PMT 2100 - Slide Aula 15 - 2008, Notas de aula de Engenharia Civil

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais CORROSÃO E DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia 2º semestre de 2008 (versão 2007) PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 2 CICLO DE VIDA DOS MATERIAIS DE ENGENHARIA PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 5 CUSTOS DIRETOS • CUSTOS CORRETIVOS (Cdc) ­ reparos ­ reposição de material • CUSTOS PREVENTIVOS (Cdp) ­ revestimentos (pintura e outros) ­ material resistente à corrosão ­ proteção catódica ­ inibidores de corrosão ­ desumidificação de armazém ­ superdimensionamento PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 6 CUSTOS INDIRETOS (Cin) ­ interrupção de produção ­ perda de materiais ­ perda de eficiência ­ contaminação de produtos PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 7 CUSTO DA CORROSÃO • Custos totais (Ct) de 3 a 4% do PNB • Custos evitáveis: 15­30 % de Ct • no Brasil: PNB ∼ US$ 644 bilhões (em 2005) • Ct = US$ 19­26 bilhões/ano • Custos evitáveis estimados: ∼ US$ 5 bilhões/ano   PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 10Corrosão e degradação dos materiais Para  os  três  tipos  de  materiais  de  engenharia,  os  mecanismos  de  deterioração  são  diferentes: • Metais: a deterioração ocorre pela dissolução do material, com ou sem a formação de  produtos sólidos (óxidos, sulfetos, hidróxidos). Esse fenômeno é denominado corrosão.  A  deterioração  também  pode  ocorrer  pela  reação  em  atmosferas  a  alta  temperatura,  formando  camadas  de  óxidos.  Esse  fenômeno  se  chama  oxidação.  Ambos  são  processos eletroquímicos. •Cerâmicas: a deterioração (que também pode ser chamada corrosão)  ocorre somente  em temperaturas elevadas ou em ambientes muito agressivos. Estes materiais são muito  resistentes à deterioração. •  Polímeros:  os  mecanismos  de  deterioração  são  diferentes  daqueles  dos  metais  e  cerâmicas,  mencionados  acima.  A  deterioração  deste  tipo  de  material  é  denominada  degradação. Alguns tipos de solventes líquidos podem provocar dissolução ou expansão  (quando  o  solvente  é  absorvido  pelo  polímero)  nos  polímeros.  Podem  também  ocorrer  alterações  na  estrutura  molecular  dos  polímeros  pela  exposição  a  radiações  eletromagnéticas (luz, raios­X,...) ou calor. PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 11 PRINCIPAIS REAÇÕES EM CORROSÃO  • ANÓDICAS:  • dissolução via íon aquoso:  ze+→ +2FeFe   • passivação:  e6H6OCrOH3+Cr2 +322 ++→   • dissolução via íon hidrolizado:  e2H4AlOOH2+Al +­222 ++→   e2H3Fe(OH)O3HFe ­32 ++→+ +   • CATÓDICAS:  • redução do hidrogênio:  H H+ 2+ →e 12  (gás)  • redução do oxigênio:  O H O + 4 OH2 2 ­+ →2 4e   PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 12 Processo corrosivo • Um processo corrosivo consiste na  ocorrência simultânea de pelo menos  uma reação anódica e de pelo menos  uma reação catódica. A carga elétrica  produzida na reação anódica é  totalmente absorvida pela reação  catódica. •  Se a solução é uma boa condutora, o  metal que sofre corrosão assume um  potencial de eletrodo, que é chamado  potencial de corrosão. • Obs.: potencial de eletrodo =  potencial medido com relação a um  eletrodo de referência, como, p.ex., o  eletrodo padrão de hidrogênio ou o  eletrodo de calomelano saturado  (ECS) (eletrodo de referência  secundário) e2ZnZn 2 +→ +     gás)(H2H2 2→+ + e   PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 15 Diagrama de Pourbaix para o sistema Fe­H2O a 25oC e concentrações  iônicas de 10­6 M (potencial de eletrodo medido com relação ao eletrodo  padrão de hidrogênio) • A partir do diagrama de  Pourbaix é possível prever  possíveis estratégias de  proteção contra a corrosão. • Assim, para o ferro  sofrendo corrosão no ponto  A do diagrama, pode­se  aplicar as seguintes  proteções: – Diminuição do potencial de  corrosão para < ­0,62 V: o  Fe ficará na região de  imunidade (proteção  catódica). – Aumento do potencial de  corrosão para > 0,4 V: o Fe  se passivará (proteção  anódica). – Aumento de pH para acima  de 7: o Fe se passivará. As linhas tracejadas correspondem ao  equilíbrio das reações de redução do oxigênio  (superior) e do hidrogênio (inferior) PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 16 Proteção Catódica (a) de tubulação subterrânea com a utilização de anodos de sacrifício (de magnésio), e  (b)  de  tanque  subterrâneo  com  o  uso  de  corrente  impressa.  Nos  dois  casos  o  potencial  de  eletrodo  da  estrutura  sendo  protegida  é  levado  para  a  região  de  imunidade (ponto 1 no diagrama de Pourbaix). PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 17Prevenção da Corrosão com Revestimento  Metálico Anódico  Um revestimento de zinco aplicado sobre aço confere­lhe proteção  por  barreira  e,  além  disso,  protege  o  aço  exposto  em  pequenas  falhas pelo mecanismo de proteção catódica. PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 20 Corrosão localizada • Corrosão por pite: Ocorre em metais passivos na  presença de íons cloreto. Os íons cloreto rompem  localmente a película passiva e evitam a  repassivação do metal. Como as condições são de  estagnação no interior do pite, forma­se aí uma  solução ácida, o que possibilita um rápido  crescimento do pite para o interior do material, por  um mecanismo semelhante ao da corrosão  galvânica.  • Corrosão em fresta: Ocorre em  frestas nas quais a solução  consegue penetrar. As condições  estagnadas e o empobrecimento em  oxigênio favorecem o enriquecimento  em íons cloreto, os quais acabam  rompendo a película passiva. Passa­ se então a ter um mecanismo  semelhante ao da corrosão por pite. PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 21 Corrosão intergranular A corrosão intergranular ocorre nos contornos de grão. Por causa deste tipo  de corrosão, uma amostra pode se desintegrar pelo desprendimento dos  grãos. Nos aços inoxidáveis ela é causada pela precipitação de carbonetos  de cromo nos contornos de grão, a qual provoca empobrecimento em  cromo nas regiões vizinhas (sensitização).  Com o teor de cromo atingindo  teores inferiores a 12%, a  passividade dessas regiões fica  comprometida, e o aço sofre  dissolução seletiva.  Nas ligas Al­Mg a corrosão intergranular é devida à precipitação no contorno  de grão de Mg2Al3 que é anódico com relação à liga. É este composto que é  corroído preferencialmente, por um processo de corrosão galvânica.  PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 22Corrosão associada a tensões mecânicas Corrosão sob tensão (CST) : causada pela ação  simultânea de: (1) tensões de tração (aplicadas  e/ou residuais) e (2) meio corrosivo (específico). A  CST provoca formação de trincas que podem levar  à ruptura do material. Na indústria de processos  químicos ela é uma das principais causas de falhas  em serviço. Na micrografia é mostrada uma trinca  intergranular ramificada provocada por CST num  latão exposto à atmosfera amoniacal.   Erosão­corrosão : a ação combinada e simultânea de  ataque eletroquímico e da erosão leva a esse tipo de  degradação. A erosão se deve ao movimento  do  fluido. Quanto maior a sua velocidade, maior é o  dano provocado (o efeito passa a ser significativo  acima de 1,5 m/s).  Nas curvas o dano é maior,  devido ao aumento do atrito do fluido com a  superfície do metal. Figura ao lado mostra perfuração  por erosão­corrosão em um cotovelo que pertencia a  uma linha de condensação de vapor.    PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 25 Capacidade protetora de uma camada de óxido 0 0 ρ ρ=Φ M M aA A Índice de Pilling­ Bedworth (φ ) onde: AO é a massa molecular do óxido, a é o número de átomos do metal  (Me) em uma molécula de óxido, AM é a massa atômica do metal Me, e ρ O e ρ M são as densidades do óxido e do metal, respectivamente. Φ < 1:  óxido não protetor 1< Φ  < 2­3:  óxido protetor Φ  > 2­3: óxido não protetor  Quando um óxido MeaOb é formado a partir de um metal Me: ba2 OMO2 b aM →+ o índice de Pilling­Bedworth Φ  é dado pela relação: PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 26 Corrosão de materiais cerâmicos • Podemos  pensar  nos  materiais  cerâmicos  como  materiais  estáveis  em  relação  à  maior  parte  dos  mecanismos  de  corrosão  que  acabaram  de  ser discutidos. • Na  maioria  dos  meios,  esses  materiais  são  altamente  resistentes  à  corrosão. • Em  altas  temperaturas,  a  corrosão  desses  materiais  se  dá  através  de  processos de formação de fases vítreas e de dissolução.  • Ex.: corrosão de refratários usados em fornos de fusão de vidro (formação de  fases vítreas). • A  corrosão  por  dissolução  em  meios  ácidos  específicos  (HF,  por  exemplo)  ou  em  meios  alcalinos  é  favorecida,  principalmente  com  o  aumento da temperatura do sistema. • Na  temperatura  ambiente,  o  processo  de  degradação  de  vidros  não­ tratados  pode  se  iniciar  com  gotas  d’água  que  se  condensam  na  superfície  deles  (esse  fenômeno  é  conhecido  como  intemperismo).  Exemplo: imagem de santa formada no vidro de um casarão antigo, que  teve ampla divulgação na imprensa de São Paulo. PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2008 (versão 2007) 27Degradação de polímeros • A degradação dos materiais poliméricos ocorre por  processos físico­químicos.  • Ela pode ocorrer por: – Inchamento seguido de dissolução do polímero. Isto ocorre  quando o polímero está em contato com um líquido,  principalmente de natureza orgânica (querosene,  desengraxante, ...) – Ruptura (cisão) das ligações decorrente de radiação  eletromagnética (p.ex. luz), calor, agentes químicos (p.ex.  ozone) . Ocorre diminuição do peso molecular, o que afeta  negativamente as propriedades do polímero.  – Ação do clima (intemperismo) : combinação da ação de  agentes químicos (água, ácidos, ...) com radiação (luz) e  variação de temperatura.