Corrosione sotto sforzo. (Stress Corrosion Cracking SCC)

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1 Corrosione sotto sforzo Corrosione sotto sforzo (Stress Corrosion Cracking SCC) F. Iacoviello - Di.M.S.A.T. Via G. di Biasio 43, Cassino (FR) Tel Fax iacoviello@unicas.it

2 La corrosione sotto sforzo è quella modalità di danneggiamento che comporta la rottura fragile del componente per sollecitazioni di trazione piuttosto basse, nel caso in cui il manufatto sia esposto ad alcuni ambienti, anche non particolarmente aggressivi. I principali meccanismi sono: Scorrimento-dissoluzione: l avanzamento della cricca avviene grazie ad una dissoluzione anodica estremamente localizzata. Le pareti della cricca sono protette da un film (solitamente ossido) che, a causa della deformazione del metallo, risulta interrotto all apice della cricca. Piano di scorrimento attivo Superficie ricoperta da film di ossido Piano di scorrimento attivo Superficie ricoperta da film di ossido INNESCO PROPAGAZIONE Corrosione sotto sforzo Clivaggio indotto nel film: in questo modello la cricca avanza con velocità molto elevate per distanze piccole (100 nm) grazie alle caratteristiche particolari di un film superficiale che presenta una nanoporosità o una modifica della composizione chimica. Cricca da tensocorrosione Cricca fragile Strato nanoporoso Infragilimento da idrogeno. Arrotondamento plastico dell apice Segno di arresto della cricca (striatura)

3 Corrosione sotto sforzo I fenomeni di corrosione sotto sforzo classici (ad esempio ottone in ambienti umidi contenenti ioni ammonio) avvengono per basse sollecitazioni e ad elevate velocità di avanzamento (da 10-9 a 10-6 m/s, ovvero da 0,1 a 100 mm/giorno. La velocità di avanzamento della cricca varia con il K I applicato secondo l andamento in figura. Si evidenzia la presenza di un valore di soglia del K I, denominato K ISCC, e la velocità di avanzamento nella regione II, praticamente costante. Gli acciai inossidabili austenitici hanno, in ambienti contenenti cloruri a temperatura superiore a quella ambiente, un valore molto basso di K ISCC (inferiore ad 1 MPa m), mentre gli acciai inossidabili austeno-ferritici (duplex) sono caratterizzati da un valore di K ISCC da 3 a 10 volte più elevati.

4 Corrosione sotto sforzo Le rotture per corrosione sotto sforzo sono macroscopicamente fragili. L analisi al microscopio elettronico a scansione mostra che le cricche possono essere sia intergranulari, che transgranulari con clivaggio. Frattura intergranulare

5 Corrosione sotto sforzo Le rotture per corrosione sotto sforzo sono macroscopicamente fragili. L analisi al microscopio elettronico a scansione mostra che le cricche possono essere sia intergranulari, che transgranulari con clivaggio. Frattura transgranulare

6 Corrosione sotto sforzo Le rotture per corrosione sotto sforzo sono macroscopicamente fragili. L analisi al microscopio elettronico a scansione mostra che le cricche possono essere sia intergranulari, che transgranulari con clivaggio. Acciaio duplex con rottura per clivaggio della ferrite e morfologia duttile per l austenite

7 Corrosione sotto sforzo Le rotture per corrosione sotto sforzo sono macroscopicamente fragili. L analisi al microscopio elettronico a scansione mostra che le cricche possono essere sia intergranulari, che transgranulari con clivaggio. Striature in una rottura transgranulare

8 Corrosione sotto sforzo Le principali variabili metallurgiche nel fenomeno della corrosione sotto sforzo sono: Composizione della soluzione solida: questo fattore controlla la resistenza alla corrosione sotto sforzo negli ottoni, negli acciai inossidabili austenitici in soluzioni calde contenenti cloruri e nelle leghe di metalli nobili. In tutti questi sistemi la perdita selettiva di elementi di lega domina il meccanismo di SCC. Segregazione a bordo grano; Trasformazioni di fase e presenza di zone associate povere di soluto: La presenza di seconde fasi, spesso utilizzate per incrementare il comportamento meccanico della lega, ha una notevole influenza nel caso di infragilimento da idrogeno. Strutture duplex: la differente composizione chimica delle due fasi presenti (ad esempio austenite e ferrite) comporta differenti valori ottimali del potenziale di SCC (più alto per γ, più basso per α); ciò implica che all apice della cricca almeno una delle due fasi non si trova in condizioni critiche per la SCC Lavorazione a freddo: la lavorazione a freddo riduce la duttilità e la tenacità a frattura, ma non necessariamente riduce il K ISCC o aumenta la velocità di SCC.

9 Corrosione sotto sforzo Ci sono almeno 5 condizioni elettrochimiche che possono portare ad un attacco per SCC, a condizione che il materiale si trovi in una condizione metallurgica suscettibile: Uno stato di imperfetta passività vicino ad una transizione attivo-passivo; Uno stato di lento attacco localizzato indotto dalla presenza dei cloruri (negli acciai inossidabili, leghe di Al e di Ti); Uno stato di superfiale impoverimento degli elementi di lega con un conseguente strato di ossido non continuo (ad esempio parecchie leghe a base di Au in molte soluzioni acquose); La formazione di un film superficiale inusuale (per esempio nitruri che si formano su un acciaio in ammoniaca anidra). Uno stato attivo in cui si ha la penetrazione di idrogeno (negli acciai altoresistenziali, oppure negli acciai a media resistenza in ambienti contenenti H 2 S) Zone di attacco per SCC

10 Corrosione sotto sforzo

11 Infragilimento da idrogeno F. Iacoviello - Di.M.S.A.T. Via G. di Biasio 43, Cassino (FR) Tel Fax iacoviello@unicas.it

12 Viti a testa cilindrica da una valvola a sfera che mostra una frattura da infragilimento da idrogeno. Esposta a condizioni atmosferiche in ambiente marino, si è avuto corrosione e frattura. La vite di sinistra è stata sottoposta ad infragilimento da idrogeno per tutta la sua sezione, mentre la vite di destra ha avuto un innesco dovuto ad infragilimento da idrogeno, seguito da una rottura per sovraccarico. Entrambe le cricche si innescano dalla parte bassa della foto.

13 Superficie di frattura della vite infragilita da idrogeno osservata al SEM (1000X). La frattura intergranulare e la presenza di cricche secondarie sono caratteristiche dell infragilimento da idrogeno. La presenza di un attacco da pitting è dovuto alle operazioni di pulizia effettuate con l obbiettivo di rimuovere l ossido.

14 Superficie di frattura di un ancora per nave in acciaio ad elevato tenore in C, rotta per infragilimento da idrogeno in corrispondenza di una saldatura

15 Cricche da infragilimento da idrogeno in una saldatura di un ancora per nave

16 Deposizione di solidi e corrosione per attacco da idrogeno in un tubo per caldaia in acciaio al carbonio

17 Foto con contrasto mediante interferenza Nomarski di un acciaio inossidabile 17-4PH ricoperto con carburo di tungsteno sinterizzato. L infragilimento da idrogeno si è innescato all interfaccia metallo base-strato di carburo.

18 Superficie di frattura di una vite a testa cilindrica di durezza HRC 42 con innesco dovuto ad infragilimento da idrogeno. La vite lavorava in aria.

19 Infragilimento da idrogeno della vite nella foto superiore. Le inclusioni sono particelle di ossidi di alluminio.

20 L infragilimento da idrogeno comporta una perdita di proprietà meccaniche di un metallo che può manifestarsi in modo diverso in relazione alle condizioni ambientali in cui si sviluppa. L infragilimento da idrogeno può essere classificato in: Hydrogen Assisted Cracking Sulfide Stress Cracking Hydrogen Blistering Hydrogen Attack Stress Corrosion Cracking

21 Hydrogen assisted cracking Si ha in seguito all assorbimento dell idrogeno nel metallo e alla concomitante azione di carichi o tensioni residue. Gli acciai più resistenti sono quelli più suscettibili. Gli effetti risultano reversibili Si manifesta con una riduzione di R m, A% e Z%. Nel caso in cui l idrogeno è inizialmente presente nel metallo (idrogeno interno si parlerà di frattura differita. La suscettibilità alla rottura diminuisce con l aumento di T e si stabilizza sopra i 70 C. Nel caso in cui l idrogeno viene assorbito dopo la messa in opera si parlerà di hydrogen induced cracking (nel caso di idrogeno gassoso ad alta pressione) o di stress corrosion cracking (nel caso di errata protezione catodica).

22 Sulfide Stress Cracking Si ha in seguito all azione combinata di tensione e corrosione in ambiente contenente acido solfidrico. Si manifesta con la frattura fragile del materiale. In presenza di idrogeno solforato penetra una percentuale molto più alta di idrogeno rispetto ad ambienti debolmente acidi per effetto catalitico del solfuro di ferro. Fe + H 2 S FeS + 2H ads La riduzione del ph aumenta la velocità di rottura, mentre l incremento di temperatura la ritarda. Si ha nell industria petrolifera, nell estrazione e nel trasporto di gas e petrolio greggio, e nelle successive fasi di raffinazione. La frattura è spesso transgranulare con clivaggio.

23 Hydrogen Blistering Si ha in seguito alla ricombinazione degli atomi di idrogeno assorbiti in corrispondenza di discontinuità come inclusioni, con formazione di H 2 molecolare ad elevata pressione e conseguente delaminazione. Si manifesta nei serbatoi di stoccaggio di gas e di petrolio, nei reattori, nei processi di raffinazione, nelle tubazioni saldate (a contatto con miscele contenenti acido solfidrico). Si ha un insieme di fratture interne nelle quali cricche che si propagano lungo i piani di laminazione si uniscono a cricche trasversali.

24 Hydrogen Attack Si manifesta con una decarburazione locale dell acciaio, con perdita della resistenza dovuta ai carburi o formazione di cricche per l azione del metano sotto pressione a bordo grano. Si può avere una diminuzione del 60% di R m e del 30% della duttilità. A T>220 C si possono avere reazioni di decarburazione tipo: Fe 3 C + 2H 2 3Fe + CH 4 (gas) La soluzione del problema consiste nell impiego di acciai bassolegati contenenti elementi suscettibili di formare carburi (Cr, Mo, Nb).

25 Stress Corrosion Cracking Si ha nel caso di ambiente aggressivo in presenza di sollecitazioni di trazione. Il processo si svolge secondo tre fasi: sviluppo della reazione di riduzione degli ioni idrogeno all apice della cricca assorbimento localizzato dell idrogeno Infragilimento del metallo con formazione di fasi martensitiche fragili

26 L idrogeno può penetrare nel metallo sia durante l elaborazione, sia durante la posa in opera di una struttura metallica, sia durante il suo utilizzo. I quattro stadi fondamentali per analizzare il problema sono: La penetrazione dell idrogeno nel metallo La sua diffusione Il suo intrappolamento L infragilimento

27 La penetrazione dell idrogeno nel metallo Verranno qui ricordati i meccanismi di penetrazione in ambiente liquido (idrogeno catodico) e ambiente gassoso idrogenato. Per il momento è sufficiente conoscere i meccanismi di scarica elettrochimica del protone, scrivendo la semireazione catodica: H + + e - H ads (reazione di Volmer) L atomo di idrogeno adsorbito sulla superficie penetra nel metallo secondo la reazione elementare di penetrazione: H ads H abs Quest ultima reazione è in concorrenza alle reazioni di ricombinazione della molecola di idrogeno che avvengono secondo due meccanismi: Meccanismo elettrochimico: H ads + H + + e - H 2 (meccanismo di Heyrovsky) Meccanismo fisico-chimico: H ads + H ads H 2 (meccanismo di Tafel)

28 La penetrazione dell idrogeno nel metallo L idrogeno gassoso ha una concentrazione C H nel gas proporzionale alla radice quadrata della sua pressione parziale: C H = k (P H2 ) 1/2 (legge di Sievert) Inoltre, la solubilità dell idrogeno nel metallo aumenta con la temperatura, in assenza di trasformazioni di struttura. La penetrazione dell idrogeno gassoso nel metallo è un processo che necessita di pressioni elevate

29 Comportamento dell idrogeno nel metallo: interazione metallo-idrogeno Idrogeno molecolare Idruri Metano (CH 4 ) Protone schermato La diffusione dell idrogeno nel metallo Se si considera l idrogeno in un metallo non sollecitato avente una temperatura costante e uniforme, la diffusione degli atomi di idrogeno potrà essere descritta dalle leggi di Fick: J = -D grad CH (1 legge di Fick) C H = D ΔC t H J = vettore flusso d idrogeno C H (x,y,z,t) = concentrazione in idrogeno D = coefficiente di diffusione (2 legge di Fick) Infragilimento da idrogeno

30 La diffusione dell idrogeno nel metallo Gli sforzi (esterni od interni) influiscono sulla concentrazione del metallo. Un campo uniforme di sforzi elastici aumenta la solubilità dell idrogeno secondo la : C σ = C 0 exp (σ V/ RT) relazione di Beck C 0 = concentrazione di idrogeno in assenza di sforzi σ = sforzo uniforme C σ = concentrazione di idrogeno in presenza dello sforzo σ V = volume molare parziale di idrogeno Da ricordare che uno sforzo elastico uniforme non ha nessuna influenza sul coefficiente di diffusione. La presenza di un gradiente degli sforzi (all apice di cricche, in corrispondenza di inclusioni tipo solfuri, in corrispondenza di dislocazioni mobili) può aumentare il flusso di idrogeno nel metallo. Nelle regioni ad elevata triassialità degli sforzi, il potenziale chimico dell idrogeno è basso e questo implica un aumento della concentrazione C H.

31 La diffusione dell idrogeno nel metallo Il coefficiente di diffusione, come la solubilità, varia in funzione della temperatura secondo la: D = D 0 exp (-Q/RT) (legge d Arrhenius) E E / T [ K -1 ] D 0 = fattore di frequenza Q = energia di attivazione DH [cm 2 s -1 ] E E E -07 Ferritic materials E -08 Austenitic materials E -09 Duplex stainless steel E Temperature [ C]

32 La diffusione dell idrogeno nel metallo La diffusione interstiziale non è il solo modo di trasporto dell idrogeno nel metallo. Sono noti due altri meccanismi: Il trasporto mediante dislocazioni mobili: Si ha nel caso di una deformazione plastica locale (ad esempio all apice di una cricca). L idrogeno resta attaccato alla dislocazione mobile e si muove con essa. In una struttura ccc questo meccanismo comporta una velocità di trasporto fino a 10 4 volte superiore a quello per diffusione interstiziale Il corto circuito di diffusione Questi sono dei siti del reticolo dove la diffusione è più rapida (i bordi grano in un acciaio austenitico, la ferrite in una struttura austeno-ferritica )

33 Intrappolamento dell idrogeno Nel caso di metalli incruditi, legati o microlegati, la diffusione dell idrogeno non è più omogenea all interno del reticolo del metallo. L idrogeno può essere catturato da un difetto del reticolo denominato TRAPPOLA. I differenti tipi di trappole sono: Forza che agisce sull atomo di idrogeno Esistenza di perturbazioni fisiche del reticolo Trappola attrattativa (di tipo elettronico, sforzo, variazione locale di temperatura) Trappola fisica (interfacce particelle-reticolo, bordi grano di tipo incoerente) Trappola mista (dislocazioni mobili)

34 Intrappolamento dell idrogeno Classificazione delle trappole negli acciai ferritici Tipo di trappola Esempio Energia di Carattere a Siti di diffusione attivazione (ev) T ambiente 0.08 reversibile Trappole atomiche Ni 0.08 reversibile Ce 0.16 La 0.98 irreversibile Trappole dislocazioni reversibile unidimensionali giunti tripli 0.8 prob.irr. Trappole Interfacce bidimensionali matr.-partic. TiC irreversibile Fe 3 C mista bordo grano mista Trappole cavità tridimensionali 0.3 mista

35 Infragilimento da idrogeno: teoria della pressione interna L infragilimento da idrogeno viene legato alla formazione di idrogeno molecolare ad alta pressione ( atmosfere) all interno di cavità nel metallo. L avanzamento delle cricche è possibile nel caso in cui la pressione raggiunge un valore critico pari a : P = { 2 G γ s } 1/2 (Criterio di Griffith) π (1-ν) l G = modulo di taglio ν = coefficiente di Poisson γ s = energia di superficie l = lunghezza della cricca

36 Infragilimento da idrogeno: teoria della decoesione del metallo Questo modello lega l infragilimento da idrogeno non più all adsorbimento ma all assorbimento dell idrogeno che diminuisce l energia coesiva del metallo. In tale caso l idrogeno si accumula nelle zone di triassialità degli sforzi all apice della cricca, per esempio nelle zone di deformazione plastica. L accumulo di idrogeno assorbito diminuisce l energia di coesione del reticolo, permettendo l avanzamento della cricca Nessun modello può spiegare da solo la totalità dei casi di infragilimento da idrogeno. Questi modelli permettono di evidenziare d un lato il concetto di accumulo di idrogeno e la nozione di intrappolamento, e dall altro il concetto di quantità minima d idrogeno necessaria per innescare e propagare una cricca, ovvero il concetto di concentrazione critica C K.

37 Intrappolamento e infragilimento da idrogeno C H < C K niente cricca in assenza di idrogeno la forza di coesione è superiore alla sommatoria degli sforzi residui ed applicati C H > C K innesco e propagazione in presenza di idrogeno possono intervenire diversi meccanismi: le forze di coesione diminuiscono una pressione di idrogeno si può formare in una eventuale microcavità

38 Intrappolamento e infragilimento da idrogeno Questo meccanismo permette di ipotizzare dei metodi con i quali diminuire o evitare i rischi di infragilimento da idrogeno: aumentare il valore di C K su tutti i difetti diminuire il valore di C H nei difetti C K dipende dalla geometria e dalla forma del difetto, dalla microstruttura, dalla direzione di applicazione del carico, dalla presenza di impurezze (Sn, P ) C H di una trappola dipende dal tempo, dalla temperatura, dal tipo di sorgente di idrogeno (interna oppure esterna), dalla natura della trappola (fisica o chimica), dalla presenza o meno di un campo di sollecitazioni, dalla velocità di spostamento delle dislocazioni mobili (legata alla velocità di deformazione plastica)

39 Questi metodi possono essere classificati in due gruppi: Metodi di studio dell intrappolamento e di stima delle concentrazioni critiche Metodi meccanici di valutazione e di stima dell infragilimento Analisi dell intrappolamento e stima delle concentrazioni critiche: Metodo autoradiografico basato su l analisi della distribuzione del trizio (emettitore β) caricato catodicamente. Analisi mediante raggi X (permette di rilevare la presenza di idruri o la deformazione del reticolo con conseguenti possibili trasformazioni di fase) Analisi del degasaggio di un campione preventivamente caricato (per ottenere la stima dell energia di intrappolamento) Misure di permeazione

40 Permeazione di un metallo all idrogeno Φ = permeazione = D (C 1 -C 2 )/e D = coefficiente di diffusione dell idrogeno C 1, C 2 = concentrazione dell idrogeno sulle superfici di ingresso e di uscita e = spessore della lamina considerata Esistono due metodi per rilevare la variazione di Φ con il tempo: Metodo di Barrer (detto del time lag, τ ) Metodo di Devanathan e Stachurski Metodo di Barrer: per pressioni molto basse ( 10-5 Pa) si registra la variazione di PH 2 in funzione del tempo. L estrapolazione della parte lineare fino a intersecare l asse dei tempi determina il valore di t che può essere legato al coefficienti di diffusione secondo la relazione D= e 2 /6τ.

41 Metodo di Devanathan e Stachursky: utilizzato nel caso di idrogeno catodico, consiste nella misura della variazione della corrente d ossidazione di atomi di idrogeno con il tempo. La figura mostra l evoluzione di Φ/Φ con il tempo t, ove Φ è il valore di Φ in condizioni stazionarie. Nel caso in cui Φ/Φ = 0.63, t = e 2 /6D. Se si effettua un degasaggio seguito da un nuovo caricamento si possono ottenere ulteriori informazioni.

42 Permeazione di un metallo all idrogeno Infragilimento da idrogeno τ 1 = t necessario per raggiungere il valore di Φ/Φ = 0.63 durante il primo caricamento τ 0 = t necessario per raggiungere il valore di Φ/Φ = 0.63 durante il primo degasaggio τ 2 = t necessario per raggiungere il valore di Φ/Φ = 0.63 durante il secondo caricamento

43 Sorgenti di idrogeno negli acciai Formazione di atomi di idrogeno nel sistema Fe-acqua secondo la reazione d equilibrio: X Fe + Y H 2 O Fe x O y + 2 Y H e - Sotto protezione catodica (o caricamento catodico per simulare questa protezione): H + + e - H (ads), 2 H (ads) H 2 La decarburazione dell acciaio ad alta temperatura (>200 C) esposto all idrogeno ad alta pressione provoca la formazione di bolle di metano: Fe 3 C 3Fe + C (sol. solida) C + 2 H 2 CH 4 Il metano forma delle trappole energeticamente profonde e si localizza ai bordi grano.

44 Metodi di prova per lo studio dell infragilimento da idrogeno. Applicazione dei concetti della meccanica della frattura su provini intagliati e precriccati sottoposti a sollecitazioni statiche; Applicazione di una velocità di deformazione costante, ma lenta, su provini lisci oppure precriccati; Applicare su un disco del metallo da analizzare una pressione di idrogeno sia costante sia crescente; Prove basate sui concetti di concentrazione critica di idrogeno e sul meccanismo di drenaggio svolto dalle dislocazioni mobili rispetto all idrogeno; si tratta di prove simili a quelle svolte in ambiente inerte.

45 Metodi di prova per lo studio dell infragilimento da idrogeno:prove a carico o deformazione costanti - impiego di provini non intagliati Esiste un valore di soglia σ H per il quale il tempo a rottura è molto lungo. Tale valore aumenta con la diminuzione di C H.

46 Metodi di prova per lo studio dell infragilimento da idrogeno: prove a carico o deformazione costanti - impiego di provini intagliati e precriccati Permettono di eliminare le incertezze sulla misura del periodo di innesco e sulla conoscenza dello stato tensionale all apice della cricca. Si impiegano provini caricato sia con idrogeno interno che esterno.

47 Metodi di prova per lo studio dell infragilimento da idrogeno: prove a carico o deformazione variabili - impiego di provini non intagliati Queste prove vengono effettuate a velocità di deformazione costante, ma lente. La dispersione dei risultati è ridotta. Dalle curve ottenute si possono considerare le variazioni del limite di elasticità, la deformazione a rottura, la resistenza a rottura etc. Metodi di prova per lo studio dell infragilimento da idrogeno: prove a carico o deformazione variabili - impiego di provini intagliati e precriccati In questo caso risulta difficile parlare di una velocità di deformazione costante, e si impone un aumento di K pari a 3 MPa m 1/2 s -1, piuttosto elevata nel caso di idrogeno esterno

48 Metodi di prova per lo studio dell infragilimento da idrogeno: prove di propagazione di cricche di fatica Schema di montaggio per il caricamento catodico durante le prove di propagazione in condizioni di fatica corrosione

49 Metodi di prova per lo studio dell infragilimento da idrogeno: prove di propagazione di cricche di fatica In aria In condizioni di caricamento catodico di idrogeno

50 Resistenza alla propagazione di cricche di fatica in aria ed in condizioni di caricamento catodico di idrogeno di un acciai inossidabile austeno-ferritico (duplex) 22 Cr 5 Ni

51 Resistenza alla propagazione di cricche di fatica in aria ed in condizioni di caricamento catodico di idrogeno di un acciai inossidabile austeno-ferritico (duplex) 22 Cr 5 Ni

52 Resistenza alla propagazione di cricche di fatica in aria ed in condizioni di caricamento catodico di idrogeno di un acciai inossidabile austeno-ferritico (duplex) 22 Cr 5 Ni

53 Resistenza alla propagazione di cricche di fatica in aria ed in condizioni di caricamento catodico di idrogeno di un acciai inossidabile austeno-ferritico (duplex) 22 Cr 5 Ni

54 Resistenza alla propagazione di cricche di fatica in aria ed in condizioni di caricamento catodico di idrogeno di un acciai inossidabile austeno-ferritico (duplex) 22 Cr 5 Ni

55 Resistenza alla propagazione di cricche di fatica in aria ed in condizioni di caricamento catodico di idrogeno di un acciai inossidabile austeno-ferritico (duplex) 22 Cr 5 Ni

56 Recupero delle proprietà meccaniche dopo infragilimento da idrogeno di un acciaio inossidabile duplex a 200 C H Q [ppm] 30 R m ε m% ε % m 20 Rm [MPa] Q H Durata del degasaggio [s] 600

57 Prove meccaniche in ambiente aggressivo Prove meccaniche in ambiente aggressivo F. Iacoviello - Di.M.S.A.T. Via G. di Biasio 43, Cassino (FR) Tel Fax iacoviello@unicas.it

58 Prove meccaniche in ambiente aggressivo

59 Prove meccaniche in ambiente aggressivo

60 Prove meccaniche in ambiente aggressivo Per analizzare la resistenza alla corrosione sotto sforzo (SCC ) di una lega non è sufficiente conoscere separatamente la sua resistenza alla corrosione o la sua resistenza meccanica, in quanto la SCC è un fenomeno sinergico. Gli effetti delle condizioni elettrochimiche applicate e delle sollecitazioni meccaniche si amplificano reciprocamente e tendono ad accelerare la propagazione della cricca, o comunque ad innescare il danneggiamento anche in condizioni in cui la sola sollecitazione o il solo ambiente aggressivo sono inoffensivi. Si possono seguire due differenti approcci: provocare l innesco e/o la propagazione della cricca fino alla rottura totale del pezzo o della provetta in studio; analizzare un processo particolare; in tal caso la scelta delle condizioni di prova saranno estremamente importanti.

61 Prove meccaniche in ambiente aggressivo Nel caso in cui una lega sia sensibile al processo di SCC, si dovrà tenere in considerazione: Struttura e microstruttura condizioni elettrochimiche (potenziale, ph, condizioni di passivazione ) Modalità di sollecitazione ed analisi degli sforzi residui Le prove che possono essere eseguite possono essere classificate in funzione del tipo di sollecitazione applicata. Ricordando che, secondo la meccanica della frattura le modalità di sollecitazione rispetto al piano della cricca sono fondamentalmente 3 (modi I, II e III), le prove di SCC saranno classificate in funzione del parametro tenuto costante: deformazione; sforzo nominale; velocità di deformazione.

62 Prove meccaniche in ambiente aggressivo Prove a deformazione imposta Deformazione a trazione: vengono utilizzati dei fili o delle provette cilindriche; il calcolo della sollecitazione iniziale è semplice, ma, una volta innescata la cricca, la sezione efficace varia, ed è necessario calcolare l intensità dello sforzo locale, cosa piuttosto delicata; si preferisce utilizzare delle prove di flessione. Deformazione a flessione: alcuni tipi di provette necessitano di una messa in forma ; in tal caso sarà necessario tenere conto di uno sforzo dovuto all incrudimento del materiale Provette con messa in forma Provette senza messa in forma

63 Prove meccaniche in ambiente aggressivo Prove a deformazione imposta Provette precriccate: applicando i concetti di Meccanica della Frattura, nota l apertura dell intaglio, si ottiene il fattore di intensificazione degli sforzi all apice della cricca arresto

64 Prove meccaniche in ambiente aggressivo Prove a carico totale imposto Provette lisce: il carico applicato è di trazione; appena una cricca si innesca o propaga, la sezione utile diminuisce e, localmente, l intensità dello sforzo cresce all apice della cricca. Ai fini di minimizzare gli effetti della superficie, e conveniente non avere un rapporto volume/superficie troppo piccolo, evitando quindi fili troppo fini. Provette criccate: Si utilizzano delle provette intagliate e precriccate, in modo da analizzare il comportamento del metallo in presenza di una sola cricca; la misura della lunghezza della cricca nel tempo permette di valutare l evoluzione del fattore di intensificazione degli sforzi Provino di trazione intagliato Provino di flessione ASTM Provino CT (Compact type)

65 Prove meccaniche in ambiente aggressivo Condizioni elettrochimiche La scelta dell ambiente e delle condizioni elettrochimiche è certamente essenziale per la caratterizzazione della resistenza alla SCC di una lega. Due scelte sono possibili: Tentare di riprodurre l ambiente e le condizioni all interno delle quali il manufatto viene ad essere esercito; in questo caso si è più vicini alle reali condizioni di utilizzo del metallo, ma le prove saranno lunghe e costose. Tentare di dedurre mediante condizioni considerate più severe ma standardizzate, la resistenza alla SCC del metallo. Ad esempio esiste una composizione chimica dell acqua di mare standard (ASTM D ). Log I Zona 1 Zona 2 Attività V Immunità Passività Transpassività

66 Prove meccaniche in ambiente aggressivo Condizioni elettrochimiche Oltre alla composizione chimica della soluzione ed al suo ph, si deve scegliere, e controllare, il potenziale al quale far svolgere la prova. Si possono svolgere le prove: A potenziale libero, misurandolo durante lo sviluppo della prova; sono prove tipicamente molto lunghe; A potenziale imposto, dove si effettuerà la prova nelle condizioni elettrochimiche per le quali la lega è sensibile alla SCC; dalla conoscenza delle curve di polarizzazione metallo/ambiente si possono mettere in evidenza tre differenti zone: Log I Attività Immunità Zona 1 Passività Zona 2 V Transpassività - Potenziali fortemente catodici, ove l idrolisi dell ambiente comporta la formazione di idrogeno ed il conseguente infragilimento da idrogeno; - Potenziali di transizione attivo/passivo (Zona 1), dove le deformazioni meccaniche imposte possono destabilizzare localmente il film passivante; - Potenziali nella zona di vaiolatura (Zona 2), ove il film passivo è localmente rotto da vaioli.