferrita: Hierro, etc.) y para ser obtenidosen su forma refinada deben pasar por diversos tratamientos en los cuales mediante laentrega de energa se los lleva del estado mineral al estado utilizado en la industria. Alentregarles energa estos pierden su estado de equilibrio natural y tienden por ejemplomediante la corrosin a volver a su estado natural (de menor energa).

NATURALEZA DE LA CORROSION

La corrosin puede presentarse de diferentes formas en la naturaleza. En todos los casostermina por la deterioracin o destruccin del metal y puede ser caracterizada de lassiguientes tres formas:

- Metal Liquido- Metal Gas- Metal Metal

Cada caso puede ser modelizado en forma diferente.

Metal Liquido

Como ya se enunci, cada elemento posee una electronegatividad diferente. sta leotorga un cierto potencial electroqumico (tambin conocido como FEM) que depender dela solucin (electrolito) en el que se encuentra inmerso (esto es por razones que nocitaremos aqu) [3].

A continuacin se presenta una tabla vlida para electrolitos de elevada concentracin enla cual se toma como referencia un electrodo de hidrogeno para medir la diferencia depotencial.


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Por otra parte es importante saber que para casos muy especficos la posicin de ciertoselementos en la tabla puede verse alterada por la disminucin de la concentracin delelectrolito:


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Sin embargo haremos nuestros anlisis en base a la Tabla 1. Puede observarse all como amedida que disminuye el potencial el elemento va pasando de un estado andico a uno mscatdico.

As como la corrosin electroqumica nos permite generar energa elctrica (pilas,

bateras, etc.) por otro lado genera miles de millones de dlares en perdidas mundialesdebido a su efecto destructivo en los metales.

Dentro de este tipo de corrosin podemos distinguir diferentes tipos de celdaselectroqumicas. Nosotros analizaremos solo las ms importantes y comunes que son lasceldas galvnicas y las celdas de concentracin. Otro tipo de celdas como por ejemplo:diferencias de temperatura, celdas por diferencias de batido, etc. Pueden encontrarse en labibliografa citada.

Celdas galvnicas

Una combinacin de dos tipos diferentes de conductores elctricos (metales) sumergidosen un mismo electrolito se conoce como celda galvnica en honor a Luigi Galvani, fsicoitaliano que publico sus estudios de la accin electroqumica en 1791.

A los conductores elctricos se los conoce como electrodos. El de menor FEM ser elnodo y el de mayor FEM el ctodo.

En el ctodo se producirn reacciones de reduccin, mientras que en el nodo seproducirn reacciones de oxidacin y ser ste el que se corroe.

Modelo.

Fig. 1

Como puede observarse en la Fig.1, la corrosin se producir si y solo si el circuito escerrado. En caso contrario la corrosin no se producir excepto por impurezas en elelectrolito o en el nodo (que analizado, genera una celda galvnica). La tasa de corrosinse ver influenciadasolo por la corriente (densidad de corriente, J) y en consecuencia ser


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dependiente del rea en contacto entre el electrolito (conduccin de iones) y el conductor(conduccin de electrones), es decir ser funcin de la superficie del electrodo.

A mayor J, mayor tasa de corrosin.

Ejemplo:Supongamos una chapa de aluminio que contiene impurezas de cromo en sus superficie

como muestra la Fig. 2:

Fig. 2

Supongamos tambin que el ambiente se encuentra con una humedad relativa del 80%.Entonces, debido a la elevada humedad puede formarse sobre la superficie del metal una

delgada capa de agua.El agua actuar como electrolito. Analizando la tabla 1. encontramos que el aluminio se

comporta como nodo mientras que el cromo acta como ctodo. El medio de conduccinde electrones est dado por el contacto entre el cromo y el aluminio.

En consecuencia podemos modelizar la situacin como sigue:

Esta pequea segregacin de cromo provocar el picado del aluminio en sus alrededores.Este picado se transformara en un pequeo concentrador de tensiones que en conjunto conla corrosin y tensin puede provocar una falla conocida como corrosin por fatiga queanalizaremos luego.

tiempo:tcarga,:Q.

QIJ

tAA==


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Debe tenerse presente este tipo de factores cuando la aeronave se encuentra en regionesmuy hmedas.

Celdas de concentracin

Hablamos de Celdas de concentracin cuando la diferencia de potencial viene dada porla diferencia de concentracin o de composicin en los electrolitos y no por diferencia enlos electrodos.

Entonces, podemos definir Corrosin por celdas de concentracin a la corrosin que sepresenta cuando los electrolitos en contacto son diferentes y el metal es el mismo.

Modelemos el caso de la siguiente manera (Fig. 4),

Fig. 4

La regin que contenga al electrolito de elevada concentracin se comportar comocatdica y por lo tanto el metal que se encuentre all no ser afectado por la corrosin,mientras que la regin de baja concentracin ser andica y el metal all se corroer.

Esto es consecuencia del flujo elctrico que se establece debido a al diferencia deconcentracin de iones. Los iones en el electrolito de elevada concentracin tienden adesplazarse hacia el de baja concentracin (por equilibrio). Este flujo de iones (corriente)

inducir el flujo de electrones en sentido opuesto para lograr el equilibrio elctrico.Consecuentemente el metal que desprende electrones se corroer impidiendo que la celdallegue al equilibrio y cerrando as el ciclo de corrosin.

Un ejemplo en el que se ve claramente la barrera L-L es un tipo de corrosin que seconoce como Corrosin por Lnea de Agua.


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Dado un metal (hierro) que se encuentre parcialmente en agua y parcialmente en aire,vase fig. 5(izq.). Al cabo de un tiempo determinado encontraremos que el Fe se encuentrabajo los efectos de la corrosin como se muestra en la fig. 5 (derecha).

Fig. 5

La situacin puede explicarse de la siguiente forma: Debido a que hay presente un nicometal y dos electrolitos ser un caso de corrosin por celdas de concentracin, que puedeser representado por el modelo de la figura 6:

Fig. 6

Tomando al aire y al agua como electrolitos teniendo ambos en comn el ion O2 (ion deelevada electronegatividad). Si se realiza el anlisis correspondiente se encuentra que en elagua habr menor concentracin de iones de oxigeno que en el aire. La lnea A-A (interfaceAire Agua) actuara como la barrera L-L de la Fig. 4 . Mientras que el propio metalactuara como conductor de electrones.

Entonces si seccionamos al metal mediante la lnea A-A y los ubicamos como muestra laFig. 6 tendremos establecida una celda de concentracin en la que el metal sumergido secorroer, explicando la situacin inicial.


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Este tipo de corrosin electroqumica (celdas de concentracin) es muy comn encambios de seccin (esquinas). Cualquier tipo de enlace de metales genera corrosinlocalizada (peligrosa y no siempre detectable en forma sencilla), caracterizada porpequeos agujeros (pits) en el material que actuan como concentradores de tensiones y que ponen en riesgo el correcto funcionamiento de la pieza. Otro ejemplo se muestra en la

figura 7.

Dentro de las diversas formas en que puede presentarse, puede clasificarse y encontrarseen la bibliografa como Celdas Metal Ion, Diferencia de aireacin y celdas pasivasactivas.

Metal Gas

En la reaccin entre el metal y un medio gaseoso las molculas de gas son absorbidassobre la superficie del metal mediante la reaccin de los tomos del metal y el gas

formando productos de corrosin (verfig. 1.)

Usualmente debido a la electronegatividad de los no metales generalmente presentesen forma gaseosa en el medio ambiente, la corrosin Metal Gas puede ser expresadaqumicamente como:

Metal + No Metal Oxido o Sal

Por ejemplo: 4Fe + 3022Fe2O3

Dependiendo del metal el no metal y el medio (Temperatura, humedad, etc.) la tasa de

corrosin puede variar. Por ejemplo, el aluminio en aire es muy activo y la corrosin actarpidamente sobre la superficie.

Pasividad

Es conveniente dar, en este momento, una breve introduccin al estudio del pasivado demetales.


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Todo efecto corrosivo, ya sea si el material est expuesto a un medio liquido o gaseoso,formar una capa o pelcula con los productos de la corrosin sobre la superficie del metal(recordando que estos ltimos son mas estables que el metal puro).

Esta pelcula o escamapuede ser continua y protectora o bien contener grietas (cracks)y poros y ser relativamente no-protectora.

Debido a que la naturaleza de los productos de la reaccin es usualmente muy frgil, lainiciacin de las grietas depender en cierta medida de si la pelcula es formada bajo unestado tensional de traccin que favorece la fractura o bajo un estado de compresin.

Si el estado tensional es de compresin se evitaran los poros y la formacin de grietasgenerando una pelcula continua y protectora. En caso contrario la pelcula no serprotectora o lo proteger levemente.

La compresin o traccin de la lamina depender del volumen de los productos decorrosin en relacin a los reactivos. Si los productos ocupan ms volumen que losreactivos entonces la lamina estar sometida a compresin.

Luego, conociendo el volumen molar y la densidad del metal, podemos obtener lasiguiente relacin:

Condicin que determina la formacin de la capa protectora donde el sufijo c representalos productos de corrosin y m a los reactivos.

Nota: Otra relacin ms general que (1) es:

m: peso molecular de los productos de corrosinD: densidad de los productos de corrosinM: peso atmico del metal.d: densidad del metaln: numero de tomos del metal en su forma molecular (ej Al2O3 n=2)

El clculo del espesor de la capa de productos corrosivos (pelcula) en funcin del tiemponos dar la tasa de corrosin en el metal.

Para el caso particular de la corrosin Metal-Gas se puede hacer el siguiente anlisis:

Cuando la capa no es protectora permite el constante contacto directo entre el gas y lasuperficie metlica y por lo tanto la reaccin qumica proceder de forma constante. A estaforma de corrosin se la conoce como Ataque Qumico Directo siendo la accinelectroqumica poco importante. Luego el espesor de la pelcula ser:

(1)m

Mm

c

Mc

>

1

..

.>

Dmn

dM

espesor:x

materialdeldependeraquecte.unaesCdonde 11tCx =


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Por otra parte cuando una capa no porosa y adherente es formada, la corrosin sloprogresara por difusin. Ntese que la corrosin puede ser retrasada pero es inevitable. Enste caso tendremos una accin electroquimica donde la pelcula y la interface Metal -Pelcula y Metal - gas conforman una celda galvnica como la representada a continuacin.

La interface Metal - pelcula acta como nodo mientras que la interface pelcula - gascomo ctodo (recibe e-). A su vez la pelcula actuar como circuito externo conduciendoelectrones.

Vale aclarar que para los iones gaseosos por ser ms grandes que los metlicos (debido ala mayor cantidad de electrones) la difusin es muy lenta y prcticamente despreciable.Como consecuencia, las reacciones predominantes se generan entre la interface pelcula -gas o en la superficie de la pelcula.

La tasa de crecimiento de la pelcula puede ser calculada en trminos del flujo decorriente y el incremento de las resistencia con el espesor (*2). Obtenindose una leyparablica:

espesorelx""yconstanteesCdonde 222 tCx =


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(*2) :Para una resolucin completa ver Richards Pag. 491 o Corrosin and Corrosincontrol Hebert Uhilig pag. 156 (escapa a los alcances del tema).

Metal Metal

Recordemos que los slidos no presentan una superficie idealmente lisa sino unasuperficie rugosa (o montaosa) que est determinada en forma relativa como coeficientede roce.

Esta propiedad, que es la causa de friccin entre superficies, tambin es la causafundamental de la corrosin por friccin (Fretting Corrosin) y del efecto de erosin desuperficies. En ambos casos la corrosin del metal es consecuencia de la remocin de lapelcula protectora (elemento sobre la superficie del metal que retarda la accin corrosiva)que como resultado incrementa la tasa corrosiva.

Podemos definir corrosin por friccin como el efecto que se produce en la interface decontacto de dos superficies (una o ambas metlicas) sujetas a un movimiento relativo entreellas (slip).

Debe tenerse presente que el diseo de muchas piezas o mecanismos es tal que impide elmovimiento relativo entre las superficies. Sin embargo puede existir un muy pequeo juegoentre ambas que no afecte estructuralmente al sistema pero que en un corto o largo plazo pueda afectar la capa protectora de uno o ambos metales. Como consecuencia el metalquedar expuesto a un medio que probablemente lo degradar por acciones electroqumicasgeneradas ya sea por humedad, algn tipo de fluido o un medio gaseoso externo.

A esto ltimo debe sumarse algn gradiente de temperatura que se generar en lainterface debido a la misma accin de rozamiento, la cual aumenta la tasa de corrosin.Esto es consecuencia de la ley de Arrehnius:Donde r, que es la tasa de reaccin (qumica en este caso) aumentar con un aumento en latemperatura.

La corrosin por friccin es frecuentemente causa de falla en: resortes de suspensin,cabeza de tornillos, dientes de los engranajes del sistema mecnico de direccin,rodamientos, hlices de paso variable, juntas, relays elctricos, ejes de contacto, y cualquierparte de maquinaria vibratoria. Puede causar decoloracin de laminas de metal apiladas enembarques.

Para evitar este tipo de fallas es conveniente tener presentes los siguientes cuatro puntos:

1) Tratar de combinar materiales de mayor dureza con otros menor dureza.( El material de menor dureza va a fluir por corte en vez de generar partculas de oxido)

2) Evitar el movimiento relativo entre ambas superficies en el diseo.(Esto es difcil de cumplir pues se cree que hasta el movimiento a nivel atmico puedecomenzar con esto. Un aumento en la carga tal que evite el slip de las superficies es

KTEaexxr /seg)porcolisionesdenro.(.Cte =


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recomendable si y solo si se asegura que el slip sea prevenido, en caso contrario lasituacin puede revertirse y causar mayor dao).

3) Uso de lubricantes.(Esta es sin duda una de las mejores soluciones para este tipo de fallas cuando la carga

no es tan elevada).4) Uso de amortiguadores elsticos o materiales de bajo coeficiente de friccin.

(La goma absorbe el movimiento y por lo tanto evita el slip en la interface. Otrorecubrimiento posible es el Polytetrafluorotethyleno (Tefln) que debido a su bajocoeficiente de roce reduce el dao. Sin embargo debido a su pobre resistencia mecnica,materiales como sta clase son solo utilizados a cargas moderadas.

FORMAS DE CORROSIN

La corrosin se presenta de diversas formas, puede ser uniforme, por picado, localizada,etc. Tambin aparecen combinadas entre s, sin embargo usualmente una predomina. Porello identificar el tipo de corrosin presente es muy valioso tanto para el campo deinvestigacin y diseo como para el de mantenimiento, pues conocido el tipo de corrosinse comprender la causa y se buscar la forma de disminuir el ataque.

Podemos dividir la corrosin en seis grandes campos:

- Uniforme- Localizada (Picado)- Erosin (cavitacin, erosin por corrosin, Fretting corrosin)- Ataque selectivo (localizado)(ataque en las fases, ataque intergranular)- Craking (corrosin por tensin, corrosin por fatiga)- Corrosin por temperaturas elevadas- Corrosin galvnica

Algunas de ellas fueron analizadas como ejemplos en secciones anteriores, las restantessern analizadas a continuacin.

Uniforme

El ataque por corrosin uniforme puede ser rpido o lento y puede dejar el metal limpio ocubierto sobre su superficie por productos de corrosin. Un ejemplo de lo ultimo es laoxidacin de algunos metales que se encuentran en el aire y son sometidos a elevadastemperaturas (hornallas de la cocina). Casos en los que el metal expone una superficielimpia sucede en algunas soluciones cidas donde los productos de la corrosin no seencuentran sobre el metal.

La corrosin por ataque uniforme se mide en perdida de peso respecto el materialoriginal o mediante la reduccin de espesor. Dentro de la forma de medida estndar puedeclasificarse como miligramos por decmetro cuadrado por da (mdd) as como en pulgadaspor da (ipy)


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Tngase presente que la corrosin es un factor dependiente del tiempo y el ataque puedeaumentar con ste. Por lo tanto deben realizarse controles para determinar su progreso.

Es importante tener en cuenta que hay casos en los que la superficie del material seencuentra cubierta por productos de corrosin que si bien es un caso de corrosin uniforme,bajo esta capapueden haber o no otros tipos de corrosin ms crticos.

La corrosin uniforme puede presentarse tanto en corrosin metal liquido como metal gas.

Corrosin localizada

Cuando la corrosin se encuentra localizada en reas bien definidas y relativamentepequeas comparadas con el total de la superficie hablamos de Corrosin Localizada. staes generalmente caracterizada por picado.

Corrosin por picado (Pitting corrosin)

Cuando la superficie del metal se encuentra picada se la llama corrosin por picado. Unagujero (pit) puede distinguirse por un borde bien definido que encierra al permetro delagujero. En general se encuentra alrededor del borde de ste una pequea pared perpendicular a la superficie del metal consecuencia de los productos de corrosin. Verfig.9

Fig 9.

Si bien los pits pueden tener un dimetro relativamente pequeo, su numero, profundidady tamao pueden variar drsticamente. Como consecuencia en ciertos casos son difciles dedetectar y por lo tanto muy peligrosos. Por su forma actan como fisuras en el material

disminuyendo sus propiedades mecnicas y son fuente potencial de concentracin detensiones que pueden llevar a la falla por fatiga (fatiga por corrosin).

Si se analiza una superficie metlica que experimente este tipo de corrosin se encuentranzonas punteadas con irregularidades bien definidas. Verfig. 10


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El picado (pitting) puede ser medido mediante un micrmetro que tenga la adecuadaforma o mediante un microscopio que est calibrado para enfocar la superficie del pit yluego el fondo. Esto nos permite determinar la profundidad. O bien dentro de los Ensayosno destructivos si se desea cubrir grandes superficies puede utilizarse el mtodo de Rayos xo gama, mientras que si desea hacerse un anlisis ms puntual puede usarse el mtodo deEddy Currents (o corrientes de Focoult).

En pitting corrosin la perdida de peso no es una medida apreciable debido a lacaracterstica propia de este tipo de corrosin. El termino factor de picado (pitting factor) esusado para expresar el radio de profundidad del grupo de pits ms profundos contra lapenetracin calculada en perdida en peso (algunas veces se toma el promedio de los msprofundos).

Usualmente la tasa de profundidad de picado disminuye con el tiempo.Dentro de los factores que pueden generar ataque localizado o pitting podemos nombrar

a las celdas de concentracin, Erosin Corrosin, inclusiones, imperfecciones, bordes degrano y dislocaciones.

Ataque selectivo

Cuando un metal es procesado el material resultante no es perfectamente homogneo sinoque puede contener inclusiones, segregaciones, constituyentes indeseados en los bordes degrano, ms de una fase y otras imperfecciones. Como la corrosin se ve influida muchasveces por la estructura interna del material, clasificamos a la corrosin debida a laimperfecciones de los materiales como ataque selectivo.


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Teniendo esto presente, podemos decir que en el diseo un factor critico es la seleccindel material pues depender del fabricante la calidad del producto final.

Ataque debido a diferentes fases

Este tipo suele presentarse cuando dos o ms fases estn presentes en la microestructurade un cristal policristalino.Las fases de un material pueden variar tanto en sus propiedades fsicas como qumicas,

siendo la ultima consecuencia de la corrosin pues una fase puede presentar una FEMdiferente que otra y por tanto una ser corroda mientras la otro no.

Este tipo de ataque puede ser muy peligroso, porque en apariencia puede presentarsecomo corrosin uniforme (superficial) pero en realidad presenta corrosin en su estructurainterna. Luego, el material puede verse reducido en sus propiedades mecnicas quedandoblando y dbil. Ejemplificamos la situacin de la siguiente forma:

La fundicin gris presenta bsicamente una microestructura formada por cristales dehierro rodeados por carburos de hierro como en la fig. 11.

Fig 11.

Como el carburo de hierro es mas estable que el hierro, el primero se comportar comoctodo mientras que el ltimo como nodo. El ctodo permanecer en su posicin mientrasque el nodo ser corrodo y como el Fe3C fija la posicin de la martensita y la austenita elmetal mantendr su forma interna y externa pero sus propiedades mecnicas sern


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totalmente diferentes, verfig. 12.Entonces cuando se presente un caso de corrosin uniforme se debe asegurar que solo sea

superficial pues en caso contrario puede correrse el riesgo de la falla del material.

Ataque intergranularEl ataque intergranular es un tipo de corrosin selectiva de los bordes de grano donde los

cristales o granos permanecen sin un ataque apreciable. Es decir es el caso inverso alanterior.

Este tipo de ataque genera una disminucin en la resistencia y ductilidad del metal siendoun serio problema de corrosin.

El mecanismo es debido a las diferencias de potencial entre los bordes de grano y elgrano mismo. La fem puede verse influenciada durante el tratamiento trmico que generaprecipitaciones en el borde de grano.

Esto ha de tenerse en cuenta a la hora de realizar soldaduras, pues es una indeseableforma de realizar un tratamiento trmico. Por lo tanto en los lugares propensos a lacorrosin debe evitarse la soldadura.

La nica forma de eliminar el problema es seleccionar correctamente el material segn elmedio en que se encuentre inmerso (el cido lo intensifica drsticamente) o bien luego derealizar la soldadura hacer un posterior tratamiento trmico con el fin de solucionar elproblema.

En la figura 13 puede verse una probeta con ataque intergranular a la que se le hizo unasoldadura (ntese a la derecha la zona afectada como se marca la zona que sufre el ataque)Por ultimo vale aclarar que el ataque llega a una distancia finita de la soldadura y no se


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extiende ms. La fig. 13b presenta un material bajo corrosin intergranular.

Craking

Hablamos de cracking cuando se combina el efecto de la tensin y el de la corrosin talque culmina en la rotura de la probeta.

Corrosin por tensin

Si se expone al material a un ambiente corrosivo y se lo solicita mediante algn estadotensional se encuentra que el proceso se ve acelerado respecto al estado original (sintensin). A los casos en que la falla del material esta asociada a la corrosin y a la tensinse la conoce como corrosin por tensin.

Como en general los metales puros no son susceptibles a la corrosin por tensin (encualquier tipo de ambiente) las impurezas y los componentes de aleacin son los elementosque afectan este tipo de falla.

Explicaremos la causa de este efecto mediante un ejemplo con Duraluminio ( 4% Cu-Al):Si se le hace al Duraluminio un tratamiento trmico a bajas temperaturas la microestructura

queda formada por granos de cobre y en sus bordes precipita CuAl 2, componente que secomportar andico con respecto al grano si se expone al metal a una solucin de NaCl(electrolito). Se genera entonces una celda galvnica.

Si a su vez se lo somete a traccin, la tensin tender a separar los granos relativamentey permitir que ms electrolito est en contact con ambas fases. Por ser los bordes degrano los que se corroen, disminuirn sus propiedades mecnicas y comenzarn adeformarse plsticamente. De esta forma el material comienza a fisurarse a travs de losbordes de grano y el proceso culmina en la fractura del metal.


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Es decir, acabamos de presentar corrosin intergranular acelerada por el efecto de latensin.

Pueden tambin presentarse casos de fallas transgranulares que son causa deimperfecciones tales como dislocaciones o impurezas en el grano que generan unadiferencia de potencial. La tensin acta deformando plsticamente las regiones corrodas y

favoreciendo el deslizamiento de impurezas y dislocaciones tales que al acumularsegeneran una mayor diferencia de potencial (recurdese que los planos favorecidos para lafractura son los planos que contienen impurezas).


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Para evitar este tipo de fallas deben tenerse en cuenta:

- Si el metal trabaja en fri, fragilizar los componentes de la aleacin y se incrementarala posibilidad de falla frgil.

-

Debido al origen intergranular debe tenerse presente el tipo de tratamiento trmico arealizar.- Evitar que el metal posea tensiones residuales de traccin. Si es necesario debe

aplicarse la tcnica de Shot Blasting que generar tensiones residuales de compresinen la superficie (pero por otro lado generara discontinuidades).

- Si es posible utilizar la tcnica de proteccin catdica con la cual se reducedrsticamente la tasa de corrosin.

Corrosin por fatiga

El dao producido por la accin conjunta de la corrosin y de la tensin cclica en unmetal se conoce como corrosin por fatiga, y fue mencionado por primera vez en 1917 porB. P. Haigh.

Si se realizan ensayos de fatiga en medios corrosivos se encuentra que el limite de fatigase ve seriamente reducido respecto al de un medio no corrosivo. De echo, el aire es unmedio corrosivo (debido a la humedad y los elementos presentes) y debe tenerse en cuentaa la hora de realizar el ensayo.


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Fig. 15

La disminucin en la resistencia del metal es inducida por la formacin de pits tanto porla accin de la corrosin como por accin de la fatiga.

El dao producido por la corrosin por fatiga es mayor que la suma del dao causado portensiones cclicas y corrosin en forma separada por consiguiente cuando ambas actan enconjunto el efecto neto es el de incrementar la tasa de propagacin de fisuras.

Para el anlisis de las causas de sta se proponen los dos anlisis siguientes:

- Metal resistente a la corrosin: Si bien la pelcula protectora (generalmente xidos) seregenera rpidamente cuando es daada, esta es generalmente poco resistente y poco dctily bajo un estado de tensiones cclicas o alternadas la tasa a la que la capa se regenera esmenor que las rajaduras en sta (debido a la tensin). Se generan entonces pits debidos a losefectos de la corrosin, que sumados a la tensin cclica y concentracin de tensionesresultan en la rpido formado y propagacin de fisuras que culminan con la fractura delmetal.

- Metal no resistente a la corrosin: Tanto el efecto de tensiones cclicas como la corrosingeneraran pits desde el estado inicial en el metal. Por lo tanto la tasa de formacin y

propagacin de fisuras ser mayor que en el caso anterior y el metal fallar rpidamente. Aestos casos se los conoce tambin comofatiga por corrosin.


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Corrosin a temperaturas elevadas

Las formas de corrosin a temperaturas elevadas son las mismas que a bajastemperaturas, puede ser pitting, uniforme, erosin, etc. La mayor diferencia radica en que elincremento de temperatura acelera tanto las reacciones qumicas como el proceso dedifusin en las fases slidas, que resultan en un incremento apreciable de las tasa corrosiva.

A su vez si el material debe trabajar tanto a temperaturas elevadas, como a bajas oambiente, el cambio cclico de temperatura puede generar rupturas en las laminas protectoras o bien desprendimiento de sta. Por lo tanto cuando se presente este tipo desituaciones (turbinas, puesta en orbita de vehculos espaciales, etc.) debe analizarse laadherencia de la capa protectora.

CORROSIVOS

Hasta ahora hemos hablado de las causas de la corrosin, como clasificarla y en queformas se presenta. Sin embargo un factor fundamental es el medio en el que el material seencuentra inmerso, pues dependiendo de las caractersticas de ste el efecto de corrosinactuar en mayor o menor medida.


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Los medios corrosivos pueden clasificarse en:

Corrosin atmosfrica Corrosin by soils (corrosin por tierra: debida a elementos orgnicos en ella) Corrosin por agua Corrosin por cidos Corrosin por Sales,Corrosin por halgenos, por compuestos sulfricos, por comidas, por gases, por metaleslquidos, etc.[1],[5]

De la extensa lista de ambientes, slo se analizan los ms destacados con respecto aaeronutica.

Corrosin atmosfrica

Si bien la composicin bsica de los componentes atmosfricos es prcticamente

constante algunos constituyentes pueden variar en pequeas cantidades afectando las propiedades corrosivas del medio. Por lo tanto la rapidez de corrosin variar segn laatmsfera. ste factor es muy importante en la fase de diseo de la aeronave.

Los elementos corrosivos que se encuentran usualmente en la atmsfera son:

- Oxigeno (O2)- Agua (H2O)- Dixido de carbono (CO2) La proporcin de oxigeno se mantiene prcticamente constante en todas las atmsferas.

Es un elemento no metlico que tiende a combinarse rpidamente con las estructuras

metlicas.

La humedad (H2O) se encuentra desde bajas cantidades en zonas ridas o desrticashasta elevadas como por ejemplo en los trpicos.

El CO2 si bien no se encuentra presente en grandes cantidades puede variar segncondiciones climticas y regiones.

Dentro de estos tres factores, el mas critico es el agua. La tasa de corrosin se veincrementada segn la humedad presente pues el H2O acta como un eficiente electrolito.Dependiendo de cada metal se determina un nivel critico de humedad a partir del cual la

tasa de corrosin aumenta rpidamente.Vale aclarar que si bien el agua es un parmetro critico, la lluvia, aunque incrementa lahumedad relativa del medio acta generalmente de forma benfica pues limpia loscorrosivos contaminantes y productos de la corrosin de la estructura.

Se encuentra por otra parte que los elementos que se encuentran parcialmenteestacionados (hangares mal ambientados) sufren un mayor ataque. Esto es probablementecausa de que no obtienen los beneficios de la lluvia y evitan el beneficio del viento queacta evaporando la humedad.


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Basado en el tipo de contaminantes en el aire las atmsferas pueden ser clasificadas en:industrial, marina, y rural. Tambin puede expresarse a la atmsfera medianteclasificaciones meteorolgicas como por ejemplo: rida, tropical, polar, etc. O biencombinadas.

Atmsferas industriales

Estas son sin duda las ms criticas. Se caracterizan por la presencia de pequeas partculas de basura (metlica, etc.), holln , y compuestos de sulfuro que emanan de lacombustin, como por ejemplo dixido de azufre o cido sulfrico. Tambin pueden estarpresentes otros tipos de contaminantes qumicos debidos a industrias, aunque estos suelenestar presentes en reas localizadas.

Si bien los compuestos de sulfuro estn presentes en forma reducida, estos aumentanrpidamente la tasa de corrosin.

Atmsferas marinas

La corrosin en ambientes marinos se atribuye primariamente a la presencia declorhdricos en el aire. Muy dainos para el aluminio han sido detectados hasta alturasentre 96km y 112km en ocano abierto.

En zonas cercanas a la costa tanto como en el ocano abierto, la mayor o menorpresencia de elementos corrosivos provenientes del agua dependen directamente del viento.Este genera ondas de partculas que son levantadas hasta grandes alturas.

Otros elementos corrosivos son las sales. Si bien no son la causa directa de ladeterioracin del metal, su naturaleza higroscpica les otorga la posibilidad de actuar comoelectrolitos si se adhieren a la estructura de la aeronave. En consecuencia cada vez que unaaeronave que se encuentre sometida a este tipo de ambiente debe ser limpiadaperidicamente.

El agua dulce que puede provenir de lagos, ros, pozos, manantiales, variar su capacidadcorrosiva dependiendo especficamente de donde este localizado el sector marino. Con estonos referimos a ciertos factores predominantes a tener en cuenta, como son la acidez y losvientos. Adems de la acidez debida a los desechos industriales (si los hay), debe tenerse encuenta que tanto la descomposicin animal, como vegetal incrementa la acidez del agua.

Atmsferas rurales

Estas son las menos corrosivas de la clasificacin realizada. El efecto corrosivo dependeprincipalmente de los efectos discutidos anteriormente como por ejemplo humedad relativaen el aire y el movimiento de este mismo (viento).

Como ejemplo obsrvese la fotografa 17.a y 17.b en la que puede verse el largueroprincipal del ala de la aeronave Fieseler Sterch (Cigea) de la segunda guerra mundial.Vase como la aleacin de aluminio de caractersticas similares a las del 2024 T3 es


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atacada por la corrosin debida a la humedad ambiente por haber estado almacenado unperiodo extenso de tiempo sin uso.

Si se observa en forma detenida, adems de la corrosin presente en el alma del largueropuede verse como se propaga la corrosin por el contorno inferior del larguero (platabandainferior).

En la foto fig. 17.c. vemos como ha quedado el recubrimiento del borde de ataque.

Fig. 17a

Fig. 17b


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Fig. 17c

Fig. 17d

PROTECCION A LA CORROSION

La corrosin es inevitable y por lo tanto la eleccin de un mtodo de proteccin eficientey acorde a la situacin dar como resultado mayor vida til del metal reduciendo los costosde mantenimiento. En aeronutica el tipo de proteccin ms utilizado es el pintado de laaeronave y el clading.

Una tcnica ya explicada para proteger al metal es el pasivado, en el que se le genera almetal una delgada capa adherente y no porosa de productos de corrosin reduciendo la tasa

de esta. A continuacin explicamos otros mtodos.

Dentro de los tipos de proteccin a la corrosin podemos encontrar:

- Proteccin galvnica Proteccin CatdicaProteccin andica

- Recubrimientos MetlicosInorgnicos y Orgnicos


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- Inhibidores y pasivadores- Pasivado de metales (Pelculas delgada adherentes y no porosas).

Proteccin Galvnica

Se basa en la induccin de un potencial a la superficie a proteger con el fin de disminuirla diferencia de potencial entre el metal a corroerse y el que se reduce a la menor posible.Esto reduce la corriente y por lo tanto la tasa de corrosin.

Podemos dividir a esta tcnica en dos clases:- Proteccin andica- Proteccin catdica

Como sus nombres lo indican la diferencia entre ambas esta en el potencial aplicado esdecir, si el metal se hace ms andico o ms catdico. La tcnica ms utilizada es lacatdica y es la que analizaremos.

Proteccin catdica

Fue introducida por primera vez en forma prctica por Sir Humphry Davy en 1824cuando abord el control de la corrosin para el recubrimiento anti - radar de cobreutilizado en los navos de guerra de la segunda guerra mundial mediante una corrientegenerada por la corrosin galvnica del Zinc.

Mediante la aplicacin de una corriente externa sobre el metal a proteger la corrosin esreducida virtualmente a cero y la superficie del metal puede mantenerse en un ambientecorrosivo sin practica deterioracin por un tiempo indefinido. Esto la convierte en una delas tcnicas ms importantes en la proteccin de la corrosin.

El mecanismo es el siguiente: dada una celda en la que un metal se corroe (nodo) a costasde un metal que se reduce (ctodo) debido a la diferencia de potencial entre ambos yteniendo presente que a medida que el nodo se corroe tiende a un potencial ms catdico(la diferencia de potencial se reduce). Se utiliza una corriente externa (por ejemplo con unnodo auxiliar) para llevar al nodo a proteger a un potencial aproximadamente igual al delctodo, es decir se emula que el metal se encuentra corrodo. Por lo tanto se llega a unestado equipotencial en el que la corriente no fluye y por lo tanto el nodo a proteger no secorroe (disminuye extremadamente su tasa de corrosin).

Se la llama proteccin catdica porque lo que se hace es llevar el potencial andico delmetal que va a ser corroer a un potencial ms bajo o catdico.

Recubrimientos

Tienen como objetivo cubrir al metal que ser afectado mediante una capa protectora quesepara qumica y mecnicamente al metal del medio al que ser expuesto.

Podemos clasificarlos en tres categoras:- Metlicos- Inorgnicos- Orgnicos


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En aeronutica los tipos ms comunes son las pinturas (orgnico) y el clading (metlico).Los recubrimientos inorgnicos [1],[5] son poco utilizados en la industria aeronutica y porlo tanto no los analizaremos.

Recubrimientos Metlicos

Como su nombre lo indica este tipo de recubrimiento es a base de elementos metlicos.Puede ser dividido a su vez en dos tipos, noble y de sacrificio. Debe destacarse que todoslos recubrimientos comercializados son porosos en un cierto grado.

A)Recubrimientos Nobles: Estos se caracterizan por ser catdicos respecto al metal que se protege en las series galvnicas. Por ello la pelcula metlica no se deteriora con eltiempo, sin embargo debido a que no es perfectamente continua el metal se corroerdonde hayan poros presentes. Por lo tanto la pelcula debe ser adherida de forma que segeneren la menor cantidad de poros posibles.

B) Recubrimientos de sacrificio: En este caso el recubrimiento es andico respecto almetal. Se evita la deterioracin del metal a costas de una pelcula protectora que secorroe con el tiempo y va perdiendo su capacidad protectora.

Los poros tanto en A) como en B) son generalmente sellados con lacas orgnicas.

Respecto a aeronutica, el recubrimiento ms utilizado se conoce con el nombre deAlClad (Al: Aluminio Clad: Clading: tcnica de pegado)

Alclad

Si bien el aluminio puro es un excelente metal anticorrosivo sus propiedades mecnicasson pobres. Por lo tanto no es un material adecuado para el diseo estructural y debe seraleado con otros metales con el objetivo de mejorar sus propiedades mecnicas. A su vezlas aleaciones de aluminio se caracterizan por presentar menor resistencia a la corrosin ydebe ser protegido.


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La tcnica de clading en aluminio consiste en aplicar a la aleacin de aluminio unrecubrimiento metlico de aluminio puro sobre toda su superficie logrndose optimasprestaciones mecnicas y resistencia a la corrosin.

Otro recubrimiento que pude ser utilizado es la aleacin 1%Mn Al que es la aleacin dealuminio mas resistente a la corrosin.

Si se analizan las series galvnicas se encuentra que ambos recubrimientos (99% Al, y1%Mn-Al) actan como recubrimiento de sacrificio y por lo tanto deber ser controlado.

Recubrimientos Orgnicos

En esta categora se encuentran las pinturas (utilizadas ampliamente en aeronutica), laslacas y barnices.

Pinturas

Definimos como pintura a una mezcla de partculas de pigmento insoluble suspendidasen un vehculo orgnico continuo.

El objetivo principal de las pinturas en su gran mayora es el de proteger a los metales dela corrosin atmosfrica. En los Estados unidos se estima que el gasto anual entre pinturas ylacas es aproximadamente de diez mil millones de dlares, siendo la mitad destinada a laproteccin contra la corrosin.

Los pigmentos usualmente consisten en xidos metlicos (TiO2, Pb3O4, Fe2O3) ocompuestos como ZnCrO4, PbCo3, BaSo4, clays, etc. Mientras que el vehculo puede serun aceite natural tal que al ser expuesto al aire se oxida y polimeriza en un solido (procesoque puede acelerarse mediante el uso de catalizadores). Sin embargo actualmente es comnel uso de resinas sintticas. Caracterizadas por una mejor resistencia a la penetracin deagua, como por ejemplo las resinas vinilester o las resinas epoxy que poseen una mejoradherencia a las superficies metlicas.

Barnices y lacas

Los barnices consisten generalmente de una mezcla de aceite, resinas disueltas y thinner.Mientras que las lacas consisten en resinas disueltas en thinner y algunas veces poseenpigmentos a la vez.


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Requerimientos de la pintura para una buena proteccin (criterios de seleccin)

- Proveer una buena barrera al aire y agua: hoy en da las pinturas son permeables encierto grado al agua y oxigeno. Algunos vehculos son menos permeables que otros. Lamejor forma de evitar este proceso de corrosin por difusin es el de aplicar capas

mltiples de forma de incrementar la cantidad de pigmentos.- Inhibidores contra la corrosin: los pigmentos incorporados en el prime coat

(cobertura inmediatamente adyacente al metal) son crticos pues son estos los queactan como capa pasivante entre el metal, la pintura, y el agua que atraviese las capassuperiores. No muchos pigmentos comerciales cumplen con esta funcin. Los msdestacados son el Pb3O4 (plomo rojo) y el cromato de Zinc (ZnCrO4), los cualescumplen efectivamente esta funcin.

- Proveer una larga vida a bajo costo: A la hora de seleccionar la pintura hay que teneren cuenta no solo el precio de la pintura sino la durabilidad de sta pues si la pintura esde bajo costo y baja durabilidad el gasto puedo tornarse elevado debido al gasto demantenimiento (despintado, repintado del avin, ms el costo laboral).

- La experiencia ha demostrado que uno de los factores ms importantes en la vida dela pintura es la adecuada preparacin de la superficie metlica (generalmente msimportante que la calidad de la pintura): abarca el limpiado de toda suciedad, aceitesy grasas de la superficie como el removido completo de todo producto de corrosin.

- El prime coat debe ser aplicado sobre la superficie metlica seca con el objetivode obtener una buena adherencia. Si es necesario, previa aplicacin de la primercapa puede realizarse un tratamiento de superficie (capas de fosfato o wash primer)que mejora la adherencia de la primer capa al metal y provee una buena resistenciaa la rajadura de la primer capa.

Wash Primer

El wash primer WP1 fue creado durante la segunda guerra mundial con el objetivo defacilitar el pintado del aluminio. Este al igual que la capa de fosfato sirve como tratamientode superficie y tiene la ventaja de proveer en una operacin en lugar de dos un tratamientocon fosfato.

Pintado del aluminio

Debido a la baja porosidad del aluminio las pinturas no se adhieren bien a su superficie.Por este motivo a diferencia de otros metales se le debe hacer indispensablemente un previotratamiento de superficie mediante el uso de Wash primer o de fosfato, siendo el primeroms efectivo y por lo tanto ms utilizado.

La primer capa de pintura debe contener en general cromato de zinc como pigmentoinhibidor (el plomo rojo genera acciones galvnicas con el Al) pues las pinturas ricas enZinc (ZnO) tienen una muy buena adherencia a la superficie.


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METODOS DE PREVENCIN Y CONSIDERACIONES DE DISEO

Hemos examinado que la corrosin depende en gran medida de las condiciones ambienteque rodean a la aeronave. En cualquier caso es importante tener en cuenta que el control de

la corrosin es una inspeccin peridica que el manual de la aeronave contemplar dentrode un periodo de tiempo. No obstante es la experiencia quien determina fundamentalmenteel periodo de inspeccin.

Existen cuatro mtodos fundamentales para detectar la corrosin:- Inspeccin Visual- Inspeccin por Tintas penetrantes- Inspeccin por Ultrasonido- Inspeccin por Rayos X

Los tres ltimos sern analizados en temas posteriores. Respecto a la inspeccin visual esconveniente planificar un recorrido estndar y observar con linterna y lupa. Tngasepresente que el polbillo blanco o gris en las chapas o alrededor de los remaches son signosde corrosin del Aluminio y magnesio. Las ampollas en pinturas son puntos dondeprobablemente haya corrosin por debajo.

Una vez detectada debe clasificarse el dao (algunos manuales proporcionan pautas paraclasificarlo) a efectos de analizar la continuidad de la pieza.

Analizaremos algunos lugares del avin sensibles a la corrosin a tener en cuenta tantopara el diseo como para el mantenimiento:

- La corrosin intergranular es un tipo de corrosin muy difcil de detectar a simple vista.Aleaciones como el 2024 son susceptibles a sta. La garanta frente a este tipo decorrosin se encuentra en controles precisos del material de fabricacin de aeronaves ycontrol de tratamientos trmicos y soldaduras.

- El servicio a temperaturas elevadas es como se dijo factor influyente en la tasacorrosiva.

- La corrosin por contacto o friccin es muy comn en todas la juntas, uniones con pernos y remaches de la estructura de la aeronave susceptibles a la corrosin. Puedepresentarse usualmente como manchas oscuras alrededor de la cabeza de los remaches.Para retardarlo se utilizan interposicin de juntas, sellantes, compuestos o lubricantes enjuntas. Otras veces no hay otra solucin ms que sustituir las piezas.

- El contacto entre materiales diferentes es muy comn en aeronutica, por ejemplo entreel acero y las aleaciones ligeras (pernos de acero en estructuras de Al). Todos estoscontactos deben impedirse por interposicin de juntas o pelculas protectoras.

- Las corrientes elctricas que producen el equipo elctrico de abordo mal aislado puedeoriginar corrosin galvnica de las zonas contiguas al equipo. Las chispas producen


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cido ntrico si hay humedad en el ambiente, de aqu que los espacios elctricosconfinados deben airearse convenientemente.

- La batera es una regin clave. Estas son a base de cido o de niquel-cadmio, yconvierten la energa elctrica en energa qumica que queda almacenada para posterior

reconversin a energa elctrica. Estas transformaciones tienen desprendimiento devapores corrosivos, por lo tanto los compartimientos de bateras de cido deben serresistentes a vapores de cido mientras que las de niquel-cadmio a vapores alcalinos.

- Zonas de lavabos y acondicionamiento de comidas. Estas zonas son criticas debido a laacumulacin de agua y deshechos.

- La presencia de agua en zonas interiores a las superficies sustentadoras del avintermina por originar corrosin. La mejor forma de eliminar la humedad de un avin esvolarlo. Una noche fra del avin a la intemperie y de fuerte condensacin puedegenerar grandes cantidades de agua.

- El combustible de aviacin absorbe agua con los ciclos de cambio de temperatura. Lapresencia de agua en los depsitos de combustible es un factor de riesgo sobre todo enaviones con motores turbina.

- Zona del motor:- La zona de salida o escape de gases es muy propensa a la corrosin debido a losproductos de combustin como el azufre y otros agentes. A su vez se ve favorecida porla alta temperatura de los gases (tngase presente en tubos de escape, toberas de salida,carenas adyacentes a esas reas).-En zonas de admisin de aire de motores turbina el aire entra a gran velocidad juntocon numerosas partculas abrasivas que tienden a eliminar las pelculas protectoras delborde de ataque (corrosin por erosin).- Motores alternativos. La bancada del motor es critica, pues el motor elctrico depuesta en marcha cierra el circuito normalmente a travs de la bancada del motor.

- El tren de aterrizaje y los alojamientos son los ms atacados. Deben estar preparados para abrasin, impacto de pequeas piedras, agua, hielo acumulado durante muchashoras de vuelo a elevada altitud, barro, etc.Es la zona ms propensa a la corrosin .Las ruedas de avin estn construida con aleaciones de magnesio, mientras que los pernos de sujecin son de acero, es decir estamos ante un par galvnico de primerorden.

- La limpieza de la aeronave se realiza con maquinas de agua vapor a presin, o amano.El lavado de una aeronave es el primer paso para controlar la corrosin. Los productosde limpieza que se emplean tanto a mano o a maquina difieren normalmente.

Para finalizar, tngase presente que las aeronaves se proyectan con el objetivo dereducir peso a costas de llevar la mayor carga paga y el menor combustible posible.


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Todo ello obliga a mantener el peso estructural al mnimo de manera que cadacentmetro cuadrado del material soporte su carga mxima de trabajo. La corrosinconvierte al material en un compuesto distinto que ser incapaz de soporta la carga quepreviamente tena asignada.


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BIBLIOGRAFIA:

[1] Corrosin and corrosin control Hebert H. Uhlig

[2] Science Materials Richards

[3] Mechanism and theory of corrosin, corrosin testing and corrosin control AmericanSociety Monograph series

[4] Flin Trojan

[5] Corrosin Handbook H. Uhlig

[6] Las aeronaves y sus materiales Antonio Esteban Oate

[7] Apuntes de Pinturas de Ctedra Materiales II Biblioteca

[8] Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales William F. Smith (segundaedicin)

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Apunte Corrosion