O estudo da corrosão-fadiga em metais envolve diferentes campos do conhecimento, o que abre espaço para diferentes formas de interpretação. Corrosão-fadiga exibe os mesmos estágios de formação e propagação de trincas que a fadiga.
O trincamento do material em ambientes agressivos pode estar relacionado a ambos os fenômenos de corrosão-fadiga e corrosão sob tensão. Mais especificamente, o termo corrosão-fadiga se refere à combinação de um ambiente agressivo com esforços mecânicos cíclicos, causando assim danos ou falha no material.
As investigações do comportamento dos metais sob ação simultânea de cargas alternadas repetidas e meios corrosivos datam de 1910. P.B Haigh foi o primeiro pesquisador neste campo. Ele testou corpos-de-prova de latão em meios contendo amônia e água salina e comparou os seus resultados com dados obtidos ao ar.
Sabe-se que a corrosão-fadiga é um fenômeno de degradação causado pela sinergia entre solicitações mecânicas cíclicas e a natureza corrosiva do ambiente, o que pode levar a uma diminuição da vida operacional de componentes e equipamentos expostos a estas condições .
O processo de corrosão-fadiga em estruturas offshore envolve uma relação complexa entre os diversos fatores que influenciam o fenômeno. Na figura abaixo , pode-se observar como estas variáveis podem estar relacionadas.
O fenômeno de corrosão-fadiga de aços e outras ligas metálicas esta intimamente relacionado à interação eletroquímica de um metal deformado localmente, ou seja, energeticamente susceptível a perda de átomos naquela região com o ambiente agressivo que o circunda. Isto é confirmado por muitos experimentos e hipóteses da corrosão aliada a esforços mecânicos. Tem sido aceito que o processo de corrosão-fadiga em soluções aquosas é controlado basicamente pela corrosão localizada ou a presença de hidrogênio na ponta da trinca. A corrosão por pites tem sido uma das principias causas de nucleação de trincas de fadiga em uma grande variedade de aços e ligas de alumínio.
Algumas peculiariedades do fenômeno de corrosão-fadiga podem gerar dúvidas na análise dos resultados dos ensaios. Na literatura há citação de que o meio de corrosão pode agir de diferentes formas em diferentes estágios da nucleação e propagação das trincas de fadiga. Por exemplo, nos primeiros estágios de crescimento, pode ocorrer o “cegamento” da ponta da trinca e assim a diminuição da taxa de propagação ou até mesmo a imobilização da trinca. Por outro lado, contudo, para o mesmo meio, mas em outro momento do estágio de crescimento, pode ocorrer o aumento na taxa de crescimento da trinca.
Atualmente, pesquisas sobre a corrosão em diferentes tipos de indústrias têm mostrado que entre 20 a 40% das falhas envolvendo corrosão estão associadas à corrosão-fadiga. Outro fenômeno bastante comum de falhas em campo de ligas metálicas é a corrosão sob tensão, onde o material falha por uma sinergia entre o esforço mecânico aplicado e presença de um meio agressivo específico. De fato, os mecanismos envolvidos na corrosão-fadiga e corrosão sob tensão podem ser os mesmos, com a diferença somente na configuração de carregamento, isto é, o primeiro envolve cargas cíclicas enquanto que o último um carregamento monotônico ou estático.
Muitas das falhas em serviço, senão a maioria, de uma grande variedade de indústrias, são devidos à corrosão-fadiga e a corrosão sob tensão, onde a corrosão sob tensão seria um caso especial de corrosão-fadiga, com a razão de carregamento R = 1 (R = Tensão mínima/Tensão máxima).
Com os dados experimentais sobre o fenômeno de corrosão-fadiga acumulados até o momento é possível se fazer algumas generalizações, são elas:
- A superfície de fratura da falha por corrosão-fadiga é caracterizada pela presença de um grande número de possíveis pontos de nucleação de trincas, o que geralmente não é o caso para uma falha por fadiga pura. Uma característica adicional é que, muitas vezes, a fratura está coberta por produtos de corrosão;
- O fenômeno da corrosão-fadiga tem uma natureza mista, devido aos fatores de que predominantemente depende, isto é, corrosão e carregamento cíclico. Contudo, por definição, emprega-se o termo corrosão-fadiga somente para aqueles casos em que a corrosão definitivamente afeta a resistência à fadiga do material, produzindo uma “penalização” na curva de fadiga;
- Ar atmosférico é um meio relativamente pouco agressivo, o qual, em alguns casos, pode diminuir a vida em fadiga do material, com respeito ao comportamento do mesmo material em uma atmosfera inerte como, por exemplo, argônio, apesar de não mudar a forma da curva de fadiga. Os componentes ativos do ar (oxigênio e vapor de água) são os responsáveis por efeito negativo. Atmosferas industriais podem aumentar a agressividade do meio;
- A corrosão pode ser facilitada pela presença de oxigênio. Assim, o grau de diminuição de resistência à fadiga de um material, imerso em um meio com acesso restrito de oxigênio, tende a ser menor do que em um meio oxigenado. Como resultado disto, pode-se eventualmente observar um melhor comportamento em fadiga em meios aquosos desoxigenados, em relação aos dados produzidos ao ar.
- A ação combinada de concentradores de tensões, próximos a descontinuidades, e o meio corrosivo diminui consideravelmente a resistência à fadiga, sendo esta redução muito mais pronunciada do que estes efeitos fossem considerados separadamente. Todavia, há exceções, como para os casos que envolvem os fenômenos de fechamento ou “cegamento” de trinca;
- Assim como no comportamento ao ar, os valores de resistência à corrosão-fadiga em tração/compressão são maiores do que quando os esforços são de flexão.
Entre os fatores ambientais fundamentais em testes de corrosão-fadiga, comumente estão incluídos: o pH, a pressão parcial de H2S e/ou CO2, o conteúdo de cloretos e a temperatura.
Os testes de corrosão-fadiga seguem diretamente os testes de fadiga realizados em ambientes “benignos” /inertes, os quais estão bem desenvolvidos e normalizados. Para a realização de ensaios de corrosão-fadiga, deve-se adaptar de acordo com a necessidade de cada ensaio. Entre as normas da série ASTM utilizadas para os ensaios estão:
- ASTM E 466 – Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials;
- ASTM E 467 – Standard Practice for Verification of Constant Amplitude Dynamic Forces in na Axial Fatigue Testing System;
- ASTM E 468 – Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials.
Por comparação, a série ASTM G-1 conta com quatorze normas ou práticas para a avaliação de corrosão sob tensão e nenhuma para corrosão-fadiga. Os ensaios de corrosão-fadiga apresentam algumas dificuldades intrínsecas, tais como: dificuldade de se manter as soluções aquosas em condições constantes, dificuldade na medida de deslocamentos e cargas, vedação das células de corrosão entre outros.