Bruno Bazzoni Dispense del corso Corrosione e protezione dei materiali metallici I INTRODUZIONE BOZZA

Transcript

1 I INTRODUZIONE BOZZA I materiali da costruzione (in inglese engineering materials) sono riconducibili alle seguenti categorie principali: metallici; ceramici; polimerici. I materiali metallici, costituiti da uno o più elementi (nel secondo caso si parla di leghe), il legame tra gli atomi è assicurato da elettroni delocalizzati: gli atomi sono disposti in corrispondenza di un reticolo ideale (reticolo cristallino) riconducibile ad una serie di selle elementari, mentre gli elettroni, che assicurano il legame tra gli atomi, sono in grado di muoversi liberamente. Sono caratterizzati da caratteristiche meccaniche di norma elevate e da conducibilità elettrica. Nei materiali ceramici i legami tra atomi sono di natura covalente o ionico; si tratta di legami localizzati, a differenza di quanto avviene per i metalli, cui possono corrispondere elevate caratteristiche meccaniche; sono di norma isolanti elettrici: gli elettroni di legame sono infatti immobilizzati nei legami locali e non sono liberi di muoversi nella matrice cristallina. Possono presentare struttura cristallina o amorfa. Rientrano nella categoria dei ceramici un ampia serie di ossidi, carburi, nitruri, solfuri, i laterizi, i vetri, la silice (sabbia), gli abrasivi, i refrattari. I ceramici cristallini sono in genere fragili; carichi di trazione tendono a produrre clivaggio dei cristalli. I polimeri sono costituiti da catene di molecole organiche legate tra loro da forze elettrostatiche deboli. Presentano di norma caratteristiche meccaniche inferiori rispetto ai materiali ceramici e metallici. Alle categorie sopra definite si devono aggiungere i materiali compositi, costituiti da due o più materiali. Ad esempio il legno è un composito costituito da fibre di cellulosa tenuta insieme da una matrice di lignina. Altri esempi di compositi sono i materiali claddati, le vetroresine (fibre di vetro o di altra natura in una matrice polimerica), il cemento armato. I.1 MATERIALI METALLICI Si distinguono in ferrosi e non-ferrosi. Le principali leghe ferrose sono: gli acciai; le ghise; gli acciai inossidabili. I principali metalli non ferrosi impiegati nelle costruzioni sono le leghe di alluminio, di rame, di titanio. I.1.1 Acciai File: Cap-0 Draft 2005.doc Data: 09/03/2006

2 Il ferro (p.f C) è il quarto elemento della crosta terrestre (parte più esterna della litosfera sino ad una profondità di circa 16 km) di cui costituisce il 4,75 %. I minerali più importanti sono: l ematite, Fe 2 O 3, la limonite, Fe 2 O 3 H 2 O, la magnetite, Fe 3 O 4, il disolfuro (pirite), FeS 2. Gli acciai sono leghe Fe-C con un contenuto di C pari a 1,5 % max.; 0,2 % circa negli acciai strutturali. Il ferro è estratto da minerale negli altiforni come lega Fe-C (ghisa). Le principali reazioni che hanno luogo in altoforno sono: C + O 2 CO ,4 kcal Fe 3 O CO 3 Fe + 4 CO 2 + 4,3 kcal CO 2 + O 2 2 CO 41,1 kcal 2 C + O 2 2 CO + 53,3 kcal Il contenuto di carbonio viene quindi ridotto sino ai livelli desiderati per l acciaio, intorno a 0,2 %, mediante ossidazione controllata: Fe 3 C + O 2 3 Fe + CO 2 Manganese (Mn) e silicio (Si) sono aggiunti per rimuovere l ossigeno in eccesso (acciai calmati) che darebbe luogo alla presenza indesiderata di FeO. Il manganese limita gli effetti negativi dello zolfo (S). I.1.2 Ghise Sono leghe Fe-C con un contenuto di C superiore a 1,7 %. Il carbonio è presente nella lega in due forme: come grafite (carbonio libero) e come carburo di ferro (cementite). Sono molto usate come tubi. In passato costituivano uno dei principali materiali strutturali: come travi, colonne, archi; elementi che si possono incontrare negli interventi di ripristino. Sono difficilmente saldabili. I tipi principali sono: ghisa bianca: il carbonio è presente come carburo (cementite), Fe 3 C, duro e fragile; trovano applicazione dove è richiesta resistenza all usura e all abrasione; ghisa grigia: il carbonio è presente in forma di laminette (flakes) di grafite; sono tenere e lavorabili; ha buona rigidità e resistenza a compressione; ghisa nodulare o sferoidale: il carbonio si trasforma, durante la solidificazione in sferoidi di grafite. ghise malleabili: per trattamento termico successivo alla colata, il carbonio presente come cementite viene trasformato in noduli di grafite. I.1.3 Acciai inossidabili É definito acciaio inossidabile una lega contenente una quantità di cromo (Vr) superiore all'11-12 %, in grado di conferire all'acciaio sufficienti caratteristiche di resistenza a corrosione. Possono venire aggiunti altri elementi per garantire proprietà speciali. In base alla microstruttura si definiscono diverse famiglie di acciai inossidabili: acciai inossidabili ferritici; acciai inossidabili martensitici; acciai inossidabili austeno-ferritici o duplex; acciai inossidabili austenitici. p. 2

3 Gli acciai inossidabili ferritici hanno microstruttura cubica a corpo centrato. Il contenuto di C è di norma inferiore a 0,2 % e il Cr tra 16 e 20 %. Sono difficilmente saldabili. L AISI 430, con un tenore di % di Cr, è il tipo più comune, utilizzato per finiture e esposizione in atmosfera. Gli acciai inossidabili martensitici hanno microstruttura martensitica (reticolo cubico a corpo centrato distorto, designato tetragonale a corpo centrato, per l eccesso di C. Contengono tenori elevati di C, sino a 1,2 %, e Cr compreso tra 12 e 18 %. Sono caratterizzati da elevate caratteristiche meccaniche; sono usati ad esempio nella coltelleria, per utensili e impieghi strutturali. I tipi più comuni sono l AISI 410, con % di Cr e 0,15 % di C, e l AISI 420 con % di Cr e 0,22 % di C. Gli acciai inossidabili austenitici sono i più diffusi. Hanno microstruttura austenitica (cubica a facce centrate). Il tipo AISI 304 contiene % di Cr e 8-10,5 % di nichel; il tipo AISI 316 contiene % di Cr, % di nichel, 2-3 % di molibdeno. Gli acciai inossidabili austenitici sono facilmente saldabili; i tipi L (low carbon) sono saldabili e resistenti a sensibilizzazione. Gli acciai inossidabili duplex, o austeno-ferritici, introdotti negli anni 70, hanno microstruttura mista costituita austenite e ferrite. L introduzione della ferrite nella matrice austenitica migliora le caratteristiche meccaniche. Contengono tenori di Cr tra 20 e 30 % e 5 % circa di nichel. Sono saldabili e resistenti a tensocorrosione. Per la designazione degli acciai inossidabili si fa riferimento alle designazioni AISI e UNS (Unified Numbering System, in ASTM E 527); dove di uso comune viene anche indicata la designazione commerciale della lega. I.1.4 Rame e leghe di rame Il rame si trova in natura sia come minerale che allo stato metallico. Ha reticolo cubico a facce centrate. Circa l 80 % del rame è utilizzato come rame commercialmente puro (UNS C12200) per cavi elettrici, per impianti idrosanitari e in edilizia. Principali leghe: ottoni: leghe rame zinco; bronzi: leghe rame stagno; cupronichel: leghe rame nichel. I tipi di leghe di rame di più comune impiego in acqua di mare, con i relativi elementi di lega e i numeri di designazione UNS, sono riportati di seguito: lega (lavorati) numero UNS elementi di lega rame C10100-C15760 >99% Cu ottoni C20500-C28580 Cu-Zn ottoni allo stagno C40400-C49080 Cu-Zn-Sn-Pb bronzi al fosforo C50100-C52400 Cu-Sn-P bronzo alluminio C60600-C64400 Cu-Al-Ni-Fe-Si-Sn altre leghe rame-zinco C66400-C cupronichel C70000-C79900 Cu-Ni-Fe lega (getti) numero UNS elementi di lega ottoni rossi C83300-C85800 Cu(75-89%)-Zn-Sn-Pb ottoni gialli C85200-C85800 Cu(57-74%)-Zn-Sn-Pb bronzo alluminio C95200-C95810 Cu-Al-Fe-Ni p. 3

4 I Ottoni Sono le leghe di rame più comuni. La resistenza a corrosione è pressoché costante per contenuti di zinco sino al 15%. Le leghe con tenori di zinco più alti, ad esempio metallo Muntz (C28000), con 40% di zinco, sono suscettibili di corrosione selettiva (dezincificazione), per attacco selettivo dello zinco, soprattutto in acqua di mare stagnante. La resistenza a tensocorrosione aumenta al diminuire del contenuto di zinco (non si conoscono forme di cedimento per tensocorrosione sul rame). Ottoni allo stagno. L aggiunta di stagno all ottone ne aumenta la resistenza a corrosione, in particolare alla dezincificazione. Appartengono a questo tipo di leghe l ottone navale (C46400) e l ottone ammiragliato (C44300). L aggiunta nella lega di elementi quali fosforo, arsenico o antimonio, aumenta le caratteristiche di resistenza a corrosione. Gli ottoni ammiragliato sono usati per tubi di scambiatori di calore. Ottoni all alluminio. L aggiunta di alluminio, in tenori di alcuni percento, alla lega rame zinco ne aumenta le caratteristiche di resistenza a corrosione erosione. L effetto è dovuto alla formazione di un film passivo contenente ossido di alluminio (Al 2 O 3 ). L ottone all alluminio con aggiunta di arsenico C68700 (76% Cu, 22% Zn, 2% Al, 0,2-0,6% As) è usato in apparecchiature di scambio termico con turbolenza elevata. Bronzi al fosforo. L aggiunta di stagno e fosforo al rame aumenta la resistenza a corrosione in acqua di mare fluente. I bronzi al fosforo sono spesso usati in getto, ad esempio per parti di valvole e pompe. Bronzi all alluminio. Contengono dal 5 al 12 % di alluminio. Hanno eccellente resistenza a corrosione-erosione e ad ossidazione ad alta temperatura. Cupronichel. Sono le leghe di rame con le migliori caratteristiche di resistenza a corrosione in acqua di mare, in particolare la lega C71500 (Cu-30 % Ni); la lega C70600 (Cu-15 % Ni) presenta per molte applicazioni la migliore combinazione tra resistenza a corrosione e costo. Presentano ottime caratteristiche di resistenza a corrosione-erosione, tensocorrosione e corrosione acida. Sono molto usate nelle apparecchiature di scambio termico e per circuiti antincendio in mare. I.1.5 Alluminio e leghe di alluminio L alluminio è uno tra i metalli più leggeri (densità 2,7 g/cm 3 ); ha buona conducibilità elettrica e termica, elevata resistenza meccanica, buona lavorabilità, elevata resistenza a corrosione. 1 Le leghe di alluminio, prodotte sia come getti che come lavorati (soprattutto per estrusione), sono usate per componenti sia strutturali sia decorativi: rivestimenti; coperture; mobili; nell edilizia soprattutto per infissi di finestre. L alluminio non è tossico ed è utilizzato ampiamente nell industria alimentare. Sono disponibili molte leghe saldabili. Alcune leghe: Al 99,0-99,7: usi alimentari e utensili da cucina; Al Mn 1: coperture e facciate; Al Mn 1 Mg 1: lattine; 1 Prodotto per la prima volta in laboratorio nel E il metallo più abbondante della crosta terrestre (8% circa). In natura l alluminio è presente come silicato e in altre forme complesse; la bauxite, ossido idrato, è minerale principale per l estrazione. Nel 1886 Martin Hall depositò il brevetto per il processo di riduzione elettrolitica in minerale fuso. p. 4

5 Al Mg Si: barre e profilati strutturali; la resistenza meccanica viene aumentata mediante indurimento per precipitazione. Al Zn 5 Mg 1: costruzioni dove è richiesta elevata resistenza meccanica e saldabilità; Al Zn Mg Cu: applicazioni dove è richiesta elevata resistenza meccanica: industria aeronautica. Il sistema di designazione più comune è quello americano basato su quattro cifre, dove la prima designa i principali elementi di lega: alluminio commercialmente puro (99 % min.) 1000 rame (principale elemento in lega) 2000 manganese 3000 silicio 4000 magnesio 5000 magnesio e silicio 6000 zinco 7000 altri elementi 8000 I.2 DEGRADO E CORROSIONE. DURABILITÀ I materiali sono suscettibili di degrado nel tempo; questo aspetto deve essere tenuto in debito conto nella progettazione. I meccanismi di degrado sono molteplici e specifici per i vari tipi di materiali, metallici e non. La corrosione rappresenta la modalità di degrado caratteristica dei materiali metallici. La norma ISO 8044 dà la seguente definizione e di corrosione: Interazione chimico-fisica tra un metallo e il suo ambiente che si manifesta attraverso modificazioni delle proprietà del materiale metallico e che, spesso, porta ad un degrado funzionale del materiale metallico, dell'ambiente o del sistema di cui entrambi fanno parte. L'interazione è in genere di tipo elettrochimico. In base alla definizione, il termine corrosione: è un attributo dei materiali metallici; risulta dall interazione con l ambiente: non è una proprietà intrinseca del metallo, ma è l effetto dell interazione con l ambiente cui il metallo è a contatto; comporta una perdita di proprietà del metallo, con possibili effetti sulla funzionalità del componente, del sistema cui il componente appartiene e dell ambiente; procedere con meccanismo elettrochimico. Un sistema di corrosione, costituito da un metallo a contatto con l ambiente, contiene al suo interno l energia che alimenta il processo di corrosione stesso; da punto di vista termodinamico il processo di corrosione procede spontaneamente. Si parla in questo senso di corrosione come antimetallurgia: il processo di corrosione riporta infatti il metallo allo stato originale di minerale (Figura I.1 e I.2)). p. 5

6 Figura I.1 La durabilità esprime la capacità di un materiale di mantenere le sue proprietà per un periodo prefissato di tempo. Nella progettazione, la durabilità è associata alla vita di progetto di una struttura. La vita di progetto è un dato della progettazione, fissato nelle premesse della progettazione stessa. Può assumere valori variabili a seconda dei casi da pochi anni sino a 200 anni. In molti settori industriali, in relazione all importanza delle opere, la vita di progetto tende ad aumentare raggiungendo in alcuni casi valori ragguardevoli, tali da rendere critico il cimento dei materiali impiegati. In questa prospettiva, la corrosione, e soprattutto la sua prevenzione, in relazione ai materiali metallici impiegati, rappresenta una disciplina alquanto importante nella progettazione. Figura I.2 I.3 COSTI DELLA CORROSIONE La corrosione dei materiali metallici costituisce un costo rispetto ad un mondo ipotetico in cui la corrosione non esistesse. La conoscenza dei fenomeni di corrosione mette a disposizione una serie di tecniche da attuare per prevenire e controllare la corrosione; l applicazione di queste tecniche richiede un esborso economico. Rientrano ad esempio in tali tecniche: la verniciatura; l impiego di materiali p. 6

7 alternativi resistenti a corrosione; la protezione catodica; gli inibitori di corrosione; i rivestimenti, metallici e non. L applicazione di queste tecniche non elimina tuttavia la possibilità del verificarsi di eventi di corrosione; il processo di corrosione infatti di norma viene solo rallentato, così da renderlo compatibile con la vita di progetto richiesta. La probabilità di corrosione esprime l attesa che un evento di corrosione possa aver luogo in un dato momento della vita di una struttura. La probabilità di corrosione risulterà particolarmente elevata quando le tecniche note di controllo della corrosione non vengono applicate o vengono applicate in modo non corretto. Il rischio di corrosione, definito come prodotto della probabilità di un evento di corrosione per dell entità delle sue conseguenze, esprime appunto lo stato di sicurezza dal punto di vista della corrosione. Il verificarsi di un evento di corrosione produce un danno e costituisce anch esso un costo per la comunità. Tale costo comprende i costi di ripristino, ad esempio sotto forma di nuovi materiali, mano d opera, eccetera (costi diretti), sia quelli derivanti dall evento (costi indiretti). A loro volta questi ultimi possono essere di natura esclusivamente economica, come ad esempio la mancata produzione di un bene o erogazione di un servizio, o anche di natura sociale, intendendo con questa espressione i danni all ambiente e alle persone. Esempi di danni indiretti sono: la mancata produzione; la contaminazione di prodotto: ad esempio acqua potabile nel caso di corrosione di un sistema di distribuzione dell acqua; di alimenti, a seguito di contenitori metallici; di prodotti chimici, farmaceutici o alimentari nel caso di corrosione di impianti per la produzione. La fuoruscita di prodotti e contaminazione dell ambiente. La fuoruscita di prodotti nocivi. L insieme dei costi per la prevenzione e dei danni a seguito di eventi corrosione nei paesi industrializzati si stima rappresenti qualche percento del PIL. Vari studi condotti a questo proposito evidenziano tuttavia che solo una parte di questi oneri sono inevitabili, cioè non risparmiabili; una quota parte, stimata intorno al 25 % risulterebbe invece evitabile applicando correttamente le conoscenze oggi disponibili. Dal punto di vista della progettazione, gli aspetti economici sono parte integrante del processo di analisi dei fenomeni di corrosione e di selezione dei sistemi di prevenzione più idoneo. La scelta ottimale non è quasi mai quella che minimizza il rischio residuo di corrosione, ma quella che risulta dalla ottimizzazione tra rischio di corrosione e costo delle varie opzioni di prevenzione. La scelta ottimale terrà pertanto conto dei costi di prevenzione, di investimento e di esercizio, del rischio di corrosione in relazione al contesto in cui si situa il caso in esame e alla vita di progetto della struttura. p. 7

8 TABELLE Dati caratteristici dei principali materiali metallici. metallo simbolo numero atomico peso atomico densità (kg/m 3 ) % nella crosta terrestre berillio Be 4 9,13 1, magnesio Mg 12 24,32 1,74 2,00 alluminio Al 13 26,98 2,70 7,73 cromo Cr 24 52,01 7,1 0,018 ferro Fe 26 55,86 7,86 4,75 nichel Ni 28 58,71 8,90 0,010 rame Cu 29 63,54 8,96 0,007 zinco Zn 30 65,38 7,14 0,008 titanio Ti 33 49,90 4,5 0,42 argento Ag ,88 10, stagno Sn ,71 7,3 0,004 oro Au ,0 19, Designazioni e composizione dei più comuni tipi di acciai inossidabili. UNS AISI des. comm. Cr (%) Ni (%) Mo (%) C max (%) altri (%) Austenitici S ,08 S L ,03 S ,25 S ,08 S L ,03 S ,08 Ti = 10 C min S ,08 Cb = 5 C min S SMO ,5 0,02 Martensitici S ,15 S ,22 Ferritici S ,12 Austeno-ferritici S Cr ,5-6, ,03 S32404 Uranus ,5-8, ,04 N 0,2 S32550 Alloy ,5-6, ,04 S32750 SAF ,03 N 0,3 p. 8

9 Composizione chimica di alcune leghe di rame. UNS C12200 designazione commerciale rame Cu (%) Ni (%) Zn (%) Sn (%) altri (%) 99,90 (1) P 0,015-0,025 min C23000 ottone rosso rem - Fe 0,05 max; Pb 0,05 max C27000 ottone giallo 63-68,5 - rem - Fe 0,07 max; Pb 0,10 max C28000 lega Muntz rem - Fe 0,07 max; Pb 0,30 max C44300 ottone ammiragliato rem 0,8-1,2 Fe 0,06 max; Pb 0,07max; As 0,02-0,06 C46200 ottone navale rem 0,5-1.0 Fe 0,10 max; Pb 0,20 max C60800 bronzo alluminio rem (1) Al 5-6,5; As 0,2-0,35; Fe 0,10 max; Pb 0,10 C65100 bronzo al silicio rem (1) - 1,5 max - C68700 ottone alluminio As rem - Si 0,8-2,0; Pb 0,05 max; Fe 0,8 max; Mn 0,7 max Al 1,8-2,5; As 0,02-0,06; Fe 0,06 max, Pb 0,07 max; C70600 cupronichel rem (1) 9-11 (2) 1 max - Fe 1-1,8; Mn 1 max; Pb 0,05 max C71500 cupronichel rem (1) (2) 1 max - Fe 0,40-1; Mn 1 max; Pb 0,05 max C72200 cupronichel rem (1) (2) 1 max - C83600 C86500 ottone rosso getti bronzo manganese (3) 1 max (2) (3) 1 max (2) max C 0,03 max; Cr 0,30-0,7; Fe 0,5-1; Mn 1 max; Pb 0,05 max; Si e Ti 0,03 max; Si e Al 0,005; Fe 0,3 max; P 0,05 max; Pb 3,5-5,5; S 0,08 max; Sb 0,25 max; Al 0,5-1,5; Fe 0,4-2; Mn 1-1,5; Pb 0,4 max; C95200 bronzo alluminio 86 min Al 8,5-9,5; Fe 2,5-4 bronzo nichel C95800 alluminio (1) Ag incluso (2) Co incluso (3) Ni incluso (2) - 0,1 max Al 8,5-9,5; Fe 3,5-4,5; Mn 0,8-1,5; Pb 0,03; Si 0,1 max p. 9

10 Composizione chimica delle principali leghe di titanio. UNS designazione C max N max H max O max Fe max altri commerciale R50250 Grado 1 0,1 0,03 0,015 0,18 0,20 R50400 Grade 2 0,1 0,03 0,015 0,25 0,30 R53400 Grade 12 0,08 0,03 0,015 0,25 0,3 0,2-0,4 Mo 0,6-0,9 Ni R56260 Ti Al; 2 Sn; 6 Mo; 4 Zr R58640 Ti Al; 6 Cr; 4 Mo; 8 V; 4 Zr p. 10

11 I.4 APPENDICI I.4.1 I.4.2 Unità di misura Definizioni I Corrosione Corrosione Cella di corrosione Corrente di corrosione Potenziale di corrosione Effetto della corrosione Danno di corrosione Corrosione a umido Corrosione a secco Corrosione-erosione Corrosione interstiziale Corrosione microbiologica Corrosione per vaiolatura Passività (stato passivo) Tensocorrosione Prodotto di corrosione Profondità di corrosione Interazione chimico-fisica tra un metallo e il suo ambiente che si manifesta attraverso modificazioni delle proprietà del materiale metallico e che, spesso, porta ad un degrado funzionale del materiale metallico, dell'ambiente o del sistema di cui entrambi fanno parte. L'interazione è in genere di tipo elettrochimico (ISO 8044). Elemento galvanico in corto circuito in un sistema di corrosione dove il metallo che si corrode costituisce uno dei suoi elettrodi. Corrente dovuta a una reazione di elettrodo che provoca direttamente corrosione. Potenziale di corrosione in assenza di una corrente elettrica netta fluente da o verso la superficie metallica. Cambiamento in una parte qualsiasi del sistema di corrosione provocato dalla corrosione. Effetto della corrosione che va a detrimento della funzione del metallo, dell ambiente o del sistema tecnico di cui è parte. Corrosione di un materiale metallico in contatto con corpi liquidi, esclusi i metalli fusi, od in presenza di ambienti, dei quali siano costituenti sostanze, in particolare l acqua, suscettibili di condensazione liquida alla superficie del materiale metallico. Corrosione di un materiale metallico che non sia a contatto con corpi liquidi, ne ricoperto da strati di condensazione liquida. Forma di corrosione in cui si ha la concomitanza dell attacco corrosivo e dell azione meccanica di rimozione dei prodotti di corrosione provocata da elevata velocità del fluido. Corrosione associata alla presenza di un apertura stretta o di un interstizio ( crevice ), e che si localizza all interno o nelle immediate vicinanze della stessa (ISO 8044). Corrosione associata alla presenza di microrganismi presenti nel sistema di corrosione (ISO 8044). Corrosione che dà luogo a vaiolatura ( Pit ), ossia cavità che si estendono dalla superficie all interno del metallo (ISO 8044). Stato di un sistema di corrosione caratterizzato da diminuita velocità di corrosione a seguito della formazione di un prodotto di corrosione protettivo sulla superficie del metallo. Un processo che risulta dall azione congiunta della corrosione e di uno stato di sollecitazione meccanica a trazione dovuto a tensioni applicate o residue; si manifesta con la formazione di cricche superficiali che si propagano in direzione perpendicolare alla sollecitazione a trazione. Sostanza formata a seguito di corrosione. Distanza perpendicolare tra un punto sulla superficie del metallo soggetto a corrosione e la superficie originale del metallo. p. 11

12 Ruggine Meccanismo elettrochimico Reagente catodico Velocità di corrosione Prodotto di corrosione visibile costituito principalmente da ossido di ferro idrato. I fenomeni di corrosione di un materiale metallico, a contatto con un conduttore elettrolitico ed eventualmente con altri conduttori di tipo metallico, possono dirsi a meccanismo elettrochimico quando si possono attribuire a scambi di cariche di senso sia anodico, che catodico, tra i conduttori di tipo metallico e le fasi a conduzione elettrolitica a contatto con essi. Specie chimica la cui riduzione può fungere da processo complementare rispetto all attacco anodico di un materiale metallico. Effetto della corrosione su un metallo per unità di tempo. I Chimica e elettrochimica Elettrodo Reazione di elettrodo Reazione catodica Reazione anodica Catodo Anodo Elettrodo di riferimento Densità di corrente Specie chimica. Mole Ione Elettrone Conduttore elettronico Conduttore elettrolitico Reazione chimica Conduttore elettronico a contatto con un conduttore ionico. Reazione di interfaccia equivalente ad un trasferimento di carica tra conduttori elettronici e ionici. Reazione di elettrodo equivalente ad un trasferimento di carica negativa dal conduttore elettronico al conduttore ionico. Una reazione catodica è un processo di riduzione: Ox + ne - Red. Reazione di elettrodo equivalente ad un trasferimento di carica positiva dal conduttore elettronico al conduttore ionico. Una reazione catodica è un processo di ossidazione. Un esempio nella corrosione è la reazione: Me Me n+ + ne -. Elettrodo sul quale prevale la reazione catodica. Elettrodo sul quale prevale la reazione anodica. Elettrodo avente un potenziale stabile e riproducibile che può essere usato nella misura del potenziale di un altro elettrodo. Intensità di corrente per unità di area dell elettrodo. Ogni atomo, radicale, molecola o ione, i quali presenti nel sistema o in una sua porzione. Ogni specie chimica è qualitativamente individuabile e quantitativamente dosabile. O massa molare, o grammo molecola, di una specie Y. Massa della specie Y, espressa in g, uguale al rispettivo peso molecolare. Una mole contiene un numero di particelle, detto numero di Avogadro, N A, pari a 6,02x Specie chimica le cui particelle sono dotate di una carica elettrica. Gli ioni si possono considerare formati per: aggiunta, o sottrazione, di elettroni ad atomi, nel qual caso di diranno ioni atomici; oppure a radicali, o molecole, nel qual caso si diranno: ioni molecolari. Gli ioni, insieme agli elettroni, costituiscono la classe di particelle dette portatori di elettricità. Particella atomica dotata di carica elettrica negativa q e, pari a 1,6x10-19 coulomb. Conduttore nel quale il trasporto di corrente è affidato a migrazione di elettroni. Conduttore nel quale il trasporto di corrente è affidato a migrazione di ioni. Reazione a cui partecipano solamente molecole neutre e ioni. p. 12

13 Reazione elettrochimica O reazione di elettrodo: reazione che coinvolge, oltre a molecole e ioni, elettroni provenienti da un metallo. I Materiali metallici Acciaio al carbonio Lega di ferro e carbonio contenente: carbonio 2% max; manganese 1.65% max; tenori residui di altri elementi, ad eccezione di quelli intenzionalmente aggiunti in quantità specifiche per la deossidazione (generalmente silicio e/o alluminio). Gli acciai al carbonio usati nell'industria petrolifera contengono di norma meno dello 0,8% di carbonio. Acciaio basso legato Acciaio con un tenore complessivo di elementi di lega inferiore al 5%, ma superiore alle quantità specificate per l'acciaio al carbonio. Acciaio inossidabile Acciaio contenente una quantità di cromo superiore all'11-12 % in grado di conferire all'acciaio sufficienti caratteristiche di resistenza a corrosione. Possono venire aggiunti altri elementi per garantire proprietà speciali. A. inossidabile austenitico Acciaio inossidabile la cui microstruttura, a temperatura ambiente, è costituita prevalentemente dalla fase austenitica. A. inoss. austeno-ferritico Acciaio inossidabile la cui microstruttura, a temperatura ambiente, è costituita prevalentemente da una matrice bifasica di austenite e ferrite (duplex). Acciaio inoss. martensitico Acciaio inossidabile la cui microstruttura, dopo trattamento termico di tempra sufficientemente rapido, è costituita prevalentemente dalla fase martensitica. Bronzo Lega di rame contenente un altro elemento che lo caratterizza in tenore superiore al 12 % circa e generalmente non contenente zinco. I bronzi commerciali sono principalmente leghe rame-stagno, rame-alluminio, rame-silicio, rame-berillio. Carico di snervamento Carico al quale un materiale mostra un determinato scostamento dalla legge proporzionale sforzo-deformazione. Tale scostamento può essere espresso sia in termini di deformazione permanente (usualmente pari allo 0,2%), sia in termini di deformazione totale sotto carico (usualmente pari allo 0,5%). Ghisa Lega ferro-carbonio contenente silicio e con tenore di carbonio compreso tra 2-4%. Il carbonio può essere presente in lega in due forme: come grafite (carbonio libero) e come carburo di ferro (cementite). Ghisa bianca Ghisa in cui il carbonio è presente sotto forma di cementite (FeC3). Ghisa grigia Ghisa in cui gran parte del carbonio è presente sotto forma di grafite lamellare. Ghisa malleabile Ghisa in cui, per trattamento termico successivo alla colata, il carbonio presente come cementite viene trasformato in noduli di grafite. Ghisa sferoidale Ghisa in cui il carbonio si trasforma, durante la solidificazione in sferoidi di grafite (anche ghisa nodulare). Ghisa alto legata Ghisa caratterizzata dalla presenza di elevato tenore di un elemento di lega che conferisce al materiale particolari proprietà fisiche, meccaniche o di resistenza alla corrosione. Lega di nichel Lega metallica a struttura austenitica dove il nichel è il principale elemento di lega, a parte eventualmente il ferro. p. 13

14 Lega di rame Lega di titanio Ottone Lega metallica caratterizzata dalla presenza di un tenore di rame superiore a tutti gli altri elementi presenti. Lega metallica caratterizzata dalla presenza in lega di un tenore di titanio superiore a tutti gli altri elementi presenti. Lega rame-zinco con tenore di zinco fino ad un massimo del 45%. p. 14

15 I.4.3 Simboli η ρ ξ a Acid (8,2) Alk CSE E 0 E a E c E cor E eq E R i i cor i L,O2 M NHE PRE R 0 R A S SCE sovratensione resistività efficienza di un rivestimento organico anno acidità, alla fenolftaleina, di un acqua alcalinità totale, al metilarancio, di un acqua elettrodo di riferimento rame, solfato di rame saturo potenziale standard potenziale anodico potenziale catodico potenziale di corrosione potenziale di equilibrio potenziale di pitting, o di rottura densità di corrente densità di corrente di corrosione densità di corrente limite di diffusione di ossigeno generico metallo normal hydrogen electrode; elettrodo di riferimento standard di idrogeno pitting resistance equivalent resistenza di isolamento di un rivestimento organico resistenza anodica area elettrodo di riferimento al calomelano I.5 NORMATIVA DI RIFERIMENTO ISO 8044 ASTM E 527 Basic Terms and Definitions on Corrosion. Standard Practice for Numbering Metals and Alloys (UNS). p. 15