Materiali per alte temperature

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Andrea Martina
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1 Materiali per alte temperature Prof. Barbara Rivolta Dipartimento di Meccanica Politecnico di Milano 14 Novembre 2013, Lecco

2 Fenomeni metallurgici ad alta temperatura 2 Fenomeni meccanici: sovrasollecitazioni statiche creep (scorrimento viscoso) fatica termica (shock termico) Fenomeni chimici ossidazione a caldo corrosione da zolfo alogeni (cloro, fluoro) arricchimento di carbonio e metal dusting Possono agire singolarmente oppure in combinazione Barbara Rivolta

ossidazione a caldo corrosione da zolfo alogeni (cloro, fluoro) arricchimento di

3 Creep 3 Deformazione di carattere permanente, che aumenta nel tempo quando un materiale viene sottoposto ad una sollecitazione costante (anche inferiore allo snervamento) ad elevata temperatura. Il creep è un fenomeno presente in tutti i metalli, purché la temperatura abbia un valore superiore ad un limite identificabile nel 30-50% della temperatura assoluta di fusione (Tm) Leghe di Alluminio Leghe di Titanio Acciai bassolegati Acciai inossidabili austenitici Leghe di Ni o Co Leghe refrattarie T > 0,54 Tm (circa 200 C) T > 0,30 Tm (circa 310 C) T > 0,36 Tm (circa 370 C) T > 0,49 Tm (circa 540 C) T > 0,56 Tm (circa 650 C) T > 0,45 Tm (> 1550 C) Barbara Rivolta

Il creep è un fenomeno presente in tutti i metalli, purché la temperatura abbia un valore superiore ad un limite identificabile nel 30-50% della temperatura assoluta

4 Curva di creep 4 Barbara Rivolta

5 Fatica termica 5 t alt m max min 2 max min 2 E T dove: = coefficiente di dilatazione termica E = modulo elastico Barbara Rivolta

6 Fatica termica 6 La suscettibilità alla fatica termica è correlata al seguente parametro: f K E dove: f = resistenza a fatica alla temperatura media K = conduttività termica E = modulo elastico = coefficiente di dilatazione termica lineare Un elevato valore di questo parametro indica buona resistenza alla fatica termica. Acciai inossidabili austenitici sono particolarmente sensibili alla fatica termica a causa della bassa conduttività e dell elevata dilatazione. Barbara Rivolta

Un elevato valore di questo parametro indica buona resistenza alla fatica termica.

7 Ossidazione a caldo 7 In presenza di vapore acqueo o CO2 Barbara Rivolta

8 Barbara Rivolta 8

9 Ossidazione a caldo 9 Barbara Rivolta

10 Ossidazione a caldo C 648 C 760 C 871 C Barbara Rivolta

11 Corrosione da zolfo 11 La presenza di zolfo (vapori di zolfo, anidride solforosa) può essere molto dannosa, poiché i solfuri metallici si formano più velocemente degli ossidi metallici. I solfuri hanno temperature di fusione più bassa e producono scaglie voluminose. I gas misti zolfo-ossigeno possono dare origine a velocità di corrosione molto elevate per T>600 C per leghe base Nichel (eutettico Ni-Ni3S2 fonde a 635 C) per T>840 C per leghe base cobalto (eutettico fonde a 880 C) per T>940 C per leghe base ferro (eutettico fonde a 985 C) L aggiunta di alluminio, silicio e cobalto è utile per aumentare la resistenza alla corrosione Barbara Rivolta

I gas misti zolfo-ossigeno possono dare origine a velocità di corrosione molto elevate per T>600 C per leghe base Nichel (eutettico Ni-Ni3S2 fonde a 635 C) per

12 Barbara Rivolta 12

13 Barbara Rivolta 13

14 Acciai ferritici per alte temperature 14 Barbara Rivolta

15 Acciai ferritici per alte temperature 15 Barbara Rivolta

16 Acciai inossidabili 16 Barbara Rivolta

17 Barbara Rivolta 17

18 Gli a. inossidabili austenitici 18 leghe Fe-Cr-Ni, che non possiedono i punti di trasformazione A 1 e A 3 ; hanno struttura austenitica su cui non è possibile produrre aumenti di caratteristiche meccaniche tramite trattamenti termici; le caratteristiche meccaniche possono essere aumentate mediante incrudimento Barbara Rivolta

trasformazione A 1 e A 3 ; hanno struttura austenitica su cui non è possibile

19 Gli acciai inossidabili martensitici 19 Sono essenzialmente acciai al solo cromo (11-19%), contenenti piccole quantità di altri elementi in lega, quali, a volte, il nichel (< 2.5%); %C = Possiedono i punti di trasformazione A 1 e A 3 Sono suscettibili del trattamento termico di tempra (a secondo della quantità di C e Cr, si ha martensite o martensite + carburi dopo tempra) Le migliori condizioni di resistenza alla corrosione si hanno dopo tempra + distensione ( C)

20 Possiedono i punti di trasformazione A 1 e A 3 Sono suscettibili del trattamento termico di tempra (a secondo della

20 Gli a. inox ferritici 20 Leghe Fe-Cr-C, che non possiedono i punti di trasformazione A1 e A3; hanno struttura ferritica su cui non è possibile produrre aumenti di caratteristiche meccaniche tramite trattamenti termici; le caratteristiche meccaniche possono essere aumentate mediante incrudimento (lavorazioni per deformazione a freddo: trafilatura, laminazione, )

hanno struttura ferritica su cui non è possibile produrre aumenti di caratteristiche

21 Acciai inossidabili indurenti per precipitazione (PH) 21 Acciai PH (Precipitation Hardening) Formazione di precipitati aumento della resistenza 3 Famiglie: MARTENSITICI SEMIAUSTENITICI AUSTENITICI

22 Acciai inossidabili indurenti per precipitazione (PH) 22 La caratteristica di questi acciai è che induriscono in seguito a trattamento di solubilizzazione e invecchiamento Solubilizzazione: trattamento a temperature tra i 1000 e 1100 C circa con raffreddamento rapido (olio o aria, ma a volte anche raffreddamento sotto lo zero). Lo scopo è di mandare in soluzione gli elementi indurenti (Al, N, Mo, Nb, Ti, ecc.) prima del successivo trattamento di invecchiamento Invecchiamento: Riscaldamento a temperatura relativamente bassa (indicativamente tra i 480 e 620 C con permanenze da 1 a 4 ore), che genera una precipitazione uniforme degli elementi indurenti. Questi precipitati precipitano tra i grani bloccandoli e impedendo lo scorrimento dei piani cristallini. Ciò determina l innalzamento delle caratteristiche meccaniche.

23 Acciai inossidabili indurenti per precipitazione (PH) 23 Tempra di solubilizzazione ( C) Discioglie nella matrice metallica una fase con solubilità limitata a temperatura ambiente, ma maggiore ad alta temperatura Invecchiamento Il sistema tende a riportarsi all equilibrio Precipitazione di fasi o composti intermetallici Indurimento e rafforzamento della matrice metallica

24 PH martensitici 24 Composizione bilanciata per avere: a 1035 C C struttura austenitica Ms = C CICLO: Tempra (M sovrassatura) + invecchiamento C Precipitazione di particelle submicroscopiche di intermetallici Esempi: a) 17-4 PH C=0.04%; Cr=16%; Ni=4.2%; Cu=3.4%; Mn=0.30% Si=0.60%; Nb+Ta=0.30% b) PH 13-8 Mo C=0.04%; Cr=13%; Ni=8.0%; Mo=2.0%; Al=1.0% Mn=0.03%; Si=0.03% a) Rs = 1200 N/mm 2 ; R = 1310 N/mm 2 ; HRC=42 b) Rs = 1440 N/mm 2 ; R = 1550 N/mm 2 ; HRC=47

25 Acciai inox austeno-ferritici 25 Detti anche BIFASICI o DUPLEX o MICRODUPLEX o SEMIFERRITICI O o SEMIAUSTENITICI Cr=18-28%; Ni=4-6%; Mo=1.5-3% Contengono mediamente 50%F e 50%A Uniscono i vantaggi degli inox austenitici ai vantaggi degli inox ferritici Dagli Aust. Dai Ferr. duttilità, tenacità, saldabilità, resistenza alla corrosione generalizzata resistenza alla corrosione sotto tensione, alla vaiolatura, alla corrosione interstiziale Composizione chimica: deriva da quella degli austenitici con maggiori quantità di Cr (e Mo) e minori quantità di Ni (eventualmente Cu o N)

26 INCONEL

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DEFINIZIONE Leghe ferro-cromo o ferro-cromo-nichel la cui caratteristica principale è la resistenza alla corrosione, dovuta alla proprietà di passivarsi in condizioni ossidanti. 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12