Diseño de un Laboratorio Virtual de Ensayos Tecnológicos aplicado a Materiales Metálicos

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Mecánica Diseño de un Laboratorio Virtual de Ensayos Tecnológicos aplicado a Materiales Metálicos Autor: Elián Diez Arranz Tutor(es): Ana Cristina García Cabezón Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica Celia García Hernández Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica Valladolid, julio de 2023. Resumen En el presente Trabajo de Fin de Grado, desarrollado en el laboratorio de metalotecnia de la EII de la UVa, se ha dado continuidad a la propuesta llevada a cabo desde hace algunos años de crear laboratorios virtuales dedicados a la Ciencia e Ingeniería de los materiales. En este caso, se han creado los laboratorios virtuales de los ensayos tecnológicos de corrosión y desgaste. Para la digitalización se ha creado una página web en la que se engloban una serie de ensayos tecnológicos de corrosión y desgaste, todos ellos con un texto y un video explicativo de los equipos necesarios, procedimientos y resultados que se pueden obtener de cada uno de ellos. Además, para completar la página web se ha desarrollado una prueba de autoevaluación para que el alumno pueda comprobar el nivel de aprendizaje adquirido en los ensayos tecnológicos donde se indican las respuestas correctas, incorrectas y los comentarios explicativos de cada una de las preguntas para aclarar o afianzar conceptos. Palabras clave: Laboratorio virtual; Ensayos Tecnológicos; Corrosión; Desgaste; Plataforma web. Abstract In this Final Degree Project, developed at the metallography laboratory of the EII in UVa, it has proceeded to the continuation of the proposal carried out since few years of creating a virtual laboratory dedicated to the materials science and engineering. In this case it has been created the virtual laboratories of technological test of corrosion and wear. For the digitized, it has created a web site where there are a part of this tecnológicas test, all of them with and explicative text and video which we may find the necessary tolls, methods y results that he may get from each one of this tests. Furthermore, to complete the web site it has developed an self-evaluation test which the student may prove his or her learning about technological test and which it shows correct and wrong answers and also some explicative commentaries of each cuestions with the purpose of clarify or strengthen the most important concepts. Keywords: Virtual laboratory; Technological test; Corrosion; Wear; Web platform. Contenido 1.-Introducción ............................................................................................................................. 1 2.-Objetivos ................................................................................................................................... 3 3.-Justificación del proyecto ........................................................................................................ 4 4.- Fundamentos teóricos ............................................................................................................ 5 4.1.-La importancia de la corrosión ........................................................................................ 5 4.1.1-Clasificación de la corrosión ...................................................................................... 5 4.2.-El desgaste de los materiales ........................................................................................ 21 4.2.1-Rozamiento de deslizamiento ................................................................................. 21 4.2.2-Rozamiento de rodadura ......................................................................................... 23 4.2.3-Tipos de desgaste .................................................................................................... 24 4.2.4-Lubricación de los materiales ................................................................................. 28 4.3- Ensayos de corrosión ..................................................................................................... 30 4.3.1- Ensayo de cámara de niebla salina (Normas ASTM B287 y B368) ..................... 30 4.3.2- Ensayo de oxidación ................................................................................................ 36 4.3.3- Ensayo de potencial a circuito abierto (OCP) ........................................................ 39 4.3.4- Ensayo de polarización anódica (Norma ASTM G5) .............................................. 44 4.4.-Ensayos de desgaste ...................................................................................................... 49 4.4.1- Representación e interpretación de los ensayos de desgaste ............................ 51 4.4.2- Ensayo de desgaste circular seco (Norma ASTM G99) ........................................ 51 4.4.3- Ensayo de desgaste circular lubricado (Norma ASTM G99) ................................. 57 5.- Desarrollo del TFG ................................................................................................................ 64 5.1- Desarrollo de los textos explicativos ............................................................................. 64 5.2- Desarrollo del contenido audiovisual ............................................................................ 65 5.2.1- Desarrollo de videos explicativos ........................................................................... 65 5.2.2- Desarrollo de la página web ................................................................................... 66 5.3- Desarrollo de la prueba de autoevaluación .................................................................. 69 6.-Conclusiones .......................................................................................................................... 73 7.- Líneas futuras de trabajo ..................................................................................................... 74 8.- Bibliografía ............................................................................................................................ 75 Índice de Figuras. Figura 1: Ejemplo de corrosión uniforme. .................................................................................. 6 Figura 2: Esquema representativo de la corrosión uniforme. .................................................. 6 Figura 3: Ejemplo de corrosión selectiva. .................................................................................. 7 Figura 4: Imagen obtenida mediante microscopia electrónica de barrido mostrando el ataque selectivo sobre la ferrita en un acero hipoeutectoide. ................................................. 7 Figura 5: Descincificación del latón. ........................................................................................... 7 Figura 6: Reacciones producidas en la descincifiación del latón. ........................................... 8 Figura 7: Picadura en tubería de acero galvanizado. ............................................................... 8 Figura 8: Cambio en el potencial de inicio de picaduras en circonio en contacto con soluciones acidas conteniendo distintos halogenuros. ........................................................... 10 Figura 9: Cambio en el potencial de picadura del acero inoxidable austenítico al modificarse la concentración del anión agresivo..................................................................... 10 Figura 10: Variación del potencial de picadura del acero inoxidable austenítico en función de los aleantes presentes y de su contenido ........................................................................... 11 Figura 11: Corrosión en resquicio localizado en una arandela situada debajo de la cabeza de un tornillo de acero inoxidable austenítico ......................................................................... 11 Figura 12: Representación esquemática mostrando la concentración localizada de catión metálico, protones y anión cloruro en el interior del resquicio .............................................. 12 Figura 13: Carburos de cromo precipitados en el límite de grano de la austenita en acero inoxidable ................................................................................................................................... 13 Figura 14: a) Representación esquemática de la precipitación de carburos en borde de grano. b) Perfil de concentración de cromo en la zona próxima al carburo. ......................... 13 Figura 15: Imagen del borde de 3 granos con precipitación de carburos ............................. 14 Figura 16: Imagen del borde de grano con precipitación de carburos por calentamiento de acero inoxidable austenítico de grano grueso. ........................................................................ 15 Figura 17: Rotura intergranular en la proximidad de un cordón de soldadura de un acero inoxidable austenítico. ............................................................................................................... 15 Figura 18: Rotura intergranular en acero al carbono provocada por corrosión bajo tensión. ..................................................................................................................................................... 16 Figura 19: Rotura transgranular en bronce por corrosión bajo tensión ................................ 16 Figura 20: Representación de la matriz metálica en la que la concentración de vacantes es mayor de la que habría en el equilibrio. ................................................................................... 18 Figura 21: Representación esquemática de los distintos tipos de corrosión de acuerdo con la morfología del ataque. ........................................................................................................... 18 Figura 22: Representación esquemática de la superficie de un material metálico mostrando zonas con distinto potencial electroquímico (pilas de corrosión). ....................... 19 Figura 23: Representación esquemática del proceso de corrosión electroquímica para un metal divalente. .......................................................................................................................... 19 Figura 24: Representación de un proceso de corrosión electroquímica................................ 20 Figura 25: Reacción presente en la corrosión seca (oxidación). ............................................ 20 Figura 26: Esquema de dos superficies rugosas en contacto y sus áreas de contacto. ...... 21 Figura 27: Esquema del mecanismo de fricción por adhesión. ............................................. 22 Figura 28: Esquema del mecanismo de fricción por deformación. ....................................... 22 Figura 29: Esquema representativo de la fricción por rodadura. ........................................... 23 Figura 30: Desgaste adhesivo entre superficies. ..................................................................... 24 Figura 31: Representación de desgaste abrasivo de dos cuerpos (superior) y de tres cuerpos (inferior). ....................................................................................................................... 25 Figura 32: Representación del desgaste por fatiga de superficies en contacto. .................. 25 Figura 33: Imagen de desgaste por fatiga en un rodamiento de cilindros ............................ 26 Figura 34: Rodamiento desgastado por corrosión. ................................................................. 26 Figura 35: Desgaste por erosión de partículas en una turbina Pelton. ................................. 27 Figura 36: Desgaste por cavitación en la hélice de una turbina. ........................................... 27 Figura 37: Representación del funcionamiento de la lubricación hidrodinámica ................ 28 Figura 38: Representación del funcionamiento de la lubricación elastohidrodinámica (EHL). ..................................................................................................................................................... 29 Figura 39: Lubricación mixta..................................................................................................... 29 Figura 40: Lubricación marginal ............................................................................................... 30 Figura 41: Cámara de niebla salina. ......................................................................................... 31 Figura 42: Depósito en el que se almacena la disolución salina. .......................................... 32 Figura 43: Probeta de acero electrocincado colgada en un soporte dentro de la cámara de niebla salina antes de comenzar el ensayo. ............................................................................ 33 Figura 44: Vista superior de la cámara de niebla salina desde donde podemos ver el canal lateral, los soportes, los capilares y el difusor encargado de la generación de la niebla. .... 33 Figura 45: Panel de control de la cámara de niebla salina. .................................................... 34 Figura 46: Ejemplo de pieza de acero electrocincado antes de ser ensayado en cámara de niebla salina. .............................................................................................................................. 35 Figura 47: Probeta de acero electrocincado ensayada durante 40 horas en cámara de niebla salina. .............................................................................................................................. 35 Figura 48: Probeta de acero al carbono pintada y ensayada en cámara de niebla salina durante 40 horas. ...................................................................................................................... 36 Figura 49 Probeta de cobre ensayada durante 40 horas en cámara de niebla salina. ........ 36 Figura 50: Horno para ensayo de oxidación. ............................................................................ 37 Figura 51: Probeta a ensayar en etanol para ser limpiada. .................................................... 38 Figura 52:Probeta antes (a) y después (b) de ser ensayada................................................... 38 Figura 53: Resultados obtenidos del ensayo de corrosión. .................................................... 39 Figura 54: Potenciostato con el que se realizan los ensayos de potencial a circuito abierto y de polarización anódica. ............................................................................................................ 39 Figura 55:Diferencia entre una celda (a) y una minicelda (b) ................................................. 40 Figura 56: Electrodo de referencia de Ag|AgCl. ....................................................................... 41 Figura 57: Probeta preparada para ser ensayada. .................................................................. 41 Figura 58: Interfaz de usuario para la realización del ensayo de potencial a circuito abierto. ..................................................................................................................................................... 42 Figura 59: Placa calefactora para ensayos termostatados. .................................................... 42 Figura 60:Bomba peristáltica para ensayos termostatados. .................................................. 43 Figura 61: Ensayos de potencial a circuito abierto realizados a diferentes materiales en un medio salino. .............................................................................................................................. 44 Figura 62: Ejemplo de diagrama de Evans ............................................................................... 45 Figura 63: Contraelectrodos. Barra de grafito y placa de platino. .......................................... 45 Figura 64: Celda electroquímica convencional realizando ensayo de polarización anódica.46 Figura 65: Interfaz de usuario para la realización del ensayo de polarización anódica. ...... 47 Figura 66: Diferentes diagramas de Evans obtenidos de probetas con diferentes recubrimientos. .......................................................................................................................... 48 Figura 67: Punto de equilibrio obtenido gracias a la aproximación de Tafel. ........................ 48 Figura 68: Vista lateral de la máquina de ensayos "MicroTest Tribómetro”. ......................... 49 Figura 69: Vista frontal de la máquina de ensayos "MicroTest Tribómetro”. ......................... 50 Figura 70: Curva de desgaste en función de la distancia de deslizamiento. [9] ................... 51 Figura 71: Representación ensayo Pin-on-disk. ....................................................................... 52 Figura 72: Bolas o pines de diferentes diámetros (3 y 6 mm) y diferentes materiales (acero y alúmina). .................................................................................................................................. 52 Figura 73: Pesos colocados en el porta-pines. ........................................................................ 53 Figura 74: Bola de alúmina desgastada. .................................................................................. 53 Figura 75: Disco giratorio para ensayo de desgaste circular seco. ........................................ 54 Figura 76: Horquillas y tornillos de fijación. ............................................................................. 54 Figura 77: Ejemplo de la parametrización del ensayo dentro del software. .......................... 55 Figura 78: Huella circular en probeta desgastada mediante un ensayo de desgaste circular seco. ............................................................................................................................................ 55 Figura 79: Ejemplo de gráficas obtenidas por el software a la vez que se está realizando el ensayo de desgaste circular seco (en naranja la penetración y en azul el coeficiente de rozamiento, ambos en función de la distancia de deslizamiento). ........................................ 57 Figura 80: Sistema de lubricación para el ensayo de desgaste circular lubricado. .............. 58 Figura 81: Manguera de lubricación para el ensayo de desgaste circular lubricado. ........... 58 Figura 82: Situación con acumulación de lubricante después de un cierto periodo de ensayo. ........................................................................................................................................ 59 Figura 83: Disco giratorio para el ensayo de desgaste circular lubricado. ............................ 60 Figura 84: Ejemplo de la parametrización del ensayo dentro del software. .......................... 60 Figura 85: Situación una vez finalizado un ensayo de desgaste circular lubricado. ............. 61 Figura 86: Ejemplo de gráficas obtenidas por el software a la vez que se está realizando el ensayo de desgaste circular lubricado (en naranja la penetración y en azul el coeficiente de rozamiento, ambos en función de la distancia de deslizamiento). ........................................ 62 Figura 87: Comparativa de huellas en probetas entre desgaste circular seco y desgaste circular lubricado. ....................................................................................................................... 63 Figura 88: Ejemplo de texto explicativo abierto desde la página web del laboratorio virtual. ..................................................................................................................................................... 64 Figura 89: Interfaz de usuario del editor de video. .................................................................. 65 Figura 90: Primer paso dentro de la interfaz de usuario de Jimdo......................................... 66 Figura 91: Primera página web sin editar. ............................................................................... 67 Figura 92: Inicio del sitio web creado. ...................................................................................... 68 Figura 93: Ejemplo de diapositiva explicativa dentro de la corrosión. ................................... 68 Figura 94: Espacio de la página dedicada al desgaste que introduce el enlace a los ensayos de desgaste. ............................................................................................................................... 69 Figura 95: Pantalla principal de la aplicación Google Forms. ................................................. 70 Figura 96: Plantillas propuestas por Google Forms. ................................................................ 70 Figura 97: Ejemplo de programación de pregunta en Google Forms. .................................... 71 Figura 98: Ejemplo de respuesta correcta en la prueba de autoevaluación. ........................ 71 Figura 99: Ejemplo de respuesta incorrecta en la prueba de autoevaluación. .................... 72 1 1.-Introducción El presente Trabajo Fin de Grado (en adelante TFG) se ha realizado durante los meses de marzo a junio de 2023 dentro del Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, en el laboratorio de metalotecnia de la Escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad de Valladolid. En este TFG se ha creado una plataforma on-line dedicada a un Laboratorio Virtual de Ciencia e Ingeniería de Materiales que será útil para los alumnos de Grado en el ámbito de la Ingeniería Industrial. Concretamente, se centra en el desarrollo de Ensayos Tecnológicos de desgaste y corrosión aplicados al Control de Calidad de Materiales de interés industrial. Los ensayos tecnológicos son, en general, procesos instrumentales ejecutados mediante metodologías arbitrariamente aceptadas como referentes o desarrollados “ad hoc”, que ponen de manifiesto diversas características asociadas al comportamiento en la fabricación o en el servicio, de los materiales industriales. Todo ello realizado de mutuo acuerdo entre proveedor y cliente, con arreglo a una normativa general o a un procedimiento particular de ensayo y evaluación. Anteriormente, en el Departamento, se han desarrollado otros laboratorios virtuales sobre Caracterización Microestructural, Ensayos Mecánicos y Ensayos No Destructivos (END). Con este trabajo se espera diseñar un material docente de fácil acceso para el estudiante que le permita adquirir conocimientos y habilidades relevantes en las asignaturas de Ciencia de Materiales y de Ingeniería de Materiales. El material docente de carácter práctico e innovador al que tendrá acceso el alumno se espera que mejore el proceso de enseñanza-aprendizaje a partir de un mayor conocimiento y una mejor comprensión de técnicas y ensayos tecnológicos que nos permitan conocer cómo se comportan los materiales ante los diferentes procesos de corrosión y desgaste a los que son sometidos a nivel industrial, así como predecir los posibles problemas de comportamiento en servicio que pueden surgir durante su uso industrial. Por otro lado, dado el elevado número de alumnos que se matriculan anualmente en las asignaturas mencionadas, además de las limitaciones de espacio y tiempo para realizar ensayos de laboratorio sobre diferentes materiales, se hace imprescindible la creación de nuevos recursos didácticos que complementen y ayuden al aprendizaje, a la vez que dota al alumno de mayor autoconfianza a la hora de realizar los ensayos en el laboratorio real, pero sin la intención de sustituir la impartición de los laboratorios de manera presencial. Con ello, se espera conseguir un modelo de enseñanza-aprendizaje más dinámico, agradable, atractivo y de mayor calidad, así como una intervención más activa del alumno, pues éste puede experimentar desde cualquier dispositivo digital, a cualquier hora y desde cualquier lugar haciendo el aprendizaje más accesible según sus necesidades mejorando su aprovechamiento de las prácticas. Además, también se pretende promover el trabajo autónomo del alumno, pero no eliminar el papel clave del profesor que llevará a cabo un seguimiento continuo del proceso de aprendizaje de los alumnos y les apoyará y proporcionará los recursos que precisen en cada momento. Estas prácticas tienen gran importancia ya que los ensayos tecnológicos, utilizados para evaluar si un material es útil para una determinada aplicación y para evaluar su 2 comportamiento en servicio, suponen una parte fundamental dentro de la industria. Además, los estudios de desgaste o de corrosión pueden llegar a suponer un gran ahorro en los costes que puede tener la industria. Para llevar a cabo la digitalización de estos ensayos, se ha decidido crear una página web en la que se han incorporado textos y videos explicativos de cada uno de los ensayos que conciernen a estas prácticas de laboratorio. Además, se realizará del mismo modo una prueba de autoevaluación con el fin de que el alumno compruebe el nivel de aprendizaje obtenido. 3 2.-Objetivos El objetivo principal de este TFG es la creación de un Laboratorio Virtual de Ensayos Tecnológicos de corrosión y desgaste que sea de utilidad para los alumnos de Ciencia de Materiales e Ingeniería de Materiales que cursan Grados del ámbito de la Ingeniería. En cuando a los objetivos específicos, se distinguen los siguientes: - Preparación metalográfica de muestras metálicas para realizar los diferentes ensayos. - Creación de material audiovisual de los ensayos de desgaste y corrosión. - Elaboración de material didáctico (textos explicativos y pruebas de autoevaluación) que acompañe a los diferentes vídeos que se incorporarán a la plataforma. - Aprendizaje y manejo de programas de edición de videos y creación de páginas web. Todo ello se llevará a cabo para crear una página web que sea didáctica, entretenida, intuitiva y de fácil navegación, con la finalidad de que el alumno se encuentre motivado a la hora de explorar el material didáctico disponible. 10 Figura 8: Cambio en el potencial de inicio de picaduras en circonio en contacto con soluciones acidas conteniendo distintos halogenuros. [1] • La concentración del anión: En general el potencial disminuye al aumentar la concentración del anión. Como se ve en la Figura 9, con concentraciones del 10% el potencial es significativamente menor que con concentraciones del 0,1%. [1,2] Figura 9: Cambio en el potencial de picadura del acero inoxidable austenítico al modificarse la concentración del anión agresivo. [1] • La composición del material metálico: Como se ve en la Figura 10, la concentración y la naturaleza de los diferentes aleantes es determinante en el potencial de picadura. [1,2] 11 Figura 10: Variación del potencial de picadura del acero inoxidable austenítico en función de los aleantes presentes y de su contenido. [1] • El pH, la temperatura y la geometría de la superficie: El pH del medio puede condicionar el nivel de acidificación de la entalla, la temperatura influye en la estabilidad de la capa pasiva y la presencia de irregularidades geométricas en la superficie puede propiciar el ataque del anión electrolítico. [1,2] 4.1.1.1.4-Corrosión en resquicio Aparece en rendijas o resquicios como pueden ser roscas, cordones de soldadura o grietas, y se da entre un metal y otro material ya sea metálico o no metálico. [1,2] Figura 11: Corrosión en resquicio localizado en una arandela situada debajo de la cabeza de un tornillo de acero inoxidable austenítico. [1] Los resquicios favorecen la aparición de concentraciones diferenciales de cloruros, lo que hace que en el interior de estos el oxígeno del ambiente se consuma mientras que en la zona exterior sigue existiendo. De este modo, se forma una celda electrolítica donde el potencial del resquicio es más activo. En la zona exterior dependiendo del potencial de corrosión puede formarse una capa pasiva estable o, 12 por el contrario, puede formarse una pila. En resumen, el comienzo de la corrosión pasiva se produce por la liberación de iones metálicos y electrones que viajan hasta el exterior del resquicio. Estos electrones con la suficiente cantidad de protones e iones cloruros (se ve favorecida por ambientes en los que estén presentes) rompen la capa pasiva que protegía al metal y comienza la corrosión. [1,2] Figura 12: Representación esquemática mostrando la concentración localizada de catión metálico, protones y anión cloruro en el interior del resquicio. [1] En la Figura 12 se puede ver un pequeño esquema de cómo se da este tipo de corrosión. Generalmente, esta corrosión se ve acentuada por rendijas de menor tamaño, mientras que cuanto más profunda sea esta más protegida estará, ya que se encontrará en la zona de inmunidad del diagrama de Pourbaix. [1,2] 4.1.1.1.5-Corrosión intergranular Es aquella corrosión que se presenta como un ataque selectivo en los bordes de grano, especialmente en aceros que han sufrido algún tipo de tratamiento térmico entre los 450 y los 900ºC situados en ambientes ácidos. [1,2,5,6] 13 Figura 13: Carburos de cromo precipitados en el límite de grano de la austenita en acero inoxidable. [1] Se debe principalmente a la precipitación en el borde de grano de carburos de cromo (Cr23C6) mediante 3 mecanismos diferentes: • Zona empobrecida en cromo: Durante el enfriamiento desde el estado líquido aparece una fase γ (austenita) a partir de la cual precipitan los carburos metálicos. Al ser el carburo de cromo (Cr23C6) más estable con respecto a los carburos de hierro o de níquel, son estos los primeros en aparecer y precipitar en las zonas más activas como son los bordes de grano. [1,2,5,6] Figura 14: a) Representación esquemática de la precipitación de carburos en borde de grano. b) Perfil de concentración de cromo en la zona próxima al carburo. [1] • Tensiones internas en la interfase: Da lugar al ataque en hoja de cuchillo. Se basa en la falta de acoplamiento atómico de la interfase que, según la orientación de los átomos, aparecen o no tensiones internas. La corrosión solo se dará en la zona tensionada por la distorsión de la red. [1,2,5,6] • Efecto electroquímico: Se basa en que el potencial del Cr23C6 es menor al de la matriz austenítica en el que se encuentra insertado, por lo que la región del 14 límite de grano se comportaría como ánodo y sobre él se localizaría el ataque. [1,2,5,6] Este tipo de corrosión se produce por la sobresaturación del carbono en la matriz austenítica. Además de esto, se ve favorecida por los siguientes factores: • Una alta concentración de cromo, alrededor del 18%, lo que favorece la formación de los Cr23C6 anteriormente nombrados. [1,2,5,6] • El nivel de sobresaturación en carbono, a mayor cantidad de este mayor es la posibilidad que el acero pueda verse visto en un proceso de corrosión intergranular. [1,2,5,6] • Es importante también el tamaño de grano austenítico, a mayor tamaño de grano la separación entre varios límites de grano es mayor, lo que favorece la difusión hacia este y el crecimiento del Cr23C6. [1,2,5,6] • El grado de acritud es significativo a la hora de hablar de la sensibilización del acero. Con deformaciones a bajas temperaturas (unos 500 o 600 ºC) la difusión del cromo se ve favorecida y es, además, directamente proporcional al grado de carga al que lo sometamos, es decir, a mayor grado de carga, la difusión del cromo se verá más favorecida. [1,2,5,6] Por el contrario, si esta deformación la realizamos a mayores temperaturas (unos 800 o 900ºC) no se mejoran los mecanismos de crecimiento del Cr23C6. [1,2,5,6] • La estequiometria del carburo también es un factor a tener en cuenta. Anteriormente se ha comentado que Cr23C6 es el carburo que se forma, pero además de este también se puede formar (CrFe)23C6, Cr3C2 y Cr7C3, siendo estos menos habituales, ya que el Cr23C6 es el termodinámicamente más estable. A pesar de ello, es necesario tener todos los compuestos en cuenta ya que en determinadas situaciones la cinética de la formación de estos carburos más inestables se puede ver favorecida. [1,2,5,6] Figura 15: Imagen del borde de 3 granos con precipitación de carburos. [1] 15 Figura 16: Imagen del borde de grano con precipitación de carburos por calentamiento de acero inoxidable austenítico de grano grueso. [1] Frente a la corrosión intergranular existen métodos para poder reducir el riesgo a su aparición. En primer lugar, existen tratamientos térmicos de solubilización de carburos, como puede ser el calentamiento del material a unos 1100ºC durante dos horas para después ser templada. Con ello se consigue que los carburos vuelvan a disolverse en la matriz metálica. Otra alternativa sería la utilización de aceros inoxidables con menores contenidos en carbono, alrededor de un 0.03%. [1,2,5,6] 4.1.1.1.6-Corrosión bajo tensión Se caracteriza por la aparición de grietas en dirección aproximadamente perpendicular a la carga a la que está sometida la pieza, por lo general de aleaciones. [1,2,5,6] Figura 17: Rotura intergranular en la proximidad de un cordón de soldadura de un acero inoxidable austenítico. [1] Para que se de este tipo de corrosión son necesarias unas tensiones aplicadas sobre el material (aplicadas o residuales del proceso de fabricación), un medio agresivo y un material susceptible a la corrosión. La rotura que se produzca podrá ser o bien intergranular o bien transgranular. [1,2,5,6] 16 Figura 18: Rotura intergranular en acero al carbono provocada por corrosión bajo tensión. [1] Figura 19: Rotura transgranular en bronce por corrosión bajo tensión. [1] El mecanismo por el que se produce la corrosión bajo tensión tiene dos grandes etapas, la incubación de la grieta y el desarrollo de esta. La incubación de la grieta consiste en la formación de una cavidad ya sea provocada por un efecto electroquímico o un efecto mecánico, habitualmente esta cavidad viene originada por una picadura. Como el material se encuentra sometido a una tensión este sufrirá una deformación causada por el movimiento de las dislocaciones. Estas dislocaciones producirán un escalón superficial del material, que en el caso de ser en un material metálico pasivable puede suceder que: [1,2,5,6] • La capa pasiva al estar compuesta por óxidos plásticos se adapte y no se rompa. [1,2,5,6] 17 • La capa pasiva este compuesta de óxidos frágiles que se rompen al formar el escalón, pero al ser la cinética de formación de la capa pasiva rápida se permite la regeneración de esta. [1,2,5,6] • La capa pasiva es frágil y además la cinética de la formación de esta es lenta. [1,2,5,6] • No es posible la regeneración de la capa pasiva por el medio en el que se encuentra. [1,2,5,6] En los dos últimos casos se formaría una pila activa-pasiva lo que generaría la cavidad por medio de un mecanismo electroquímico. Por otro lado, la cavidad puede venir determinada del acabado superficial de la superficie expuesta. [1,2,5,6] En cuanto a la etapa de desarrollo de la grieta hay varias hipótesis de cómo se produce: • Agrietamiento por mecanismo exclusivamente electroquímico: La velocidad de propagación de la grieta es significativamente alta (1mm/h) para este tipo de mecanismo. A pesar de ello, esta hipótesis sugiere que la tensión a la que está sometido el material se distribuye únicamente en la entalla. Por otro lado, la deformación produciría la rotura de las capas pasivas que, junto a que el material que se está deformando puede proporcionar corrientes anódicas, provocaría la existencia de una pila unas cien mil veces mayores los procesos sin deformación. Con ello se explican las grandes velocidades de propagación de la grieta. [1,2,5,6] • Agrietamiento con participación conjunta de factores mecánicos y electroquímicos: Esta hipótesis plantea de nuevo que la concentración de la tensión se produce en la entalla que, aunque produce una fuerte concentración de esfuerzos, no permite explicar la rotura que se produce por debajo del límite tensional. Por otra parte, se ha comprobado que cuando se produce la rotura con corrosión bajo tensión, es una rotura frágil sin apenas deformación. [1,2,5,6] Para explicar la fragilización de la entalla se dan dos situaciones, el medio es ácido o el medio es neutro o alcalino. Si el material trabaja en un medio ácido la reacción que se produce en la zona de la cavidad forma átomos de hidrógeno que al difundirse dentro del material produciría la llamada fragilización por hidrógeno. Mientras que, si el material trabaja en un medio neutro o alcalino, al darse superficies de aleaciones y no de metales puros habrá una serie de heterogeneidades que serán las causantes de la creación de pilas entre las distintas fases de este. [1,2,5,6] • Mecanismo de movilidad superficial: Esta hipótesis establece que la corrosión bajo tensión se fundamenta en el movimiento de los átomos dentro del seno de los materiales metálicos gracias a la existencia de los defectos cristalinos conocidos como vacantes. Al estar sometido a una carga y gracias a la diferencia entre la concentración de vacantes y la concentración que habría en el equilibrio (Figura 20) son los principales impulsores del proceso de agrietamiento. La velocidad de propagación de la grieta será la velocidad con 18 la que los átomos difundan desde el interior de la grieta hasta otras posiciones o hasta su salida de la red por el proceso de corrosión. [1,2,5,6] Figura 20: Representación de la matriz metálica en la que la concentración de vacantes es mayor de la que habría en el equilibrio. [1] Figura 21: Representación esquemática de los distintos tipos de corrosión de acuerdo con la morfología del ataque. [1] 4.1.1.2- Según el mecanismo de corrosión Si atendemos al mecanismo de corrosión, puede ser: 4.1.1.2.1-Corrosión electroquímica Este mecanismo de corrosión se basa en la formación de pilas electroquímicas donde ocurren reacciones de oxidación-reducción en las que el metal se disuelve (se corroe) en las zonas anódicas, mientras que en las zonas catódicas se producen reacciones de reducción. [1,7,8] 19 Figura 22: Representación esquemática de la superficie de un material metálico mostrando zonas con distinto potencial electroquímico (pilas de corrosión). [1] Se da cuando dos metales se encuentran en contacto mediante un medio conductor (electrolito), ya sea agua, soluciones de sales, la atmósfera, etc., apareciendo una diferencia de potencial entre ellos. Gracias a la corriente que se genera debida a la diferencia de potenciales se produce un movimiento de aniones hacia el ánodo y de cationes hacia el cátodo. La zona anódica donde ocurren las reacciones de oxidación (zona del metal con más tendencia a la disolución) se corroe cediendo iones positivos al medio y manteniendo en su estructura electrones que viajan a través del material hasta la zona catódica (zona metálica con menor tendencia termodinámica a la disolución) y son cedidos al ambiente (dando lugar a reacciones catódicas), quedando esta zona inmune al ataque. El potencial de reducción (o de disolución) de cada metal indica quién es el ánodo y quién es el cátodo en cada caso, siendo el metal con el menor potencial el que actúa como ánodo. [1,7,8] Figura 23: Representación esquemática del proceso de corrosión electroquímica para un metal divalente. [1] Las reacciones que tienen lugar en la corrosión electroquímica dependen también del electrolito en cuestión. Así, en la Figura 24 a), con un electrolito de sulfato de cobre, se observa que el hierro se disuelve porque tiene un potencial de reducción menor que el cobre y la reacción de reducción es Cu2+ más 2e- para dar Cu. Sin embargo, cuando se cambia el electrolito de sulfato de cobre por agua (figura 24 b)), el hierro se corroe porque sigue siendo el ánodo, pero no hay exceso de iones Cu2+ en la disolución y las reacciones de reducción cambian. En este caso, la reacción 26 Figura 33: Imagen de desgaste por fatiga en un rodamiento de cilindros.[12] 4.2.3.4-Desgaste químico Se forma un óxido encima de la superficie y por la acción combinada de otro tipo de desgaste como fatiga o abrasión, éste es arrancado dejando otra vez el material base en contacto con el medio agresivo con lo que se repetirá el proceso de oxidación y desgaste. Se habla de desgaste corrosivo si el medio que produce el óxido es el aire a temperatura ambiente, mientras que el término desgaste oxidativo es el que se utiliza si el proceso ocurre a altas temperaturas. [9,10] Figura 34: Rodamiento desgastado por corrosión. [10] 4.2.3.5- Desgaste por frotación Tiene lugar entre cuerpos que tienen movimientos de oscilación de baja amplitud (menor a 100 μm). Normalmente existe en sistemas ensamblados de maquinaria sujeta a vibraciones. La carga normal causa la adhesión entre asperezas y el movimiento causa la rotura, produciendo partículas libres que podrán actuar como abrasivo. Además, si la carga es cíclica podría aparecer fatiga superficial y si las superficies se encuentran en medios agresivos se pueden producir óxidos y causar también desgaste químico. Por todo esto, el desgaste por frotación suele venir acompañado de otro tipo de desgaste. [9,10] 27 4.2.3.6- Desgaste por impacto Se incluyen en este tipo de desgaste la remoción del material debido al impacto de un líquido o corriente de partículas transportadas por un flujo. Se divide en dos subtipos de desgaste: [9,10] • Desgaste por erosión por partículas: Producido por un chorro de partículas sólidas que impactan contra una superficie produciendo una deformación plástica o fractura frágil. Además, se distingue entre la erosión por partículas al azar y la erosión por desgaste percusivo, cuando se trata de impactos repetidos en un mismo punto. El desgaste percusivo ocurre por mecanismos de desgastes híbridos, combinando distintos tipos de desgaste como abrasión, químico o fatiga superficial. [9,10] Figura 35: Desgaste por erosión de partículas en una turbina Pelton. [9] • Desgaste por erosión por cavitación: En un fluido sometido a grandes velocidades se generan pequeñas cavidades de vacío que al colapsar producen elevadas presiones transitorias las cuales inducen un daño en la superficie en forma de deformación o de fractura. [9,10,13] Figura 36: Desgaste por cavitación en la hélice de una turbina. [13] 28 4.2.4-Lubricación de los materiales Para poder disminuir este desgaste es necesaria la lubricación, cuyo propósito principal es la separación de las dos superficies con deslizamiento de tal manera que no se produzca ningún daño entre ellas. Para conseguir esto es necesaria la existencia de una película de lubricante de espesor suficiente que evite el contacto. [14,15] En la mayoría de los casos esta lubricación se consigue gracias a un aceite mineral, aunque también puede ser con agua, aire o lubricantes sintéticos en condiciones más específicas. Para conseguir que la lubricación sea efectiva hay que tener en cuenta una serie de factores: [14,15] • Determinar las condiciones y cargas de trabajo de las superficies en contacto. [14,15] • Establecer condiciones de mantenimiento de esta lubricación. [14,15] • Asegurar en los procesos de fabricación las tolerancias necesarias para un buen funcionamiento de la lubricación. [14,15] 4.2.4.1-Tipos de lubricación Teniendo en cuenta todo ello, existen, al menos, 4 tipos diferentes de lubricación: [14,15] 4.2.4.1.1-Lubricación hidrodinámica Se caracteriza por la existencia de una pequeña película fluida de lubricante que separa completamente las superficies opuestas de manera que ninguna aspereza de una de las superficies este en contacto con la otra. Este tipo de lubricación se rige, principalmente, por la viscosidad del fluido. Gracias al movimiento relativo, a la viscosidad del fluido y a que las superficies convergen, se genera una presión de empuje que separa las superficies y que es capaz de soportar la carga normal. Generalmente, la presión que se desarrolla no es superior a 5 MPa, lo cual no es suficiente como para causar una deformación elástica significativa en las superficies. [14,15] Figura 37: Representación del funcionamiento de la lubricación hidrodinámica.[14] 29 4.2.4.1.2- Lubricación elastohidrodinámica (EHL) En este caso se tiene en cuenta la deformación elástica de las superficies metálicas, que influye en la formación del espesor de película. Cuando la carga es elevada las rugosidades de las superficies trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse por la existencia de un espesor mínimo de película de lubricante adherida a las rugosidades de las superficies, de lo contrario se generaría una interacción entre éstas produciendo desgaste y consumo de energía. Se trata de una lubricación permanente, es decir, las condiciones de lubricación en el momento de puesta en marcha y una vez que se alcanza la velocidad de operación son muy similares. El espesor de película suele ser de 1 μm o inferior, mientras que en el caso anterior (hidrodinámica) suele estar alrededor de 5 μm en adelante. [14,15] Figura 38: Representación del funcionamiento de la lubricación elastohidrodinámica (EHL).[14] 4.2.4.1.3- Lubricación mixta Se encuentra entre la lubricación de películas límite y la lubricación hidrodinámica. En este caso, hay un porcentaje de crestas que interactúan entre sí mediante películas límite, mientras otras están totalmente separadas. [14,15] El desgaste y el consumo de energía dependen tanto de las características de la película como de su resistencia a la cizalladura y estabilidad. Si las presiones entre los elementos son demasiado altas o las velocidades de operación son demasiado bajas, la película de lubricante se dispersa y no es capaz de separar las dos superficies, y es en estas condiciones cuando se produce este tipo de lubricación. El espero promedio de la película tiene valores intermedios entre los 2 casos anteriores (lubricación hidrodinámica y lubricación elastohidrodinámica). [14,15] Figura 39: Lubricación mixta.[14] 30 4.2.4.1.4- Lubricación marginal Los sólidos no están separados por una capa de lubricante, sino que existe un contacto entre las rugosidades de ambas superficies. El mecanismo de lubricación se rige por las propiedades que presentan las películas de lubricante de proporciones moleculares. Con espesores entre 1 y 10 nm, unas 1000 veces menor que en los casos anteriores. [14,15] Figura 40: Lubricación marginal.[14] 4.3- Ensayos de corrosión Una vez conocida la morfología y el mecanismo de corrosión que puede ocurrir sobre el material bajo estudio, se realizan una serie de ensayos tecnológicos de comportamiento en servicio frente a la corrosión consistentes en la simulación de ambientes o procesos corrosivos que pueden darse en procesos reales, con la finalidad de estudiar su comportamiento frente a la corrosión y poder sacar conclusiones de cómo evitar o minimizar los daños provocados por la corrosión, ya sea con pinturas, recubrimientos, inhibidores, protección catódica, protección anódica, etc. En el presente trabajo se realizarán los siguientes ensayos de corrosión: • Ensayo en cámara de niebla salina. • Ensayo de oxidación. • Ensayo de potencial a circuito abierto. • Ensayo de polarización anódica. 4.3.1- Ensayo de cámara de niebla salina (Normas ASTM B287 y B368) El ensayo de cámara de niebla salina se trata de un ensayo de corrosión que normalmente consiste en la comparación de diferentes probetas sometidas a un medio agresivo. Las probetas suelen ser de diferentes formas y/o con diferentes recubrimientos buscando comparar comportamientos y resistencias a la corrosión. [16,17] 31 Figura 41: Cámara de niebla salina. Este ensayo se puede hacer en tiempo real (Norma ASTM B287) o en tiempo acelerado (Norma ASTM B368), todo ello siempre de mutuo acuerdo con la empresa o persona interesada en el ensayo. [16,17] Las probetas se introducen en la cámara de niebla salina colgadas en unos soportes mediante sedal y con precaución de que los productos de corrosión no caigan de unas piezas sobre las otras, ya que esto alteraría los resultados. Se someten durante un periodo de horas prefijado a una niebla al 5% en peso de sal común o ácido acético y se fijan parámetros como temperatura de la cámara o frecuencia de generación de niebla (puede ser continua o en intervalos). [16,17] Como principales resultados, a parte de la inspección visual de las probetas en la que se pueden observar las zonas o recubrimientos más afectados, tenemos la comparativa en peso de éstas. Para ello, además de pesar las probetas antes y después del ensayo, la norma dice que se realizará la inspección visual y de pesada cada 24 horas para poder ver la evolución del ensayo. [16,17] 4.3.2.1-Marco teórico Al someter las probetas a un medio agresivo durante un determinado tiempo se produce la formación de una pila electroquímica, generando una corriente eléctrica debida a la diferencia de potenciales entre distintas zonas de la probeta y favorecidas por la presencia de la niebla como medio agresivo. [1,7,16,17] 32 La zona anódica se corroe cediendo iones positivos al medio y electrones a la zona catódica. Estos electrones serán cedidos al ambiente desde la zona catódica, quedando ésta protegida del ataque. [1,7,16,17] 4.3.2.2- Procedimiento de ensayo (según normas ASTM B287 y B368) En primer lugar, hay que realizar la disolución que utilizaremos para crear la niebla salina dentro en el interior de la cámara (disolución al 5% en peso de NaCl). También se limpian cuidadosamente las probetas a ensayar, se pesan y se fotografían. [16,17] La disolución se vierte en un depósito que la suministrará a la cámara de niebla salina. [16,17] Figura 42: Depósito en el que se almacena la disolución salina. Las probetas se fijan mediante sedal a los soportes que posee la cámara de niebla salina teniendo especial cuidado en no colocar unas probetas debajo de otras ya que, como se ha mencionado anteriormente, si los productos de corrosión caen encima de otras probetas pueden alterarse los resultados acelerando el proceso de corrosión en esas zonas. [16,17] 33 Figura 43: Probeta de acero electrocincado colgada en un soporte dentro de la cámara de niebla salina antes de comenzar el ensayo. Una vez colocadas las probetas, se sella con agua el canal lateral donde apoya la tapa de la cámara de niebla salina cuando se cierra, se procede a bajar la tapa y se comprueba que hay una estanqueidad en todo el lateral que evite que la niebla salga durante el ensayo. [16,17] Figura 44: Vista superior de la cámara de niebla salina desde donde podemos ver el canal lateral, los soportes, los capilares y el difusor encargado de la generación de la niebla. 34 A continuación, se enciende la cámara de niebla salina y se programa el ensayo mediante el panel de control introduciendo parámetros como la temperatura de la niebla y de la cámara o el pulverizado de niebla continuo o discontinuo (a intervalos). La niebla salina empieza a formarse gracias a dos capilares, uno con una corriente de aire saturado de humedad gracias al agua destilada que se suministra a la cámara y el otro con una corriente de la disolución de la sal. [16,17] Figura 45: Panel de control de la cámara de niebla salina. Una vez comenzado el ensayo, se vigilará que tanto los niveles de disolución como los de agua destilada y las temperaturas de la cámara y de la niebla se mantengan entre unos valores deseados. Cada 24 horas se tomarán las fotografías y pesos de las diferentes probetas. [16,17] Al terminar el tiempo de ensayo, que ha sido previamente fijado entre la empresa que quiere realizar el ensayo y la persona encargada de realizarlo, se retiran las probetas y se realizan los últimos pesajes y fotografías. [16,17] Finalmente, se vacían tanto los depósitos como el canal lateral del cierre y se limpiarán intentando dejar los menores restos de disolución posibles para preparar el próximo ensayo. [16,17] 4.3.2.3-Obtención de resultados Para la obtención de resultados es necesario un pesado previo de las probetas a la par de unas fotografías de éstas para poder compararlas posteriormente. [16,17] 35 Figura 46: Ejemplo de pieza de acero electrocincado antes de ser ensayado en cámara de niebla salina. Según la norma cada 24 horas de ensayo, las probetas se extraen, se lavan y limpian para eliminar los posibles productos de corrosión depositados sobre la superficie de las piezas (cloruros, sales, etc.). Después, se pesan y fotografían y se posicionan de nuevo dentro de la cámara de niebla salina para poder comparar y trazar unas tendencias de comportamiento del material en el ensayo. [16,17] Figura 47: Probeta de acero electrocincado ensayada durante 40 horas en cámara de niebla salina. 42 Figura 58: Interfaz de usuario para la realización del ensayo de potencial a circuito abierto. Una vez comprobado que las conexiones son correctas se inicia el ensayo que llegará hasta completar el tiempo previamente estipulado, momento en el cual el potenciostato deja de tomar datos. [18] Cabe destacar que, gracias a las celdas con camisa, se pueden realizar ensayos termostatados a una temperatura específica. Para ello, es necesario disponer de un sistema de calentamiento con un sistema de impulsión (bomba peristáltica), normalmente agua destilada, que servirá para mantener el electrolito del ensayo a la temperatura deseada. [18] Figura 59: Placa calefactora para ensayos termostatados. 43 Figura 60:Bomba peristáltica para ensayos termostatados. 4.3.3.3-Obtención de resultados Gracias al software de ensayo y al potenciostato, podemos obtener las gráficas de la figura 61 en las que podemos observar el potencial en función del tiempo, llegando a un punto de equilibrio en el que el potencial se estabiliza, siendo éste el potencial a circuito abierto del material en el electrolito donde se ha realizado el ensayo. [18] En la siguiente figura 61, se puede observar que el material al que corresponde la gráfica negra será el más noble mientras que el rojo es el material más susceptible de corroerse en el medio de ensayo utilizado. [18] 44 Figura 61: Ensayos de potencial a circuito abierto realizados a diferentes materiales en un medio salino. 4.3.4- Ensayo de polarización anódica (Norma ASTM G5) 4.3.4.1-Marco teórico En el ensayo de polarización anódica (PA) se hace que el metal a estudiar se comporte primero como cátodo y después como ánodo, obteniéndose dos curvas de polarización, una catódica y otra anódica, respectivamente. Lo que se estudia con este ensayo es el comportamiento del metal frente a la corrosión desde el punto de vista cinético, es decir, cómo es su velocidad de corrosión. Para realizar este ensayo se realiza previamente un ensayo de potencial a circuito abierto para asegurar que el potencial del metal se encuentra en equilibrio en el electrolito. Durante el ensayo se registran los valores de densidad de corriente (o intensidad de corriente) frente a un barrido de potenciales obteniéndose los conocidos diagramas de Evans y, posteriormente, con las rectas de Tafel, haciendo el ajuste correspondiente, se obtiene el potencial y la intensidad de corrosión del material frente al electrolito de ensayo. Además, estos ensayos nos permiten ver cómo se comporta el material en el electrolito, si se corroe (es activo, se disuelve), si se pasiva (hay una disminución drástica de la intensidad de corriente que se registra y luego se mantiene constante) y si hay transpasivación (se rompe la capa pasiva y el metal vuelve a ser activo y corroerse). [7,18] 45 Figura 62: Ejemplo de diagrama de Evans. [6] En este ensayo sí es necesario cerrar el circuito eléctrico porque se mide la densidad de corriente que circula entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo, por lo que además del electrodo de referencia y de la probeta de ensayo, se necesita también un contraelectrodo que puede ser de grafito o platino (materiales muy nobles). [7,18] Figura 63: Contraelectrodos. Barra de grafito y placa de platino. En resumen, la finalidad de este ensayo es conocer las intensidades y los potenciales de corrosión de diferentes materiales para determinar la velocidad de corrosión y también conocer la capacidad pasivante de éstos. [7,18] 4.3.4.2-Procedimiento de ensayo (según norma ASTM G5) El procedimiento de ensayo es similar al del ensayo de potencial a circuito abierto. Tras la preparación de la probeta a ensayar se introducen en el electrolito el electrodo de referencia, el contraelectrodo y la probeta, dispuestos en una celda electroquímica. Se conectan al potenciostato y se inicia el sotfware de ensayo. [18] 46 Figura 64: Celda electroquímica convencional realizando ensayo de polarización anódica. Dentro del software, se introducen los parámetros de ensayo que son el barrido de potenciales y la velocidad de barrido. Generalmente, se inicia el barrido de potenciales a partir del potencial a circuito abierto obtenido en el ensayo de OCP, previamente realizado. [18] 47 Figura 65: Interfaz de usuario para la realización del ensayo de polarización anódica. Al terminar la consigna de potencial final se termina el ensayo y gracias al software se obtiene la representación del potencial frente a la intensidad; es decir, se obtiene el correspondiente diagrama de Evans del material ensayado en el electrolito donde se ensayó. [18] Cabe destacar que, al igual que en el ensayo de potencial a circuito abierto, se puede realizar el ensayo en una celda convencional o en una minicelda, además de que puede ser un ensayo termostatado. [18] 4.3.4.3-Obtención de resultados Gracias al software de ensayo y al potenciostato, podemos obtener el diagrama de Evans de la probeta ensayada. Un ejemplo es la Figura 66 donde podemos observar diferentes diagramas de Evans de diferentes probetas ensayadas. [18] 48 Figura 66: Diferentes diagramas de Evans obtenidos de probetas con diferentes recubrimientos. Además, con la aproximación y rectas de Tafel podemos obtener el punto de equilibrio conociendo la intensidad y el potencial de corrosión de la probeta. [18] Figura 67: Punto de equilibrio obtenido gracias a la aproximación de Tafel. 49 4.4.-Ensayos de desgaste Como se ha comentado anteriormente, es de vital importancia caracterizar el desgaste de materiales para después poder seleccionar el más apropiado junto a la lubricación más adecuada (en el caso de existir) para la aplicación necesaria dentro de la industria. [19] Por ello, en el presente trabajo, se describirán los principales ensayos tribológicos “pin-on-disk” y “ball-on-flat” que se realizarán con la máquina de ensayos “MicroTest Tribómetro” mostrada en las Figuras 68 y 69. [19] Figura 68: Vista lateral de la máquina de ensayos "MicroTest Tribómetro”. 50 Figura 69: Vista frontal de la máquina de ensayos "MicroTest Tribómetro”. El funcionamiento principal del mismo consiste en una mesa o plato en la que se colocará la probeta a ensayar y que presenta un movimiento longitudinal o rotacional (en función del tipo de ensayo), controlada por un software en el que se fijarán parámetros como la velocidad de rotación o traslación, radio y longitud de la huella que aparecerá, etc. La otra parte fundamental de la máquina de ensayos es un “pin” o bola, que es la encargada de realizar la fuerza puntual sobre la probeta a ensayar gracias al peso que se coloca en el brazo que sujeta al “pin”. La fuerza aplicada sobre la probeta es una fuerza normal y el tribómetro registra la fuerza tangencial que se produce en la superficie de la probeta durante el ensayo y calcula el coeficiente de rozamiento. [19] Todo ello se puede acompañar de otros accesorios como pueden ser un sistema de lubricación para realizar ensayos de desgaste lubricado o los elementos necesarios para poder crear una celda electroquímica y poder realizar ensayos de tribocorrosión. [19] Los resultados y el control del ensayo se realizan desde el mismo software con el que se parametriza el ensayo. En él podremos ver gráficas de penetración de la bola en el material a ensayar y de coeficiente de rozamiento en función de la distancia recorrida, también se puede controlar la temperatura a la que se encuentra nuestra probeta si disponemos de un termopar y podremos visualizar los datos de fuerza de rozamiento que existe y el tiempo o la distancia de ensayo. [19] 51 4.4.1- Representación e interpretación de los ensayos de desgaste Los resultados obtenidos en un ensayo de desgaste, existiendo o no lubricación, son los que se representan en una curva de desgaste que representa la masa desgastada (Md) en función de la distancia de deslizamiento tal y como se muestra en la figura 70. Hay que destacar que la pendiente será más o menos acusada dependiendo de si hay o no lubricación, siendo menor en el caso de que haya lubricación porque hay menor desgaste. [9,19] En primer lugar, en el tramo OA, se observa el desgaste inicial o rodaje, que corresponde al acoplamiento entre superficies dominado por altos valores de coeficientes de rozamiento, que da lugar a un gran desgaste de las superficies. En segundo lugar, entre A y E se observa el desgaste lineal o estabilizado, dominado por el coeficiente de rozamiento dinámico o abrasivo. En este tramo el desgaste es más controlado y lineal con la distancia. Por último, a partir del punto E, el desgaste provoca la rotura de la superficie haciendo que la masa desgastada se dispare. [9,19] Figura 70: Curva de desgaste en función de la distancia de deslizamiento. [9] Además de esta curva de desgaste hay otros parámetros de interés que podemos obtener de los ensayos de desgaste como son el coeficiente de rozamiento o el tamaño de la huella mediante la penetración que se produjo durante el ensayo, todo ello en función de la distancia de deslizamiento. [9,19] 4.4.2- Ensayo de desgaste circular seco (Norma ASTM G99) El ensayo de desgaste circular seco es un tipo de ensayo de desgaste perteneciente a los ensayos “pin-on-disk” que vienen regidos por la norma ASTM G99. Esta norma describe el procedimiento necesario para la determinación del desgaste de diferentes materiales durante el deslizamiento con una trayectoria circular de un “pin” o bola sobre la superficie de la probeta a ensayar.[20] 58 Figura 80: Sistema de lubricación para el ensayo de desgaste circular lubricado. Figura 81: Manguera de lubricación para el ensayo de desgaste circular lubricado. En este ensayo se tiene las mismas bolas que en el ensayo anterior, destacando las bolas de alúmina o de acero de 3 o 6 mm. Y, además, gracias a los pesos situados encima del porta-pines se consigue la presión necesaria para la realización del ensayo. [20] En este ensayo, el disco giratorio es diferente al anterior ensayo ya que además de girar tiene la función de acumular el lubricante. Este vendrá prefijado de ante mano tanto la duración de la inyección del aceite como la cantidad inyectada sobre la probeta (habrá situaciones en las que será importante retirar parte de este aceite durante el ensayo para que la superficie de rozamiento no se encuentre completamente sumergida en éste). [20] 59 Figura 82: Situación con acumulación de lubricante después de un cierto periodo de ensayo. Al igual que en el ensayo de desgaste seco, la duración del ensayo dependerá de la distancia de deslizamiento y la velocidad de rotación que se fijen para el ensayo. Igualmente, al finalizar el ensayo se pueden obtener los datos de pérdida de peso y de volumen, determinar el coeficiente de rozamiento y los valores de penetración, así como las dimensiones de la huella, que serán menores que si el ensayo se realiza sin lubricación. [20] 4.4.3.2- Procedimiento de ensayo (según Norma ASTM G99) El procedimiento de ensayo de desgaste circular lubricado es similar al caso de ser desgaste circular seco, solo hay que tener especial cuidado en el caso de la limpieza posterior y en el caso de tener exceso de lubricante (no es recomendable que la superficie de rozamiento esté sumergida). [20] Previamente, al igual que en el caso anterior, es necesario desbastar y limpiar la probeta a ensayar, además de pesarla y medirla para poderla comparar al finalizar el ensayo. [20] Se coloca la probeta en el disco giratorio de igual manera que en el caso anterior, es decir, perpendicularmente (con una tolerancia de ±1º) al porta-pines y comprobando que toda el área de ensayo se encuentra dentro esta. [20] 60 Figura 83: Disco giratorio para el ensayo de desgaste circular lubricado. Se abre la válvula de aire a presión, que será el encargado de impulsar el aceite para lubricar el ensayo, y se sitúa la boquilla de lubricación en una posición en la que no interfiera en el ensayo, pero que además consiga hacer llegar el lubricante a la superficie de rozamiento. [20] A continuación, se inicia el software de ensayo en el cual se parametrizarán los datos de velocidad de rotación, diámetro de la huella que obtendremos, fuerza aplicada con los pesos, diámetro de la bola de desgaste, distancia de deslizamiento del ensayo y tiempo y cantidad de lubricación. Además, se incorporan datos que serán de interés conocer en la fase de obtención y análisis de resultados como son los materiales tanto de bola como de probeta, los pesos de la probeta antes y después del ensayo, profundidad de la huella, volumen de la huella, etc. [20] Figura 84: Ejemplo de la parametrización del ensayo dentro del software. Se inicia el ensayo, comienza a girar y se empieza a lubricar el ensayo gracias al sistema de lubricación. En este caso, al igual que en el anterior, este ensayo una vez 61 iniciado no se puede parar ni reanudar, si existe algún fallo o alguna interrupción habría que empezar de cero el procedimiento. [20] Durante el ensayo es necesario vigilar la cantidad de lubricante que tenemos en el disco giratorio ya que, como antes se ha dicho, la superficie de rozamiento no debe estar sumergida. [20] El ensayo finaliza al llegar este a la consigna de distancia de deslizamiento. La probeta será extraída, limpiada, pesada y medida al igual que en el ensayo de desgaste circular seco. [20] Figura 85: Situación una vez finalizado un ensayo de desgaste circular lubricado. También, como en el caso de ensayo de desgaste circular seco, es necesario realizar varios ensayos para poder obtener las variables probabilísticas que lo caractericen. [20] 4.4.3.3- Obtención y análisis de resultados Al igual que en el caso de ensayo de desgaste circular seco los principales resultados que podemos obtener del ensayo de desgaste circular lubricado son medidas de la pérdida de volumen y, por tanto, de peso de la probeta a ensayar y de la bola. Además del coeficiente de fricción, la penetración o el tamaño de huella. [20] Según la norma podemos utilizar una serie de ecuaciones que serán las mismas que en el ensayo de desgaste circular lubricado. [20] En el caso de caracterizar el volumen perdido de la bola tenemos: 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑙𝑎(𝑚𝑚3) = 𝜋∗(𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 ℎ𝑢𝑒𝑙𝑙𝑎,𝑚𝑚)4 64∗(𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 ℎ𝑢𝑒𝑙𝑙𝑎,𝑚𝑚) [20] 62 Mientras que en el caso de caracterizar el volumen perdido de la probeta tenemos: 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎(𝑚𝑚3) = 𝜋∗(𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 ℎ𝑢𝑒𝑙𝑙𝑎,𝑚𝑚)∗(𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 ℎ𝑢𝑒𝑙𝑙𝑎,𝑚𝑚) 3 6∗(𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 ℎ𝑢𝑒𝑙𝑙𝑎,𝑚𝑚) [20] Si en el caso de tener la densidad y la diferencia entre el inicio y el final del ensayo de la masa podemos obtener el volumen perdido como: 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜(𝑚𝑚3) = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎,𝑔 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑,𝑔/𝑐𝑚3 ∗ 1000 [20] Cabe destacar que la norma, a la hora de tomar medidas de la huella creada, dice que es necesario tomar esta medida en al menos dos puntos diferentes de la misma después de haber limpiado bien la probeta. Si existe una transferencia de material entre bola y probeta, el volumen perdido no es representativo de la interacción por lo que dice que el este método de ensayo no es correcto y no debería ser usado. [20] Como últimos de los resultados obtenidos del ensayo son las gráficas de penetración y de coeficiente de rozamiento en función de la distancia de deslizamiento que somos capaces de obtener gracias al software. [20] Figura 86: Ejemplo de gráficas obtenidas por el software a la vez que se está realizando el ensayo de desgaste circular lubricado (en naranja la penetración y en azul el coeficiente de rozamiento, ambos en función de la distancia de deslizamiento). En general, los resultados obtenidos de este ensayo en comparación con su homólogo en seco son menores coeficientes de rozamiento y menores valores de 63 desgaste ante la interacción de los mismos materiales y de la misma carga. Además, el tamaño de la huella es mucho menor en el desgaste circular lubricado en comparación con el desgaste seco. [20] Figura 87: Comparativa de huellas en probetas entre desgaste circular seco y desgaste circular lubricado. 64 5.- Desarrollo del TFG 5.1- Desarrollo de los textos explicativos Los textos explicativos se refieren al material redactado en el que se incluye una primera breve explicación del ensayo, el marco teórico, el procedimiento de ensayo y la obtención de resultados. Estos textos tratan los ensayos: • Ensayo de cámara de niebla salina. • Ensayo de oxidación a elevada temperatura. • Ensayo de potencial a circuito abierto (OCP). • Ensayo de polarización anódica. • Ensayo de desgaste circular seco. • Ensayo de desgaste circular lubricado. Para su creación se ha utilizado Microsoft Office Word, posteriormente se ha importado a formato PDF y por último se han subido a Google Drive, donde se encuentran enlazados a la página web que se explica más adelante. El desarrollo de los textos explicativos se ha realizado consultando la bibliografía de las diferentes normas que rigen los ensayos, además de la consulta en libros del área de Ciencia e Ingeniería de los Materiales y a las consultas realizadas en el propio laboratorio de metalotecnia. Asimismo, estos textos van acompañados de una serie de imágenes que fueron tomadas durante la realización de los ensayos en el laboratorio de metalotecnia de la EII de la Uva. Figura 88: Ejemplo de texto explicativo abierto desde la página web del laboratorio virtual. 65 5.2- Desarrollo del contenido audiovisual 5.2.1- Desarrollo de videos explicativos Para el desarrollo de videos explicativos se ha utilizado un software de libre uso: VSDC Free Video Editor. En primer lugar, se realizaron los distintos ensayos en el laboratorio de metalotecnia de la EII de la UVa y se grabó el procedimiento de ensayo de los mismos. Una vez grabados y con los videos en el ordenador se utilizó el editor de videos para editarlos y crear el contenido didáctico. Dentro del editor se trabaja con una interfaz de usuario como se presenta en la Figura 89. Figura 89: Interfaz de usuario del editor de video. Como se puede ver en la figura 89, la interfaz de usuario se divide en una serie de zonas: • La zona 1 es el apartado donde se trabaja la disposición de los elementos dentro del video y donde se puede observar cómo se presentará el video explicativo que se está desarrollando. Es una de las zonas principales de trabajo. • En la zona 2 se encuentra una ventana de propiedades de cada elemento que se encuentra dentro del video como pueden ser cuadros de texto, imágenes, video, música, etc. • Por último, la zona 3 es el espacio donde se trabaja la duración, superposición y organización de los distintos elementos del video. Es otra de las zonas principales de trabajo En la figura 89 se puede ver del mismo modo un ejemplo del montaje de un video, en este caso del ensayo de desgaste circular lubricado. Se puede observar cómo en 66 la zona 1 se visualiza el inicio del video, mientras que en la zona 3 se puede ver el montaje de imágenes, video, música, texto, etc. con el que se realizó el video. Cabe destacar que toda la música que se ha utilizado en los videos también es libre de derechos de autor. Una vez finalizado y revisado el video, éste se exporta y se sube a Youtube en oculto, de esta manera solo las personas que tengan el enlace pueden acceder a verlo. Con el enlace del video, se introduce un hipervínculo en la página web para que el alumno pueda tener una conexión directa con el video explicativo de cada uno de los ensayos. Una vez que los videos y textos explicativos, así como la web que se ha desarrollado y contiene los mismos, hayan sido revisados por el Departamento, se hará público el Laboratorio Virtual aquí desarrollado en el dominio de la EII de la UVa para que cualquier alumno pueda acceder a su contenido. 5.2.2- Desarrollo de la página web Para la creación de la página web se ha hecho uso de las plantillas que presenta la aplicación web: Jimdo. Jimdo es una plataforma en línea que permite crear y gestionar páginas web sin la necesidad de tener conocimientos técnicos en programación o diseño web. Se basa en la creación de sitios web gracias a las plantillas que presenta y cuenta con herramientas intuitivas y fáciles de utilizar para personalizar el diseño, agregar contenido y funcionalidades básicas. Cuando se accede a Jimdo el usuario se encuentra con el siguiente mensaje en la interfaz: Figura 90: Primer paso dentro de la interfaz de usuario de Jimdo. 67 En la Figura 90 se selecciona la opción de crear la página web sin necesidad de programar, lo que conduce a una serie de configuraciones (gama de colores, fuente de letra, etc.) y, posteriormente, hasta una primera página como se ve en la figura 91. Figura 91: Primera página web sin editar. En la parte izquierda se puede observar una barra de opciones, dentro de las que cabe destacar las siguientes: • Editor: Modo en el que podemos añadir o quitar bloques como botones, apartados, títulos, etc. • Diseño: Espacio donde podemos cambiar el diseño del bloque o la página dentro de las opciones que nos proporciona la herramienta. Podemos añadir objetos como diapositivas animadas o diferentes tipos de botones. • Páginas: Área donde podemos navegar a través de las diferentes páginas que nuestro sitio web posee, en este caso: o Inicio o Corrosión ▪ Ensayos de Corrosión o Desgaste ▪ Ensayos de Desgaste Una vez se ha modelado la página web a gusto del usuario que la ha creado, se publica en el siguiente enlace: https://laboratorio-virtual-de-ensayos-tecnologicos- de-cor.jimdosite.com/ En el apartado “Inicio”, se da la bienvenida al Laboratorio Virtual y también se encuentra una breve definición de lo que son los ensayos tecnológicos, así como una breve introducción a la corrosión y otra al desgaste (ambas con un hipervínculo a las páginas correspondientes dentro del sitio web) y, por último, un enlace a la prueba de autoevaluación. 74 7.- Líneas futuras de trabajo En el futuro se seguirá trabajando en los Laboratorios Virtuales que se vienen desarrollando en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Concretamente, las líneas de actuación que se seguirán serán: • La ampliación de los Laboratorios Virtuales, con ensayos tecnológicos de desgaste lineal (con y sin lubricación), ensayos de tribocorrosión y ensayos de conformado. • La ampliación de la prueba de Autoevaluación para incorporar nuevas preguntas. • La incorporación de nuevos contenidos teóricos y audiovisuales a los Laboratorios Virtuales existentes desarrollados por el Departamento para mejorar y actualizar la información. • Validar el método de enseñanza-aprendizaje llevado a cabo a través del Laboratorio Virtual haciendo uso de los comentarios y sugerencias que llegan de los alumnos. 75 8.- Bibliografía [1] Huerta, O. E. (2001b). Corrosión y Degradación de Materiales. SINTESIS. [2] Escuela Politécnica Nacional (2008). La Corrosión. https://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2771/1/CD-0553.pdf [Fecha de consulta: 21/03/2023] [3] M. Mosley. (2022, 22 agosto). Corrosión Uniforme O Generalizada. Phemtycs. https://phemtycs.com/corrosion-uniforme-o-generalizada/ [Fecha de consulta: 01/04/2023] [4] Tema 6: Tipos de corrosión electroquímica (2008). Departamento de Física Química. Corrosión. Universidad de Alicante https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/8233/1/CorrTema6.pdf [Fecha de consulta: 21/03/2023] [5] Ing. Marítima. (2017, 11 marzo). La Corrosión. http://ingmaritima.blogspot.com/2017/03/la-corrosion.html [Fecha de consulta: 17/03/2023] [6] Tipos de Corrosión | Guía de selección de materiales. https://www.swagelok.com/es/toolbox/material-selection-guide/corrosion-types [Fecha de consulta: 31/03/2023] [7] Callister, W.D. (1995): Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los materiales (1ª. ed.--.). Barcelona. Reverte. [8] Curso de Fundamentos de ciencia de materiales. Tema 12. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm12/fcm12_1.html [Fecha de consulta: 15/03/2023] [9] Ferrer Giménez, C., & Amigó Borras, V. (2001). Tecnología de materiales: Tomo 1. Universidad politécnica de Valencia. [10] Raggio, Rozamiento, Capitulo VII https://www.escuelaraggio.edu.ar/ [Fecha de consulta: 27/03/2023] 76 [11] América, N. L. (2022, 31 enero). Explicación del desgaste adhesivo. Noria Latín América. https://noria.mx/analisis-de-lubricante-a/explicacion-del-desgaste-adhesivo/ [Fecha de consulta: 31/03/2023] [12] Desgaste y fatiga superficial en los rodamientos. Evolution. https://evolution.skf.com/es/desgaste-y-fatiga-superficial-en-los-rodamientos/ [Fecha de consulta: 02/04/2023] [13] Marino, I. (2021, 16 octubre). Corrosión y Tratamiento de Superficies. Tratamiento de la obra viva del buque (1oParte). Ingeniero Marino. https://ingenieromarino.com/corrosion-y-tratamiento-de-superficies-tratamiento-de- la-obra-viva-del-buque/ [Fecha de consulta: 01/04/2023] [14] Noria Latín América. (2016, 15 enero). Determinación del flujo de aceite requerido por los cojinetes. https://noria.mx/lublearn/determinacion-del-flujo-de-aceite-requerido-por-los- cojinetes/ [Fecha de consulta: 01/04/2023] [15] Omar Linares, O. Fundamentos de la Lubricación, Fricción y Desgaste https://www.widman.biz/ [Fecha de consulta: 30/03/2023] [16] American Society for Testing and Materials [ASTM] (1978). Standard Method of Copper-Accelerated Acetic Acid-Salt Spray (Fog) Testing. (Norma núm. B368). [17] American Society for Testing and Materials [ASTM] (1980). Standard Method of Acetic Acid-Salt Spray (Fog) Testing. (Norma núm. B287). [18] American Society for Testing and Materials [ASTM] (1993). Standard Reference Test Method for Making Pocentiostatic and Potentiodynamic Anodic Polarization Measurements. (Norma núm. G5). [19] MicroTest. Manual del Usuario. Tribometro Pin-on-disk. [20] American Society for Testing and Materials [ASTM] (1993). Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus. (Norma núm. G99).