INTRODUCCIÓN A LA DEGRADACIÓN EN MATERIALES METÁLICOS
RESUMEN
Los materiales metálicos son esenciales en diversas industrias, pero son vulnerables a la degradación, especialmente por corrosión electroquímica y oxidación a altas temperaturas. La corrosión electroquímica ocurre cuando los metales entran en contacto con agua y electrolitos, lo que conduce a la formación de productos de corrosión y al deterioro de la superficie. Este proceso puede resultar en pérdidas significativas de material y comprometer la integridad estructural de componentes críticos. Por otro lado, la oxidación a altas temperaturas se produce cuando los metales se exponen a cambios térmicos en presencia de oxígeno, generando óxidos que degradan el material y afectan su integridad, lo que puede provocar fallas catastróficas. Ambos fenómenos no solo incrementan los costos de mantenimiento, sino que también representan riesgos para la seguridad de las personas. Por lo tanto, es fundamental conocer los aspectos básicos de cómo se originan y cómo afectan a los materiales en diferentes escalas.
INTRODUCCIÓN
Los habitantes de naciones industrializadas vivimos en sociedades donde materiales metálicos son fundamentales, un ejemplo notorio es el acero que se emplea en diferentes tipos de construcciones como edificaciones, puentes, vehículos y motores, ver Figura 1. Otro tipo de aleaciones como las de aluminio son utilizadas para la construcción de aviones, envases de alimentos y dispositivos electrónicos. El cobre es otro ejemplo, donde, es común verlo en el conformado de tuberías y conectores eléctricos. Existen además una gran variedad de materiales de naturaleza metálica que se utilizan en aplicaciones electrónicas, como discos duros, circuitos impresos, entre otros. (1)
Figura 1. Uso del acero en estructuras y vehículo
Los metales se utilizan incluso para fabricar diferentes tipos de implantes médicos, como stents arteriales, placas quirúrgicas, tornillos y alambres, ver Figura 2. Los metales también se utilizan como monedas de uso cotidiano, en joyería, en monumentos históricos (como estatuas) y en objetos de arte. (1)
Figura 2. Uso de aleaciones metálicas (biomateriales) en aplicaciones médicas
Existen 85 metales en la tabla periódica, y todos presentan una cinética de degradación que depende del ambiente o medio al que estén expuestos. Por ende, todos los materiales (metálicos, cerámicos, poliméricos o compuestos) tienden a reaccionar con su entorno en diferentes grados y a diferentes velocidades. (1)
(1) ¿Qué es degradación?
La degradación de los materiales se refiere al proceso mediante el cual estos pierden sus propiedades iniciales debido a la exposición a diversas condiciones ambientales y mecánicas. (2) Esta degradación puede clasificarse según la naturaleza del material:
- a) Metálicos: En este grupo, la forma más común de degradación es la corrosión y oxidación a altas temperaturas, que ocurre cuando los metales reaccionan con el oxígeno y otros agentes ambientales, resultando en la pérdida de masa y deterioro de su estructura. (3)(4)
- b) Cerámicos: Los materiales cerámicos sufren principalmente degradación química, que puede ser causada por reacciones con líquidos o gases presentes en su entorno. Este tipo de degradación puede llevar a cambios en las propiedades mecánicas y térmicas del material. (3)(4)
- c) Poliméricos: Los polímeros experimentan una degradación fisicoquímica, que involucra cambios en su estructura a nivel molecular debido a la exposición a la luz, calor, humedad o agentes químicos. Esto puede resultar en la pérdida de flexibilidad, resistencia y otras características importantes. (3)(4)
- d) Compuestos: Estos materiales presentan una combinación de los mecanismos de degradación mencionados, dependiendo de los componentes que los conformen, ya que suconstitución puede estar basada en la combinación de dos o más materiales de diferente naturaleza. La interacción entre las diferentes fases puede influir en su comportamiento ante condiciones adversas. (3) (4)
Es importante destacar que el término «metal» abarca tanto elementos puros (Fe, Al, Cu, Zn, Sn, Ni, Ti, Pb, Mg, Ag, etc.) y aleaciones con propiedades metálicas, como el acero (Fe + C), latón (Cu + Zn) y bronce (Cu + Sn). Estos metales no se encuentran en estado puro en la naturaleza; no existen minas de hierro o aluminio metálico. En cambio, se hallan como minerales, generalmente en forma de óxidos (estado de oxidación) o sales. Esto significa que han cedido algunos de sus electrones más alejados del núcleo (formado por protones y neutrones) a los átomos no metálicos con los que forman el óxido o la sal. Para recuperar su estado metálico o elemental es necesario que se recuperen esos electrones, lo que implica que hay que proporcionarle energía. Ahora, para lograr esta hazaña a partir de estos minerales, es necesario emplear procesos electrometalúrgicos, hidrometalúrgicos o pirometalúrgicos, o una combinación de estos procesos, que normalmente requieren invertir energía (que puede ser en forma de calor) para transformar el mineral en metal. (2) (3)
No obstante, el problema es que al utilizar alguna fuente de energía para devolver los electrones a los átomos metálicos oxidados y transformarlos en metal, estos se encontrarán, a partir de ese momento, en un estado que no es termodinámicamente estable. Es decir, si en la naturaleza se encuentran formando compuestos de óxidos, es porque es así como les gusta estar; ese es su estado termodinámicamente estable. Por lo tanto, intentarán volver por todos los medios a su estado termodinámicamente estable (formando óxidos).
(2) Clasificación de la degradación en los metales
La degradación de los metales puede presentarse de diferentes formas, siempre dependiendo del medio en el que se encuentren expuestos y de las condiciones de servicio u operación. Por lo tanto, resulta más conveniente clasificarlo en dos grupos diferentes, según el mecanismo y la morfología de ataque que inducen en la degradación integral del material. (5) (6)
- 2.1 Clasificación en función del mecanismo cinético
La clasificación en función del mecanismo se compone en: Oxidación por Altas Temperaturas y Corrosión Electroquímica.
- 2.1.1 Oxidación por altas temperaturas Es un proceso donde la energía térmica (temperaturas ≥ a la temperatura de ablandamiento) ocasiona que los átomos se exciten a un nivel de energía superior y que, al combinarse con el oxígeno, forman óxidos. (7)
El proceso de oxidación de un metal puede escribirse como:
aM+(b/2) O2 = Ma Ob
Este proceso puede dividirse a su vez en varias etapas (Figura 3). Al iniciarse el contacto entre el metal y el oxígeno, se produce la absorción del O2 en una superficie metálica desnuda, formándose así una monocapa de óxido. A continuación, el oxígeno comienza a disolverse en el metal y sigue formando óxidos, aumentando así el espesor de la capa de óxido. No obstante, existe un límite donde ocurre un diferencial del coeficiente de expansión térmica de la capa del óxido formada con respecto al sustrato, originando la ruptura de la capa o formando microgrietas, cavidades y porosidades, que pueden afectar la integridad del material al ambiente expuesto. (7)
Figura 3. Proceso de formación de la capa de óxido: (a) Adsorción de oxígeno. (b) Disolución de oxígeno y nucleación de óxido. (c) Crecimiento de la película de óxido. (d) Formación de cavidades, porosidad y microgrietas. (e) Formación de una capa gruesa de óxido. Fuente: Wang, Ziyuan. Surface Modification of Bio-implantable Ti6Al4V Alloy for Enhanced Osseointegration and Antibacterial Capability
- 2.1.2 Corrosión electroquímica
Generalmente, esto no ocurre por la reacción química directa de un metal con el medio ambiente, sino a través de la operación de reacciones electroquímicas en las celdas. (1) En función de lo anteriormente expuesto, el modelo básico para explicar el comportamiento de este fenómeno se basa en la formación de celdas electroquímicas, que son reacciones heterogéneas sólido-líquido que transcurren por un mecanismo electroquímico. Estas celdas se constituyen por el ánodo, el cátodo, el electrolito y el conductor metálico. (1)
- a) El ánodo, es el electrodo donde se origina la reacción N°2 de oxidación química, lo que produce una pérdida de masa del metal como consecuencia de la generación de iones del metal que se corroe (8), como se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Ejemplo de la reacción anódica. Fuente: McCafferty,,E. 2010
- b) El cátodo, es el electrodo donde se origina la reacción N°3 de reducción química, lo que produce una ganancia de electrones captados provenientes de la migración desde el ánodo (8), como se muestra en la Figura 5
Figura 5. Ejemplo de la reacción catódica. Fuente: McCafferty,,E. 2010
- c) El electrolito, es el medio acuoso donde se conducen los iones del ánodo al cátodo. El electrolito puede contener otros elementos que podrían llevar a cabo la reducción en lugar de los iones metálicos. Comúnmente, esto ocurre con los elementos que incluyen iones de hidrógeno en la reacción N°4 y el oxígeno disuelto en la reacción N°5 de reducción del agua en solución no aireada. (8)
- d) El conductor metálico, se encarga de establecer la conexión eléctrica para que los electrones fluyan del ánodo hacia el cátodo.(8)
En función de lo descrito, los cuatro elementos deben estar presentes para que se produzca la corrosión. Para impedir o contener la corrosión, basta con eliminar uno de los cuatro. (5) (6)
Ahora, correlacionando los aspectos teóricos y asociándolos a circunstancias más específicas, el hierro y el acero se corroen en presencia de oxígeno y agua, pero si alguno de estas variables está ausente, generalmente no se producirá corrosión.
No obstante, es importante tener en cuenta que se puede presentar un incremento en la cinética de la corrosión de un metal inmerso en el agua, motivado a la variación de factores como el pH, velocidad del flujo del agua, movimiento del metal, variación de la temperatura, diferencial de oxígeno disuelto, la presencia de ciertas bacterias o por otros factores menos frecuentes. Por el contrario, la corrosión generalmente se retarda mediante películas (o capas protectoras) formadas en el medio. (5) (6)
Afortunadamente, la velocidad de estos procesos (en condiciones ideales) es lo suficientemente lenta como para permitir el uso de materiales de construcción útiles. Solo las atmósferas inertes y el vacío pueden considerarse libres de corrosión para la mayoría de los materiales metálicos. (9)
Todos los metales estructurales se corroen en algún grado en entornos naturales. Sin embargo, los bronces, los latones, el zinc, los aceros inoxidables y el aluminio se corroen tan lentamente en las condiciones en las que se encuentran que se espera que se mantengan durante un largo período de tiempo sin protección. Un ejemplo es el acero, que puede no corroerse en aire seco; además, su cinética de corrosión resulta insignificante cuando la humedad relativa del aire es inferior al 30% a temperaturas normales o reducidas
2.1 Clasificación en función de su morfología de ataque (Daño)
En la clasificación según la morfología, se obtienen dos subgrupos principales: uniforme y localizada.
En la corrosión uniforme, el ataque se extiende homogéneamente sobre la superficie metálica, ocasionando que la penetración media es aproximadamente igual en todos los puntos. Cuando la corrosión se presenta de esta forma, existe una relación directa entre perdida de material, reducción de espesor y magnitud del fenómeno, haciendo más fácil que la estimación de vida útil en servicio. (6)
En la corrosión localizada, el ataque se origina en zonas preferenciales sobre la superficie del metal. Las consecuencias pueden ser mucho más severas que la corrosión uniforme porque es mucho más difícil de detectar y pequeñas cantidades de material consumido por corrosión.
localizada pueden significar una relativa gran pérdida de espesor en el material, pudiendo generar fallas en períodos más cortos. (6)
Las formas más frecuentes de corrosión son:
- a) Picadura: El ataque se limita a un área fija de la superficie metálica y ocurre debido a la rotura localizada de una película pasiva, generalmente por iones cloruro (6)(5) (10), ver Figura 6.
Figura 6. Picadura en una viga estructural revestida. Fuente: Propia
- b) Corrosión espacios confinados (crevice): Se origina por la formación de pilas de aireación diferencial en uniones, intersticio o zonas roscadas por consecuencia de la presencia de distintas presiones de oxígeno en diferentes zonas de la superficie metálica (6) (5) (9), ver Figura 7
Figura 7. Corrosión en espacio confinado. Fuente: Propia
- c) Agrietamiento por corrosión bajo tensión: Es la acción combinada de un esfuerzo aplicado o residual y un entorno químico que provocan el inicio y propagación de grietas sobre la superficie metálica (6)(5) (10), ver Figura 8.
Figura 8. Corrosión bajo tensión en un soporte tipo nuez para equipos de laboratorio. Fuente: Propia
- d) Atmosférica: Es un proceso electroquímico donde la humedad se deposita sobre la superficie metálica que actúa como un electrolito produciendo la corrosión, mencionado mecanismo depende de varios factores como la humedad relativa, temperatura de la superficie metálica y ambiente de exposición, entre otros (6) (5) (10), ver Figura 9.
Figura 9. Corrosión atmosférica en componente de acero. Fuente: Propia
- e) Galvánica: Se genera cuando dos metales con potenciales diferentes entran en contacto en exposición a una solución corrosiva o en atmosferas húmedas (6)(5) (10), ver Figura 10.
Figura 10. Corrosión galvánica en un elevador para laboratorio. Fuente: propia
- f) Intergranular: Se origina cuando el ataque se localiza en los límites de grano de la aleación, conllevando a una disminución de las propiedades mecánicas (6) (5) (10), ver Figura 11
Figura 11. Microestructura de un acero inoxidable que presenta corrosión intergranular Fuente: PHEMTYCS Website
- g) Corrosión filiforme: Se refiere a un tipo de corrosión que puede ocurrir debajo de la capa de pintura o recubrimiento en la superficie del acero, se caracteriza por la formación de filamentos delgados y serpentinos que se extienden debajo del recubrimiento, causados por la presencia de humedad y otros factores ambientales. La corrosión filiforme puede comprometer la integridad del recubrimiento y eventualmente dañar el acero si no se trata adecuadamente (6) (5) (10), ver Figura 12.
Figura 11. Microestructura de un acero inoxidable que presenta corrosión intergranular Fuente: PHEMTYCS Website
- h) Corrosión por bacteria: Es un proceso en el que ciertos tipos de bacterias pueden causar daño y deterioro en materiales metálicos, como tuberías, tanques y estructuras, debido a la producción de sustancias químicas corrosivas como ácidos y sulfuros. Esto puede resultar en la pérdida de integridad estructural y la disminución de la vida útil de los materiales afectados (6)(5) (10), ver Figura 13.
Figura 13. Corrosión por bacterias, donde, se aprecia biofilms en el acero estructural. Fuente: propia
- 3 Importancia del estudio de la cinética de degradación en materiales metálicos
Hay cuatro razones principales para estudiar la corrosión (1) (3). Tres de ellas se basan en cuestiones sociales relacionadas con:
I La vida y la seguridad humanas.
II El coste de la corrosión.
III La conservación de la integridad de los materiales.
IV La corrosión es un fenómeno inherentemente difícil de comprender, y su estudio es en sí mismo una actividad desafiante e interesante.
Por esta razón, una falla prematura en puentes o estructuras debido a la corrosión puede resultar en lesiones humanas o incluso en la pérdida de vidas. De igual manera, la falla de equipos en funcionamiento puede tener consecuencias igualmente desastrosas. (9) (3)
Además, solo en los Estados Unidos se estima que el costo anual por corrosión oscila entre 9,000 y 90,000 millones de dólares. Esta estimación incluye la corrosión atribuida a procesos químicos, corrosión en puentes causada por productos químicos para descongelar la estructura en invierno, corrosión atmosférica de vallas de acero. Aunado a la corrosión atmosférica en diversas estructuras de exteriores como edificios, puentes, torres, automóviles y barcos, así como otras innumerables aplicaciones expuestas al ambiente atmosférico. (3)
En adición a lo anterior, el costo por protección contra la corrosión atmosférica puede alcanzar aproximadamente el 50% del costo total de todos los métodos de protección contra la corrosión existentes, denotando la gran importancia de estudio y seguimiento de los fenómenos de corrosión para su mitigación. (3)
En los próximos, artículos profundizaremos detalladamente en cada fenómeno de corrosión y sus posibles formas de mitigarlos.
CONCLUSIÓN
La degradación de materiales metálicos, especialmente a través de la corrosión electroquímica y la oxidación a altas temperaturas, representa un fenómeno crítico que afecta la durabilidad y funcionalidad de estructuras y componentes. La corrosión electroquímica ocurre cuando los metales interactúan con el agua y otros electrolitos, mientras que la oxidación a altas temperaturas se produce en ambientes donde los metales están expuestos a temperaturas elevadas y agentes oxidantes.
Estos procesos de degradación son fundamentales de abordar, ya que pueden provocar fallas catastróficas en infraestructuras y equipos, resultando en altos costos de reparación y mantenimiento. Además, prevenir la corrosión y la oxidación es esencial para reducir los riesgos de seguridad y salvaguardar la integridad de las personas que interactúan con estos materiales.
Implementar estrategias efectivas para minimizar estos fenómenos no solo ayuda a prolongar la vida útil de los materiales metálicos, sino que también contribuye a disminuir los costos operativos y mejorar la seguridad en diversas aplicaciones industriales y estructurales.
REFERENCIAS
- McCafferty, E. Introduction to Corrosion Science. New York : Springer, 2010.
- Carranza, Ricardo Mario, Duffó, Gustavo Sergio and Farina, Silvia. Nada es para siempre; Química de la degradación de los materiales. Buenos Aires, Argentina : Instituto Nacional de Educación Tecnológica, 2010. ISBN 978-950-00-0749-8.
- Schweitzer, Philip A. Corrosion Engineering Handbook Fundamentals of Metallic Corrosion. s.l. : CRC Press. Taylor and Francis Group, LLC, 2007.
- —. Fundamentals of Corrosion, Mechanisms, Causes and Preventative Methods. s.l. : CRC Press. Taylor and Francis Group, 2010.
- Fontana, Mars G. Corrosion Engineering. s.l. : Mc Graw-Hill.
- Otero, Enrique H. Corrosión y Degradación de Materiales. Madrid. España : SINTESIS, 2012.
- Wang, Ziyuan. Surface Modification of Bio-implantable Ti6Al4V Alloy for Enhanced Osseointegration and Antibacterial Capability. Department of Mechanical Engineering, University of Manitoba. Winnipeg, Manitoba : s.n., 2014.
- Uhlig, Herbert H. Corrosión y Control de Corrosión. [trans.] Eduardo Aguilar. Nueva York : URMO, 1970.
- Committee on Research Opportunities in Corrosion Science and Engineering. Research Opportunities In Corrosion Science And Engineering. Washington, D.C. : THE NATIONAL ACADEMIES PRESS, 2011. ISBN 13: 978-0-309-16286-9.
- Bahadori, Alireza. Corrosion and Materials Selection. [ed.] WILEY. Australia : s.n., 2014. ISBN: 9781118869222.
