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¿Qué son las aleaciones resistentes a la corrosión? Definición

Las aleaciones resistentes a la corrosión, como su nombre lo indica, son aleaciones con mayor resistencia a la corrosión. Algunos metales y aleaciones ferrosos y muchos no ferrosos se utilizan ampliamente en entornos corrosivos.

bronce de aluminioLas aleaciones resistentes a la corrosión, como su nombre lo indica, son aleaciones con mayor resistencia a la corrosión. Algunos metales y aleaciones ferrosos y muchos no ferrosos se utilizan ampliamente en entornos corrosivos. En todos los casos, depende en gran medida de cierto entorno y otras condiciones. Las aleaciones resistentes a la corrosión se utilizan para tuberías de agua y muchas aplicaciones químicas e industriales. En el caso de las aleaciones ferrosas, hablamos de aceros inoxidables y, en cierta medida, de fundiciones. Pero algunas aleaciones no ferrosas resistentes a la corrosión exhiben una notable resistencia a la corrosión y, por lo tanto, pueden usarse para muchos propósitos especiales. Hay dos razones principales por las que se prefieren los materiales no ferrosos a los aceros y aceros inoxidables para muchas de estas aplicaciones. Por ejemplo, muchos de losLos metales y aleaciones no ferrosos poseen una resistencia a la corrosión mucho mayor que los aceros aleados y los grados de acero inoxidable disponibles. En segundo lugar, una alta relación resistencia-peso o una alta conductividad térmica y eléctrica pueden proporcionar una clara ventaja sobre una aleación ferrosa.

Composición de aleaciones resistentes a la corrosión

Tipos de aleaciones resistentes a la corrosión

Cuatro metales no ferrosos comunes que se utilizan por sus propiedades de resistencia a la corrosión bien documentadas son:

  • Hélice Nibral (bronce de níquel aluminio) Fuente: generalpropeller.com
    Hélice Nibral (bronce de níquel aluminio) Fuente: generalpropeller.com

    Cobre. El cobre no reacciona con el agua, pero reacciona lentamente con el oxígeno atmosférico para formar una capa de óxido de cobre marrón-negro que, a diferencia del óxido que se forma en el hierro en el aire húmedo, protege el metal subyacente de una mayor corrosión (pasivación). Las aleaciones de cobre-níquel y el  bronce de aluminio  demuestran una resistencia superior a la corrosión del agua salada. Por ejemplo, los cuproníquel son aleaciones de cobre y níquel que contienen típicamente de 60 a 90 por ciento de cobre y níquel como principal elemento de aleación. Las dos aleaciones principales son 90/10 y 70/30. También pueden contener otros elementos de refuerzo, como manganeso y hierro. Cuproníquel tienen una excelente resistencia a la corrosión causada por el agua de mar. A pesar de su alto contenido de cobre, el cuproníquel es de color plateado. La adición de níquel al cobre también mejora la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión, pero se conserva una buena ductilidad. Los cuproníquel se pueden utilizar en muchas aplicaciones marinas, como las hélices y los ejes de las hélices. Dado que las aleaciones de cuproníquel tienen una resistencia inherente al macrofouling, buena resistencia a la tracción, excelente ductilidad cuando se recocen, alta conductividad térmica y características de expansión, pueden usarse para intercambiadores de calor, como en los condensadores de turbinas de vapor, enfriadores de aceite, sistemas de enfriamiento auxiliares y pre-alta presión. -calentadores en centrales nucleares y de combustibles fósiles. Otro material resistente a la corrosión muy común es un bronce de aluminio, que tiene una excelente resistencia a la corrosión, especialmente en agua de mar y entornos similares, donde las aleaciones a menudo superan a muchos aceros inoxidables. Su excelente resistencia a la corrosión se debe al aluminio de las aleaciones, que reacciona con el oxígeno atmosférico para formar una capa superficial delgada y resistente de alúmina (óxido de aluminio) que actúa como barrera a la corrosión de la aleación rica en cobre. Se encuentran en forma forjada y fundida. Los bronces de aluminio suelen ser de color dorado. Los bronces de aluminio se utilizan en aplicaciones de agua de mar que incluyen:

    • Servicios generales relacionados con el agua de mar
    • Aspectos
    • Accesorios de tuberia
    • Bombas y componentes de válvulas
    • Intercambiadores de calor
  • superaleaciones - inconel - pala de turbinaNíquel. El níquel es un metal brillante de color blanco plateado con un ligero tinte dorado. El níquel es uno de los elementos de aleación más comunes. Aproximadamente el 65% de la producción de níquel se utiliza en aceros inoxidables. Debido a que el níquel no forma ningún compuesto de carburo en el acero, permanece en solución en la ferrita, fortaleciendo y endureciendo la fase de ferrita. Los aceros al níquel se tratan térmicamente fácilmente porque el níquel reduce la velocidad de enfriamiento crítica. Aleaciones a base de níquel (por ejemplo, aleaciones de Fe-Cr-Ni (Mo)) exhiben una excelente ductilidad y tenacidad, incluso a altos niveles de resistencia y estas propiedades se conservan hasta bajas temperaturas. El níquel y sus aleaciones son altamente resistentes a la corrosión en muchos ambientes, especialmente aquellos que son básicos (alcalinos). El níquel también reduce la expansión térmica para una mejor estabilidad dimensional. El níquel es el elemento base de las superaleaciones. Estos metales tienen una excelente resistencia a la deformación por fluencia térmica y conservan su rigidez, resistencia, tenacidad y estabilidad dimensional a temperaturas mucho más altas que los otros materiales estructurales aeroespaciales. Por ejemplo, Inconel es una marca registrada de Special Metals para una familia de superaleaciones austeníticas a base de níquel-cromo. Inconel 718 es unsuperaleación a base de níquel que posee propiedades de alta resistencia y resistencia a temperaturas elevadas. También demuestra una protección notable contra la corrosión y la oxidación. Inicialmente se desarrollaron para su uso en turbocompresores de motores de pistón de aviones. Hoy en día, la aplicación más común es en componentes de turbinas de aviones, que deben resistir la exposición a entornos muy oxidantes y altas temperaturas durante períodos de tiempo razonables.
  • El titanio. El titanio puro es más resistente que los aceros comunes con bajo contenido de carbono, pero un 45% más ligero. También es dos veces más fuerte que las aleaciones de aluminio débiles, pero solo un 60% más pesado. Las dos propiedades más útiles del metal son la resistencia a la corrosión y la relación fuerza-densidad, el más alto de cualquier elemento metálico. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperaturas normales es inusualmente alta. La resistencia a la corrosión del titanio se basa en la formación de una capa de óxido protectora estable. Aunque el titanio «comercialmente puro» tiene propiedades mecánicas aceptables y se ha utilizado para implantes ortopédicos y dentales, para la mayoría de las aplicaciones el titanio se alea con pequeñas cantidades de aluminio y vanadio, típicamente 6% y 4% respectivamente, en peso. Esta mezcla tiene una solubilidad sólida que varía drásticamente con la temperatura, lo que le permite experimentar un fortalecimiento por precipitación. Aleaciones de titanio son metales que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos. Estas aleaciones tienen una resistencia a la tracción y una tenacidad muy altas (incluso a temperaturas extremas). Son livianos, tienen una extraordinaria resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar temperaturas extremas. Por ejemplo, el titanio comercialmente puro de grado 2 es muy similar al grado 1, pero tiene mayor resistencia que el grado 1 y excelentes propiedades de conformado en frío. Proporciona excelentes propiedades de soldadura y tiene una excelente resistencia a la oxidación y la corrosión. Este grado de titanio es el grado más común de la industria del titanio comercialmente puro. Es la mejor opción para muchos campos de aplicaciones:
    • Aeroespacial
    • Automotor
    • Procesamiento químico y fabricación de clorato
    • Desalinización
    • Generación de energía
  • Aluminio. En general, las aleaciones de aluminio se caracterizan por una densidad relativamente baja (2,7 g/cm3 en comparación con 7,9 g/cm3 del acero), conductividades eléctricas y térmicas elevadas y resistencia a la corrosión en algunos entornos habituales, incluida la atmósfera ambiental. . Su resistencia a la corrosión depende en gran medida de cierta aleación. Por ejemplo, el duraluminio se debe a la presencia de cobre susceptible a la corrosión, mientras que la aleación 6061 permanece resistente a la corrosión incluso cuando la superficie está desgastada. A temperaturas más altas y en entornos agresivos, las aleaciones de aluminio tienen poca resistencia a la corrosión y también sufren de agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Aceros inoxidables: aleaciones ferrosas resistentes a la corrosión

Aunque estamos hablando principalmente de aleaciones resistentes a la corrosión no ferrosas, debemos mencionar los aceros inoxidables. Los aceros inoxidables se definen como aceros con bajo contenido de carbono con al menos un 10,5% de cromo con o sin otros elementos de aleación y un máximo de 1,2% de carbono en masa. Los aceros inoxidables, también conocidos como aceros inox o inox de francés inoxidables (inoxidables), son aleaciones de acero muy conocidas por su resistencia a la corrosión, que aumenta al aumentar el contenido de cromo. La resistencia a la corrosión también se puede mejorar mediante la adición de níquel y molibdeno.

tubo de acero inoxidableLos aceros inoxidables austeníticos tienen la mejor resistencia a la corrosión de todos los aceros inoxidables y tienen excelentes propiedades criogénicas y buena resistencia a altas temperaturas. Poseen una microestructura cúbica centrada en la cara (fcc) que no es magnética y se pueden soldar fácilmente. Esta estructura cristalina de austenita se logra mediante adiciones suficientes de los elementos estabilizadores de austenita níquel, manganeso y nitrógeno. El acero inoxidable austenítico es la familia más grande de aceros inoxidables y representa aproximadamente dos tercios de toda la producción de acero inoxidable.

La resistencia de estas aleaciones metálicas a los efectos químicos de los agentes corrosivos se basa en la pasivación. Para que se produzca la pasivación y permanezca estable, la aleación Fe-Cr debe tener un contenido mínimo de cromo de aproximadamente 10,5% en peso, por encima del cual puede producirse pasividad y por debajo del cual es imposible. La fuerza y ​​la resistencia a la corrosión del acero inoxidable a menudo lo convierten en el material de elección en equipos de transporte y procesamiento, piezas de motores y armas de fuego. La mayoría de las aplicaciones estructurales se producen en las industrias de la ingeniería química y energética, que representan más de la tercera parte del mercado de productos de acero inoxidable. La amplia variedad de aplicaciones incluye recipientes de reactores nuclearesintercambiadores de calor.

Corrosión bajo tensión

Uno de los problemas metalúrgicos más graves y uno de los principales problemas de la industria nuclear es el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC). El agrietamiento por corrosión por tensión resulta de la acción combinada de una tensión de tracción aplicada y un entorno corrosivo, ambas influencias son necesarias. El SCC es un tipo de corrosión por ataque intergranular que se produce en los límites del grano bajo tensión de tracción. Los aceros de baja aleación son menos susceptibles que los aceros de alta aleación, pero están sujetos a SCC en agua que contiene iones de cloruro. Sin embargo, las aleaciones a base de níquel no se ven afectadas por los iones cloruro o hidróxido. Un ejemplo de una aleación a base de níquel que es resistente al agrietamiento por corrosión bajo tensión es Inconel.

Propiedades de las aleaciones resistentes a la corrosión

Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.

Densidad de aleaciones resistentes a la corrosión

La densidad del bronce de aluminio típico es de 7,45 g/cm3 (UNS C95400).

La densidad de una superaleación típica es de 8,22 g/cm3 (Inconel 718).

La densidad de una aleación de titanio típica es de 4,51 g/cm3 (Grado 2).

La densidad de una aleación de aluminio típica es de 2,7 g/cm3 (aleación 6061).

La densidad del acero inoxidable típico es de 8,0 g/cm3 (acero 304).

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen. Es una  propiedad intensiva, que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico (kg/m3). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico (lbm/ft3).

Dado que la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia, es obvio que la densidad de una sustancia depende en gran medida de su masa atómica y también de  la densidad del número atómico  (N; átomos/cm3),

  • Peso atómico. La masa atómica es transportada por el núcleo atómico, que ocupa sólo alrededor de 10-12  del volumen total del átomo o menos, pero contiene toda la carga positiva y al menos el 99,95% de la masa total del átomo. Por lo tanto, está determinado por el número de masa (número de protones y neutrones).
  • Densidad del número atómico. La  densidad del número atómico  (N; átomos/cm3), que está asociada con los radios atómicos, es el número de átomos de un tipo dado por unidad de volumen (V; cm3) del material. La densidad del número atómico (N; átomos/cm3) de un material puro que tiene  un peso atómico o molecular  (M; gramos/mol) y la densidad del  material  (⍴; gramos/cm3) se calcula fácilmente a partir de la siguiente ecuación utilizando el número de Avogadro (NA = 6,022×1023  átomos o moléculas por mol):Densidad del número atómico
  • Estructura cristalina. La densidad de la sustancia cristalina se ve afectada significativamente por su estructura cristalina. La estructura de FCC, junto con su relativo hexagonal (hcp), tiene el factor de empaque más eficiente (74%). Los metales que contienen estructuras de FCC incluyen austenita, aluminio, cobre, plomo, plata, oro, níquel, platino y torio.

Propiedades mecánicas de las aleaciones resistentes a la corrosión

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

Resistencia de las aleaciones resistentes a la corrosión

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La máxima resistencia a la tracción del bronce de aluminio: UNS C95400 es de aproximadamente 550 MPa.

Resistencia máxima a la tracción de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1200 MPa.

La máxima resistencia a la tracción del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de aproximadamente 340 MPa.

La resistencia máxima a la tracción de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de aproximadamente 290 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del acero inoxidable – tipo 304 es de 515 MPa.

Resistencia a la fluencia - Resistencia máxima a la tracción - Tabla de materialesLa máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elasticidad

El límite elástico del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 250 MPa.

Límite elástico de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1030 MPa.

El límite elástico del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de aproximadamente 300 MPa.

El límite elástico de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de unos 240 MPa.

El límite elástico del acero inoxidable – tipo 304 es 205 MPa.

El  punto de fluencia  es el punto en una  curva de tensión-deformación  que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 110 GPa.

El módulo de Young de la superaleación: Inconel 718 es 200 GPa.

El módulo de Young del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de aproximadamente 105 GPa.

El módulo de Young de la aleación de aluminio 6061 es de aproximadamente 69 GPa.

El módulo de Young del acero inoxidable – tipo 304 y 304L es 193 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para es fuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza de las aleaciones resistentes a la corrosión

La dureza Brinell del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 170 MPa.

La dureza Brinell de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 330 MPa.

La dureza Rockwell del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de aproximadamente 80 HRB.

La dureza Brinell de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de aproximadamente 95 MPa.

La dureza Brinell del acero inoxidable – tipo 304 es de aproximadamente 201 MPa.

Número de dureza Brinell

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.

Propiedades térmicas de las aleaciones resistentes a la corrosión

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad caloríficala expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión de las aleaciones resistentes a la corrosión

El punto de fusión del bronce de aluminio – UNS C95400 es de alrededor de 1030°C.

Punto de fusión de la superaleación: el acero Inconel 718 es de alrededor de 1400°C.

El punto de fusión del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de alrededor de 1660°C.

El punto de fusión de la aleación de aluminio 6061 es de alrededor de 600°C.

El punto de fusión del acero inoxidable – acero tipo 304 es de alrededor de 1450°C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica de aleaciones resistentes a la corrosión

La conductividad térmica del bronce de aluminio – UNS C95400 es 59 W/(mK).

La conductividad térmica de la superaleación – Inconel 718 es 6,5 W/(mK).

La conductividad térmica del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de 16 W/(mK).

La conductividad térmica de la aleación de aluminio 6061 es de 150 W/(mK).

La conductividad térmica del acero inoxidable – tipo 304 es de 20 W/(mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica, k (o λ), medida en  W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

conductividad térmica - definición

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T). Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

References:
Ciencia de los materiales:

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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

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