UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOCaracterizacin de MaterialesEscuela Acadmica Profesional de Ingeniera de Materiales

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFacultad de IngenieraEscuela Acadmico Profesional de Ingeniera de Materiales

PRACTICA N 4

I. TITULO: POLARIZACIN POTENCIODINMICA.Curso: CARACTERIZACION DE MATERIALESIntegrantes: Aranda Alayo, Mellyni. Esparza Vargas, Jos. Glvez Castillo, Franchesco. Huaccha Holgun, Abigail. Lujn Rodrguez, Dening. Vsquez Arribasplata, Felipe

Docente: Ing.Dionicio Otiniano Mendez .TRUJILLO PER2014LABORATORIO DE CARACTERIZACION DE MATERIALESPACTICA N 4

II. TITULO: POLARIZACIN POTENCIODINMICA.

III. OBJETIVOS: Preparar probetas para ensayo de polarizacin potenciodinmica. Analizar una curva de polarizacin potenciodinmica. Conocer el equipo para polarizaciones potenciodinmicas.

IV. FUNDAMENTO TEORICO

POLARIZACIN POTENCIODINMICA.

Para predecir la velocidad de corrosin de un sistema se deben conocer las curvas de polarizacin (relaciones corriente, i vs. potencial, E) de cada una de las reacciones electroqumicas que lo componen, adems, dichas curvas tambin sirven para la evaluacin de los fenmenos involucrados en la reaccin de corrosin por lo que su determinacin y estudio es de fundamental importancia en los trabajos de corrosin.La tcnica de polarizacin potenciodinmica o de Tfel, consiste en la variacin de un sobre potencial a una velocidad constante sobre el electrodo de trabajo para as medir y estudiar el comportamiento de la densidad de corrosin, adems este mtodo da resultados reproducibles.

Teora bsicaDebido al consumo o produccin de electrones durante los procesos corrosivos, la velocidad de flujo electrnica desde o hacia la interfase que reacciona es una medida de la velocidad de reaccin.Para un sistema M/M+ en equilibrio, se tiene:Dicho equilibrio es dinmico, es decir, que las velocidades de reaccin hacia la izquierda y hacia la derecha son iguales, y por tanto la densidad de corriente de reduccin y de oxidacin tambin.Donde ired: densidad de corriente de reduccin, iox: densidad de corriente de oxidacin e i0: densidad de corriente de intercambio.Adems, el potencial de electrodo (diferencia de potencial entre el electrolito y el electrodo de trabajo) se encuentra en equilibrio.Si el equilibrio es perturbado, un flujo de corriente neto fluir en alguna direccin produciendo un desplazamiento en el potencial de electrodo, E, cuya magnitud y signo depender de la corriente que circule. Este desplazamiento del potencial se denomina polarizacin y su valor sobrepotencial. En la Figura 1. Se esquematizan las reacciones y las especies estables dependiendo del potencial de electrodo.Debido a que en los procesos corrosivos, adems de existir transferencia de carga tambin existe transferencia de masa, la concentracin del electrolito, su temperatura y el grado de agitacin tambin afectan la cintica del proceso, por lo que tambin es importante el control de ellos.

FIGURA 1. Reacciones posibles y especies estables en funcin del potencial de electrodo, E.

Ahora bien, teniendo en cuenta que el proceso corrosivo involucra no slo el material en estudio, (que puede ser una aleacin o un material compuesto), sino tambin el electrolito en el que est sumergido, coexisten varias semiceldas electrolticas sobre la superficie del material. Esto quiere decir, que cada semicelda tiene su propio potencial de electrodo y su propia densidad de corriente de intercambio. As, al estar presentes de manera simultnea, cada una de ellas debe polarizar o cambiar su potencial hasta uno intermedio y comn para todas, este potencial se llama potencial de corrosin, Ecorr, y se refiere al potencial mixto como una combinacin de los potenciales de electrodo de las reacciones andicas y catdicas presentes. Como se dijo antes, si el sistema ha alcanzado su potencial de equilibrio, significa que las densidades de corriente de reduccin y oxidacin tambin, a dicho valor se le conoce como densidad de corriente de corrosin, icorr.Un ejemplo del potencial mixto se observa en la Figura 2. En ella se muestra la superposicin de las curvas de polarizacin del Zn y del H2, con sus respectivos potenciales de equilibrio y corrientes de intercambio. En la interseccin de la rama andica del Zn con la catdica del H2 se obtiene el correspondiente potencial de corrosin y la densidad de corriente de corrosin del sistema.

FIGURA 2. Superposicin de las curvas de polarizacin del Zn y del H2.

DISEO DE LA CELDA DE POLARIZACIN Su construccin (Fig.3) es muy sencilla, se necesitan elementos muy bsicos para su elaboracin, sin tener la necesidad de adquirir una celda comercial la cual resulta ser muy costosa.

FIGURA 3. Esquema de celda de polarizacin electroqumica.

Se menciona a continuacin cada uno de los elementos que conforman la celda de polarizacin.El electrodo de trabajo: es localizado en el centro de la celda junto con un par de electrodos auxiliares para una mejor distribucin de la corriente. En el electrodo de trabajo se encuentran varios componentes (Fig. 4) que sirven para la realizacin de mediciones, y que estas no sean alteradas por el medio salino, sino solamente la cara expuesta al mismo. El electrodo de trabajo es una varilla de acero inoxidable que est en contacto elctrico con la muestra, la misma que est colocada en el porta probeta de Tefln, el cual es un material resistente a la corrosin. Este accesorio es de forma circular con una parte plana en la cara circular y en el mismo un agujero roscado en el que se produce el contacto con la muestra metlica y la varilla de cobre. La muestra de cobre es de forma circular y un rea de 1 cm2.

FIGURA 4. Componentes de electrodo de trabajo. Electrodos auxiliares: son hechos de un material inerte al electrlito, incluso bajo una fuerte polarizacin andica. Para este caso se selecciona dos varillas de acero inoxidable debido a que este material no producir contaminacin al electrlito. Electrodo de referencia de calomel saturado: es localizado en la parte externa de la celda, el potencial del electrodo de trabajo es medido a travs del capilar de Luggin y una solucin de cloruro de potasio saturado el cual sirve como puente salino con respecto al electrodo de referencia.

CIRCUITO GALVANOSTTICO El circuito galvanosttico mostrado (Fig. 5) es utilizado para los ensayos electroqumicos, el circuito ilustrado consta de un potencio/galvanostato, con el cual se controla de forma constante el potencial o la corriente, utiliza un electrodo de trabajo, ET, en el cual se coloca la muestra a ensayar. El potencio/galvanostato suministra una corriente (I) al electrodo de trabajo, a travs del electrodo auxiliar, EA. El potencial del electrodo de trabajo es medido con respecto a un electrodo de referencia, ER. El puente salino y el capilar de Luggin son usualmente incluidos para minimizar la interferencia de resistencia hmica en el electrlito.

FIGURA 5. Circuito esquemtico para mediciones galvanostticas.

Esta celda funciona de la siguiente manera, el electrodo de trabajo, ET, es polarizado como ctodo cuando se conecta al terminal negativo del potencio/galvanostato. El electrodo auxiliar, EA, se conecta al terminal positivo, este simultneamente se polariza como un nodo. El electrodo de trabajo se convierte en nodo y el electrodo auxiliar en ctodo, cuando los terminales son invertidos. El inters primordial es conocer el comportamiento del electrodo de trabajo, los electrodos auxiliares sirven para suministrar la corriente.MEDIDAS ELECTROQUMICAS:Los ensayos electroqumicos llevados a cabo para cada uno de los metales en este estudio fueron:

a) Medida del Potencial a Circuito Abierto (OCP):Para comprobar la resistencia a la corrosin de las aleaciones empleadas en implantoprtesis se caracteriz en primer lugar su comportamiento en la situacin de equilibrio con el medio (saliva artificial) durante 30 minutos, obteniendo para cada uno de los materiales su Potencial de Equilibrio (OCP).Previo a la obtencin del OCP se realiz un pretratamiento (potenciosttico), aplicando un potencial catdico (-1,2V) durante 300 segundos. La aplicacin de este potencial por debajo del equilibrio permite hacer una limpieza del metal eliminando el xido de reaccin del metal generado espontneamente al contacto con el aire.

b) Curvas de Polarizacin Potenciodinmicas:Registro de la intensidad (I) en funcin del potencial aplicado entre un rango de potenciales que se encuentra entre un potencial inferior al de corrosin (-1,2V) y avanza en sentido andico (hasta 1,5V). La velocidad de barrido de potenciales debe ser lo suficientemente lenta como para permitir el intercambio de cargas que se produce en la interfase del material. Los ensayos se llevaron a cabo con una intensidad de barrido de 1mV/s.Previo a la obtencin de las Curvas de Polarizacin, tras la realizacin del OCP, se realiz un segundo pretratamiento (potenciosttico) para estabilizar el sistema aplicando un potencial de -1,2V durante 60 segundos.De acuerdo con la terminologa expuesta en la norma ASTM-G15, se indican a continuacin los parmetros que obtuvimos a partir de la curva de polarizacin(Reflejados en la figura 6):1. Potencial de Corrosin (Ecorr): Es el potencial al cual la densidad de corriente pasa de ser catdica a ser andica.2. Densidad de Corriente de Corrosin (icorr): es la intensidad de corriente por unidad de superficie que circula a travs de una pila electroqumica al potencial de corrosin. Los parmetros Ecorr e Icorr se obtienen a partir de las curvas potenciodinmicas aplicando el mtodo de interseccin, tambin llamado Mtodo de las Pendientes de Tafel.3. Densidad de corriente de Pasivacin (ip): valor de intensidad de corriente por unidad de superficie que permanece estable para un intervalo de potenciales, conocido como zona de pasivacin, que se alcanza tras una cada de la respuesta en intensidad por la formacin de la capa pasiva.4. Potencial de Rotura o Breackdown (Eb): valor a partir del cual la capa pasiva comienza el proceso de oxidacin y/o el medio comienza a oxidarse, pasando a la zona de transpasivacin.

FIGURA 6. Parmetros que se determinan a partir de la curva de polarizacin potenciodinmica: icorr; Ecorr; Eb; ip.

La velocidad de corrosin se midi de forma indirecta a partir de la densidad de corriente de corrosin que se obtuvo para cada uno de los materiales mediante la aplicacin de la ley fundamental de la electroqumica, la ley de Faraday.

Para las muestras de aleacin de Co-Cr y Ni-Cr-Ti (Tilite), cuyos dimetros eran de 6mm, la velocidad de corrosin se calcul en base a su superficie de 0,28cm2 y para las muestras de titanio y aleacin (4mm de dimetro) en base a una superficie de 0,13cm2.c) Corrosin Galvnica: Potencial Mixto (Emixto):Para observar el comportamiento de los diferentes metales cuando se establece un par galvnico (por acoplamiento entre metales de distinta naturaleza), se realiz un clculo indirecto del potencial mixto, combinando las curvas potenciodinmicas de cada uno de los metales con los dems. El punto de corte entre ambas curvas permiti obtener en el eje X el potencial mixto (Em) y en el eje Y su correspondiente densidad de corriente galvnica (ig) (fig.7).

FIGURA 7: Clculo del Em e ig en el punto de interseccin entre las curvas potenciodinmicas de dos metales diferentes acoplados galvnicamente. El metal 1 actuar de nodo mientras que el metal 2 lo har de ctodo.

ENSAYOS ELECTROQUMICOSEsta evaluacin se realiz mediante ensayos de polarizacinpotenciodinmica y de resistencia a la polarizacin (Rp). Elelectrolito empleado es una solucin de cloruro de sodio (NaCl)al 3 %. En laFigura 6se puede observar la celda y el equipoutilizado, as como los parmetros de entrada y salida empleadospara la obtencin de las curvas potenciodinmicas y las curvasde resistencia a la polarizacin.

FIGURA 8.Esquema del equipo utilizado para los ensayos de corrosin electroqumica y los parmetros de entrada y salida

V. MATERIALES, EQUIPOS E INSTRUMENTOSEquipos:

1. Potenciostato Marca (VOLTALAB) Modelo (PG 2100)

Instrumentos:

1. Electrodo de trabajo (Cu)1. Electrodo de referencia (calomel saturado)1. Electrodo auxiliar (Pt

Materiales:

1. NaCl1. Probeta de Cu, pulgada y 1cm de espesor 1. Soldimix1. Lijas al agua (80,120,180,220, 360 ,400,600,800,1000,2000)1. Alambre 14 (15 cm)

VI. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Preparacin del electrodo de trabajo:

1. Se cort una probeta cubre de una de dimetro y 1cm de altura.

2. Se lijo una de las caras de la probeta desde la lija 80, 100, 120, 220, 240, 320, 380, 400, 600, 800 y 1000.3. Se cort un alambre de cobre de unos 20 cm de largo.4. A la probeta se le hiso un agujero en un costado (parte ovalada), que no atraviese la probeta.5. Se coloca el alambre de cobre dentro del agujero de la probeta y se suelda con soldimix, teniendo cuidado de que el alambre tiene que hacer contacto con la probeta para que pueda pasar electricidad.6. El electrodo de referencia debe de quedar de la siguiente manera:

Alambre de cobre

15cm

Soldimix

Probeta de cobre

1cm

FIGURA 9.Electrodo de trabajo (cobre).

Preparacin e instalacin del potenciostato.1. Se prepara el equipo (pontenciostato) y la celda electroqumica con el electrodo de trabajo, auxiliar y de referencia, y una solucin NaCl al 3% en peso.2. Se prepara la solucin 60 ml de NaCl al 3%.3. Se coloca el cable de cada electrodo a las entradas correspondientes en el potenciostato.4. Se prende la computadora la cual contiene un software que lee los datos que el equipo le enva y nos da como resultado graficas de polarizacin, en el software se coloca los datos sobre los electrodos a utilizar, secuencia de corrosin, secuencia de polarizacin, datos de celda. Que nos permitan dar inicio al experimento.

VII. RESULTADOS

FIGURA 10. Curva hecha con los datos obtenidos del software de la computadora, curva de polarizacin.VIII. DISCUSION DE RESULTADOS

A Medida que pasa el tiempo, el cobre al estar en contacto, el potencial est cambiando, dado que estn ocurriendo reacciones espontaneas, el cobre se est oxidando y lo ms probable es que se est reduciendo el agua. Cada pico se denomina potencial de electrodo o tambin llamado potencial de metal de cobre, en nuestro caso, obtuvimos un potencial de electrodo el cual se dio en el punto:(-49;7.819) El potencial de corrosin es aquel en el cual la curva se estabiliza, donde empieza una lnea horizontal respecto al eje x, el potencial de electrodo es estable, en nuestro caso el potencial de corrosin quedo determinado en el punto: (-13; 2.817). El tiempo que toma para que la curva se estabilice depende de: el metal, el medio, la temperatura, la presin, la agitacin, el pH de la solucin, etc.; este tiempo siempre va estar cambiando hasta llegar al momento donde se va a estabilizar, en ese punto es el potencial de corrosin, y es en ese punto donde se empieza a dar la polarizacin del metal.

IX. CONCLUSIONES:

Se prepararon las probetas de cobre adecuadamente para el ensayo de polarizacin, las cuales vinieron a ser nuestros electrodos de trabajo. Al analizar la curva potenciodinmica obtuvimos un potencial de electrodo el cual se dio en el punto: con un potencial de -49 mV y una densidad de corriente de 7.819 mA/cm2. Tambin obtuvimos el potencial de corrosin en el punto: con un potencial de -13 mV y una densidad de corriente de 2.817). mA/cm2, es donde el potencial del electrodo es estable. Tambin aprendimos a manejar el potenciostato y a obtener curvas de polarizacin.

X. BIBLIOGRAFIA: Se obtuvo el tema de curvas de polarizacin http://www.scielo.org.ve/pdf/uct/v10 n39/art03.pdf (visitado el 27/06/2014). Se obtuvo el tema de celda electroqumica, electros de referencia, de trabajo http://congresos.cio.mx/8_enc_mujer/FE%20DE%20ERRATAS/S3-ING18.pdf (visitado el 28/06/2014). Se obtuvo el tema de polarizacin potenciodinmica http://www.bdigital.unal.edu.co/6393/1/299927-2011.pdf (visitado el 01/07/2014).

XI. ANEXOS

FIGURA 9. Instalacin del potencimetro.

FIGURA 10. Equipo: Potencimetro.Marca: Voltalab.Modelo: PGZ-100.

FIGURA 11. Instalacin de los Respectivos electrodos al POTENCIOSTATO.

FIGURA 12.Celda Electroqumica con el electrodo de trabajo.

FIGURA 13.Electrodo de trabajo (COBRE).