Análise de Falhas

Corrosão

Introdução

A corrosão, definida como a deterioração de um metal devido a reações

eletroquímicas com o ambiente, possui um custo elevadíssimo para a sociedade.

Embora usualmente não seja catastrófica sob o ponto de vista de segurança, seus

resultados podem ser desastrosos quando resulta em fratura.

Pequenas alterações nos metais ou nas condições ambientais podem causar

mudanças significativas no seu comportamento em corrosão, o que dificulta a

realização de testes em laboratório representativos das condições de serviço. Algumas

vezes encontram-se graves problemas de corrosão nos quais as condições reais e

possíveis interações não são bem compreendidas, por conseguinte deve-se tentar

obter o maior número de informações possível no local da falha sobre o problema de

corrosão ou sobre o efeito da corrosão complicando um problema de fratura ou

desgaste, pois os vários modos de fratura freqüentemente estão combinados. O

analista de falhas deve ser extremamente cauteloso nas medidas corretivas

recomendadas, pois em alguns casos estas podem fazer mais bem do que mal. Um

dos fatores complicadores é que muitos tipos de corrosão podem estar em progresso

simultaneamente. Justamente por isso é fundamental tentar reconhecer cada um dos

diferentes tipos de corrosão e compreender como controlar cada um.

Deve-se sempre lembrar que a corrosão é a resposta da natureza às grandes

quantidades de energias gastas para transformar os óxidos e sulfetos estáveis

energeticamente em metais. Compreender esta realidade, torna mais fácil entender os

problemas para prevenir a corrosão e estar atento à natureza enganadora do

problema. A corrosão prevalecerá a menos que todas as medidas disponíveis sejam

tomadas para evitar este problema. Uma interessante analogia à tarefa de prevenir a

corrosão é compará-la com a tentativa de conter um vazamento com um dedo sobre o

vazamento – pode ser possível parar o vazamento, mas inevitavelmente outros

vazamentos surgirão.

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Corrosão Galvânica

A corrosão galvânica, causada pela diferença de potencial eletroquímico de

metais em contato, é uma das mais sérias e desafiadoras formas de corrosão. Seus

princípios básicos correspondem àqueles de uma bateria. Três componentes são

necessários:

um metal funcionando como anodo;

um material funcionando como catodo;

um eletrólito, líquido ou pastoso, capaz de realizar o contato elétrico

entre catodo e anodo.

Se estas condições forem satisfeitas, um destes materiais (anodo) será corroído

e o outro (catodo) será protegido e liberará hidrogênio, ao mesmo tempo em que uma

corrente elétrica será gerada. É comum listar-se os materiais de acordo com o seu

potencial eletroquímico em água do mar (3-5% de NaCl). Quando dois materiais

presentes nestas tabela forem postos em contato, quanto maior a distância entre eles,

maior corrosão ocorrerá no material anódico. Contudo, deve-se tomar cuidado pois a

posição de um metal na série galvânica pode ser alterada em função da presença de

uma camada de filme protetor passivante. Além disso, a seqüência pode se invertida

sob efeito de diferenças de área exposta. Ou seja, as séries galvânicas devem ser

tomadas como um guia inicial de referência, mas não como uma referência acurada,

pois variações nos metais, diferenças de área e alterações no eletrólito podem implicar

em grandes diferenças de comportamento.

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As seguintes medidas podem ser utilizadas para prevenir a corrosão galvânica:

Evitar corrente elétrica através da separação física ou isolamento de

metais dissimilares através do uso de materiais, tais como: plásticos,

graxas pesadas, pinturas e semelhantes.

Tentar eliminar o eletrólito. Este é o motivo para haver pouca corrosão

galvânica em atmosferas desérticas secas. Para atmosferas com

umidade relativa inferior a 30-35%, não haverá corrosão galvânica.

Se diferentes metais precisam ser utilizados conjuntamente, deve-se

tentar escolher metais com posicionamento próximo na série galvânica.

Deve-se utilizar uma grande área do material anódico e uma pequena

área do material catódico para tirar proveito do efeito de área.

Em sistemas fechados, pode-se tirar proveito de inibidores de corrosão no

eletrólito.

O princípio da corrosão galvânica pode ser utilizado para proteger

grandes estruturas com anodos de sacrifício.

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Corrosão Uniforme

A corrosão uniforme é o mecanismo mais comum de corrosão, tal como

ferrugem em ferros e aços. Na verdade, a corrosão ocorre como resultado da formação

de pequenas células galvânicas na superfície do material, as quais são fruto da

existência de pequenas regiões anódicas e catódicas formadas devido a pequenas

diferenças de composição química e presença de impurezas. Assim, a corrosão é

uniforme apenas a nível macroscópico.

Sob o ponto de vista econômico, este é um dos tipos mais importantes de

corrosão, devido às grandes quantidades de material afetada. Entretanto, sob o ponto

de vista técnico, a corrosão uniforme é razoavelmente previsível e fácil de conviver,

contanto que outros tipos de corrosão não estejam presentes. Medidas relativamente

simples podem ser tomadas para controlar este tipo de corrosão:

Usar material mais nobre. Contudo, outros fatores tais como propriedades

físicas e mecânicas, disponibilidade e custo costumam ser os fatores

determinantes para a seleção de materiais.

Utilização de recobrimentos sobre os metais como forma de proteção.

o Pintura para evitar o contato do ambiente com a superfície

metálica. Este tipo de proteção é efetivo contanto que o filme de

pintura esteja intacto.

o Revestimento com camada de óxido. Entretanto, este tipo de

proteção é ineficaz se o filme for danificado, além de estar sujeito à

formação de “pits” em certos ambientes, particularmente em

presença de cloretos e haletos.

o Recobrimento com um material mais anódico costuma ser efetivo

por longos tempos. Recobrimento com um material mais catódico

pode ser eficiente se o metal de base for uniformemente recoberto

sem trincas, furos, riscos ou abrasão. Neste último caso, a

eventual exposição de uma pequena região do metal de base

levará a sérios problemas, não só pela diferença de potencial de

corrosão, mas principalmente pela pequena área anódica exposta.

o O cladeamento de duas ligas com diferentes potenciais de

corrosão é uma outra forma efetiva de proteção.

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Outra forma de lidar com a corrosão uniforme é simplesmente

deixar o material corroer, pois esta pode ser a forma mais econômica de

lidar com o problema.

Corrosão por Aeração Diferencial (“crevice corrosion”)

Este é um tipo de corrosão difícil de combater sem controle cuidadoso do

projeto, dos materiais selecionados e do processamento. Como a maior parte da

corrosão é causada pela oxidação de metais reativos, seria de se esperar que áreas

com alta concentração de oxigênio corroessem mais rápido, não obstante, pode

acontecer justamente o contrário. Uma trinca próxima a um depósito de sujeira tem

mais propensão à corrosão do que a superfície exposta ao redor. A região de contato,

onde existe pouco oxigênio, é anódica e irá corroer, enquanto que a região exposta à

alta concentração de oxigênio é catódica e está protegida. O metal constrito na ponta

da junta ou sob o depósito tende a formar “pits” que se propagam pela espessura do

material. Este tipo de corrosão também pode ocorrer sob estruturas de fixação, tais

como parafusos e rebites, desde que a umidade possa penetrar e ali permanecer. Isto

pode acontecer até se os dois materiais forem semelhantes, mas poderá ser agravado

se os materiais forem diferentes.

Os problemas práticos deste tipo de corrosão são enormes. Em geral, quando

uma mancha de ferrugem aparece na superfície já é muito tarde, pois no local da junta

ou sobre os depósitos de sujeira o “pit” já atravessou toda a espessura do material.

Quando este tipo de corrosão atinge a superfície exterior, a pintura é estufada e em

geral perfura o material. Pintar o lado externo não para a corrosão existente embaixo.

Pode acontecer também dos “pits” formados servirem como sítio de nucleação de uma

trinca de fadiga.

Uma vez que os mecanismos de aeração diferencial foram compreendidos,

pode-se considerar as principais formas de prevenção, embora não haja uma forma

única de evitar este tipo de corrosão. A solução dependerá de cada caso, o qual

deverá ser analisado cuidadosamente.

Evitar juntas aparafusadas ou rebitadas, a menos que os metais

sejam recobertos, de preferência antes e depois da união ter sido

realizada. Caso se opte pela soldagem, é bom lembrar que o calor

gerado pode destruir as superfícies recobertas. Em ambos os

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casos, é recomendado cobrir toda a estrutura com graxa, cera ou

tinta resistente à corrosão capaz de fluir sobre a superfície e cobrir

toda a superfície exposta. Pode-se também optar por um anodo de

sacrifício.

Fechar e selar os “pits” e aberturas, pois se a umidade ou eletrólito

não puderem alcançar a abertura, não poderá haver corrosão. Em

alguns casos, quando isto não for possível, é necessário introduzir

buracos e continuamente drenar a água.

Inspecionar e remover depósitos freqüentemente. Se não houver

partículas estranhas depositadas, não poderá haver aeração

diferencial. O uso de filtros também ajuda a evitar a formação de

depósitos. Deve-se lembrar que estas medidas requerem

manutenção constante para garantir a sanidade das estruturas.

Utilizar juntas e arruelas sólidas de material não absorvente, tal

como borracha ou plástico. Isto tende a sela a junta, mantendo o

eletrólito afastado. Evidentemente que as superfícies devem ser

pouco rugosas para promover a selagem.

Corrosão sob Tensão

O fenômeno de corrosão sob tensão é um grande problema em muitos setores

industriais, pois pode resultar em fraturar em fratura frágil de materiais normalmente

dúcteis. Define-se este tipo de fenômeno pelo trincamento por efeito combinado de

corrosão e tensões trativas. A tensão pode ser aplicada pelas condições de serviço

(externa) ou residual (interna). Em geral, as tensões residuais são mais

freqüentemente a causa da corrosão sob tensão do que as tensões aplicadas pelas

condições de serviço. A tensões residuais freqüentemente resultam do processo de

soldagem, mas pode também estar presentes como fruto de ajuste por interferência,

contração e tensões geradas durante a montagem. O único requisito absoluto é

existam tensões trativas na superfície do material exposto a um determinado ambiente,

não sendo necessário que o nível de tensionamento supere o limite de escoamento.

As trincas podem ser transgranulares ou intergranulares dependendo do metal e do

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agente corrosivo. Como em toda fratura frágil, a trinca é perpendicular à direção de

tensão trativa, não havendo evidências visuais claras de corrosão.

Este é um tipo de fratura gradual, como a fadiga. As trincas crescem

gradualmente por período de tempo até que o tamanho crítico é atingido, a

concentração de tensão pode causar a fratura súbita do metal remanescente. Em

alguns casos, a trinca crescerá para além dos domínios sob tensão trativa e

estacionará.

Quase todos os metais são suscetíveis à corrosão sob tensão em ambientes

específicos. Não há teorias gerais amplamente aceitas, mas este tipo de corrosão

possui algumas características particulares:

Para um dado metal ou liga, apenas certos ambientes específicos

contribuem para este tipo de falha, não havendo um padrão geral de

comportamento.

Metais puros são muito menos suscetíveis à corrosão sob tensão do que

metais impuros.

A proteção catódica tem tido sucesso na proteção a iniciação das trincas

por corrosão sob tensão. Quando as trincas já surgiram, o efeito será

apenas de diminuição da velocidade de propagação.

A adição de certos sais solúveis pode inibir a produção de trincas em

determinadas combinações de ambiente e liga afetada.

Certos aspectos da microestrutura da liga, tais como tamanho de grão,

estrutura cristalina, misorientação e número de fases, podem influenciar a

suscetibilidade à corrosão sob tensão.

A prevenção deste tipo de corrosão deveria ser simples: retirar a tensão trativa

ou o ambiente corrosivo, mas isto nem sempre é muito simples no mundo real. Uma

forma muito efetiva de combater este tipo de corrosão é criar tensões compressivas na

superfície do material por métodos mecânicos, tais como martelamento ou laminação.

Isto reduzirá a incidência de trincas e a ruptura final. Se o nível de tensionamento

trativo resitual for elevado, pode ser possível aliviar as tensões através de tratamento

térmico. De fato o aquecimento até temperaturas subcríticas costuma ser suficiente.

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A identificação deste tipo de fratura nem sempre é fácil, pois pode-se confundi-lo

com outros tipos de falha. Muitas vezes a sua semelhança com a fratura por fadiga

torna o trabalho do analista extremamente difícil, sendo definitiva a constatação da

ausência de tensões cíclicas. A superfície de fratura pode até apresentar marcas de

praia devido a diferenças na taxa de penetração durante o progresso da trinca. A

rugosidade da fratura pode ajudar nesta distinção de mecanismos, pois a fratura por

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fadiga costuma ser muito menos rugosa na origem da fratura, tornando-se mais rugosa

próximo do final da superfície. Esta mudança não costuma ser observada em corrosão

sob tensão. A fratura por corrosão sob tensão também é freqüentemente confundida

com a fragilização por hidrogênio, para evitar esta confusão é fundamental avaliar o

histórico do componente, a origem da trinca, o aspecto da trinca, as evidências de

corrosão na superfície de fratura e o aspecto microestrutural.

Fadiga-Corrosao

Enquanto a corrosão sob tensão é o resultado de um carregamento estático, a

fadiga-corrosão é essencialmente uma fratura por fadiga agravada pelos efeitos do

ambiente. Assim, a combinação de fadiga e corrosão leva a falha do prematura do

componente antes de alcançados o seu limite de vida em fadiga ou naquele

determinado ambiente corrosivo.

O tipo de carregamento cíclico em tração influencia fortemente a vida sob

condições agressivas de corrosão. Quanto mais longo e mais freqüentemente a trinca

de fadiga é aberta ao ambiente corrosivo, mais severo será o efeito do ambiente na

redução da vida em fadiga. Em alguns casos, a fadiga é iniciada em todos os “pits”

presentes na superfície corroída, agindo como concentradores de tensão. Em outros

casos, parece que a trinca de fadiga começou primeiro e que cresceu mais

rapidamente sob efeito dos agentes corrosivos que penetraram na trinca por

capilaridade. Na maior parte das vezes observa-se uma combinação destes

mecanismos.

A identificação da falha por fadiga-corrosão segue a mesma linha de raciocínio

da fratura por fadiga. Entretanto, o efeito complicador do ambiente afeta a fratura e

torna a análise mais difícil. A parte inicial da trinca de fadiga comumente é mais

severamente corroída devido à exposição mais prolongada ao ambiente. Assim, a

descoloração devido à severa corrosão pode tanto tornar mais fácil identificar a origem

da trinca como obscurecê-la. Além disso, pode haver mais de uma origem. Um fator

complicador é que a fratura ocorrerá sobre toda a superfície se o componente fraturado

não for removido do ambiente agressivo, imediatamente limpo e protegido de danos

mecânicos e de corrosão.

A prevenção da fadiga-corrosão é simples a partir da teoria, mas de difícil

aplicação.Costuma ser impraticável utilizar material de maior resistência mecânica sem

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fazer referência à resistência à corrosão. Provavelmente a corrosão acontecerá tão

rápido quanto antes e a fratura poderá acontecer até mais rapidamente devido à maior

sensibilidade a concentradores de tensão em materiais de alta resistência. Medidas

mais efetivas incluem o seguinte:

Redução ou eliminação da corrosão por qualquer dos meios tradicionais

trais como pintura ou recobrimento. Pode-se também diminuir a

agressividade do ambiente através da adição de inibidores de corrosão

ou alteração da concentração das soluções em sistemas fechados.

Mudança do material de modo a aumentar a resistência à corrosão,

empregando materiais como aço austenítico ou uma liga não ferrosa.

Contudo, esta deve ser a última alternativa, pois muito outros problemas

adicionais podem surgir, tais como: disponibilidade, custo, adequação

geral ao projeto e viabilidade da fabricação.

Redução da tensão trativa resultante causadora da fadiga através da

redução da carga aplicada ou aumento da seção resistente.

Redução da tensão trativa resultante através da introdução de tensões

residuais compressivas nas superfícies críticas por martelamento ou

laminação. Deve-se ter cuidado, pois a espessura afetada pelo

martelamento é pequena e pode ser superada pela penetração dos “pits”.

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