Tutto questo mi pare molto offensivo verso il Tenente Colombo e la 403 di mio nonno.
Frattura da sforzo e corrosione nelle assicurazioni tecnologiche
INDICE
1. INTRODUZIONE
2. FRATTURA DA SFORZO E CORROSIONE
2.1 Classificazione
2.2 Prerequisiti
2.3 Caratteristiche
2.3.1 Macroscopiche
2.3.2 Microscopiche
2.4 Teoria del meccanismo
2.5 Misure di prevenzione
3. SNERVAMENTO DA CORROSIONE
4. FRATTURE DA CORROSIONE INDOTTE DA TENSIONE
1. INTRODUZIONE
Si definisce frattura da sforzo e corrosione il cedimento dei metalli sottoposti all'azione combinata di un ambiente corrosivo e delle tensioni cui il materiale viene assoggettato. Il pericolo e l'insidia della frattura da sforzo e corrosione risiedono nella sua comparsa inaspettata. Ad esempio un componente può lavorare per un lungo periodo di tempo sottoposto a condizioni operative normali e a carichi considerevolmente alti, all'interno di un campo accettabile di sforzo, senza mostrare alcun comportamento inusuale e senza segni di corrosione uniforme o tacche. Un minimo cambiamento nell'ambiente circostante, però, dovuto ad un altro impiego o al cambiamento delle condizioni operative, può portare alla frattura da sforzo e corrosione e a un rapido cedimento. Tuttavia ad un carico inferiore lo stesso componente è in grado di resistere a tempo indeterminato nella stessa atmosfera corrosiva. In altri casi, componenti normalmente affidabili, ora prodotti con nuovi procedimenti, improvvisamente si rompono - dimostrandosi suscettibili a frattura da sforzo e corrosione, per il fatto che il nuovo processo di produzione induce degli sforzi di tensione residua (ad es. formatura a freddo, saldatura), con la conseguenza che l'effetto combinato di sforzi esterni e sforzi residui supera il valore critico ammesso.
La crepa che inizia sulla superficie si propaga con continuità attraverso tutta la sezione trasversale del componente, in funzione dei cicli di carico e dell'ambiente più o meno corrosivo. Se la sezione residua non può più sopportare lo sforzo, che continuvo ad aumentare, avviene una frattura forzata. Questa frattura, di solito, avviene spontaneamente e in modo inaspettato senza preavviso o alcun segno evidente, per cui il danno può essere considerevole.
Le crepe da sforzo e corrosione non possono essere riscontrate da un esame visivo. Normalmente non vi sono segni di alcuna altra forma di corrosione (tacche o prodotti di corrosione - ruggine). L'ampio campo delle prove non distruttive offre varie procedure per scoprire le crepe, ma in pratica questi esami vengono eseguiti solo per le sezioni critiche o i componenti essenziali. Molti componenti "non essenziali" non sono sottoponibili a esami in profondità o lo sono unicamente mediante sforzi addizionali estremamente dispendiosi. Pertanto, anche per motivi economici, le sezioni "non critiche" non vengono di norma assoggettate ad un completo esame non distruttutivo durante le revisioni di manutenzione.
Vi sono altri due tipi di cedimento collegati molto strettamente alla frattura da sforzo e corrosione ed al suo meccanismo: la crepa da snervamento da corrosione e quella da tensione indotta. In particolare il confine tra frattura da sforzo e corrosione e lo snervamento da corrosione non è ben definito: esiste infatti un'ampia "zona grigia".
2. FRATTURA DA SFORZO E CORROSIONE
2.1 Classificazione
In generale il tipo di sforzo cui viene assoggettato il materiale viene accettato come criterio principale per la classificazione delle crepe e fratture. Le tre categorie tipiche di crepa sono:
1. crepe dovute a carico meccanico
2. crepe dovute a carico termico
3. crepe dovute a corrosione
Nella maggioranza dei casi questi carichi tendono a essere combinati.
Le crepe e le fratture indotte da corrosione, inoltre, si distinguono in due altre categorie in funzione del fatto che vi sia o meno coinvolto un carico di tipo meccanico. Le crepe che si creano senza essere soggete anche a carichi meccanici solitamente mostrano una corrosione intergranulare. L'espressione "solitamente" si riferisce al fatto che le crepe da corrosione intergranulare possono alcune volte manifestarsi anche sotto l'effetto di un carico meccanico.
2.2 Prerequisiti
Le fratture da sforzo e corrosione avvengono nei metalli unicamente sotto gli effetti simultanei e combinati dei seguenti fattori: un materiale sensibile, un ambiente specifico e un particolare carico.
I parametri significativi di ciascuna di queste condizioni sono in dettaglio:
Per il materiale:
* tipo
* composizione chimica media
* struttura metallurgica (distribuzione nella microstruttura dei precipitati, orientamento dei grani, interazioni delle distribuzioni, quantità di ferrite nella ghisa per l'acciaio inossidabile o acciaio austenitico-ferritico)
* input termici (trattamento al calore, saldatura, sensibilizzazione, migrazione di carburi di cromo verso i confini dei grani nell'acciaio inossidabile austenitico)
* condizione della superficie
* struttura formata a freddo
Per l'ambiente:
* composizione/impurità
* temperatura
* concentrazione/soluzione di altri componenti
* condizioni precedenti al servizio (ad es. contaminazione delle superfici)
Per il carico:
* sforzo di trazione in servizio operativo (concentrazione negli incavi, variazioni repentine, zeppe)
* sforzo residuo (formatura a freddo, saldatura).
Non vi è una spiegazione completa del perché alcune condizioni ambientali causino crepe in alcune leghe ed in altre no. L'ottone, ad esempio, cede se assoggettato a sforzo in presenza di ammoniaca, mentre le leghe rame/oro non lo fanno.
Se la superficie del materiale mostra una corrosione uniforme o formazioni di leggeri incavi, di solito non si ha alcun effetto di frattura da sforzo e corrosione. Solo cave profonde, allorchè la corrosione crea cave sulla superficie, possono generare, se gli sforzi sono sufficientemente intensi, delle fratture.
Dato che, nella maggior parte delle reazioni chimiche, la frattura da sforzo e corrosione viene accelerata dall'aumento della temperatura, sono state determinate le soglie di temperatura nel campo temperatura ambiente/alta temperatura.
In molti casi, è difficile misurare la composizione chimica esatta dell'elettrolito circostante. Naturalmente è invece possibile valutare la composizione complessiva dei flussi umidi, gassosi e liquidi. Non è facile determinare la composizione dei depositi in sezioni prive di flussi o in gocce condensate. Un ulteriore fattore di disturbo nell'analisi è costituito dal fatto che, normalmente, la concentrazione nelle gocce, prese come campione, aumenta per effetto dell'evaporazione dell'acqua.
Esistono diversi modi di introdurre agenti corrosivi nei cicli acqua/vapore. Bisogna valutare con attenzione le possibilità di contaminazione prima dell'entrata in servizio (ad es. residui sulla superficie dovuti a fabbricazione, prove, spedizione o stivaggio in loco) e il possibile scioglimento di sostanze provenienti da altri componenti del circuito (ad es.: cloruri e solfuri dal cemento, dalle guarnizioni e dal materiale isolante).
L'effetto del carico meccanico è di due tipi: quello dei carichi applicati durante la produzione, che generano sforzi residui, e quello dovuto al carico applicato durante il normale funzionamento del componente.
Durante la produzione, si possono generare sforzi residui dovuti a processi di formatura a freddo, processi di assemblaggio o di saldatura. Tra questi le tensioni indotte dalla saldatura sono le più pericolose. Infatti, in conseguenza degli effetti di riscaldamento e raffreddamento sulla superficie del componente, dovuti alla saldatura, possono verificarsi alti sforzi di tensione residua, tali da avvicinarsi al punto di cedimento del materiale.
Il livello di sforzo necessario ad iniziare il processo di frattura da sforzo e corrosione dipende in gran parte dai due fattori rappresentati dall'ambiente e dal materiale e non è quindi possibile stabilire regole generali.
La ricerca mostra che lo sforzo locale (sul fronte della crepa) spesso è applicato sopra il punto di cedimento del materiale mentre il resto della superficie evidenzia carichi connessi ad uno sforzo normale.
Al crescere della tensione diminuisce il tempo di innesco della frattura.
Le fratture da sforzo e corrosione avvengono spesso nei punti in cui la concentrazione degli sforzi, che si presenta durante il funzionamento, è conseguente alla progettazione del componente. Ogni tipo di tacca, scanalatura, perforazione, filettatura di vite, improvviso cambiamento nel diametro di un albero e caratteristiche di questo tipo possono essere definiti critici perché suscettibili di frattura da sforzo e corrosione.
La frattura da corrosione e sforzo è stata osservata unicamente in connessione con sforzi di trazione, mentre gli sforzi per compressione non producono alcuna frattura.
2.3 Caratteristiche
2.3.1 Macroscopiche
La crepa si propaga nel componente perpendicolarmente all'asse dello sforzo principale, senza alcun segno di deformazione plastica. Anche in materiali molto duttili si ha una deformazione plastica nulla o molto bassa. Lo sviluppo di tacche marcate all'apice della crepa, determina la formazione di zone con altissime concentrazioni di sforzo.
Le crepe che si creano sulla superficie, che generalmente mostra solo leggeri attacchi da corrosione, possono avvenire singolarmente o verificarsi in gran numero. La superficie delle crepe aperte si presenta generalmente liscia, ma può apparire ruvida se vi è un'incidenza maggiore di particelle intergranulari o una ramificazione della crepa più pronunciata.
2.3.2 Microscopiche
Le fratture da corrosione e sforzo possono manifestarsi in molti modi: completamente transgranulari, completamente intergranulari, miste. Crepa intergranulare significa che la frattura segue i confini della grana. Crepa transgranulare significa che la frattura passa attraverso la grana senza preferenza per i confini tra i grani.
La frattura da corrosione e sforzo è, solitamente, intergranulare nelle leghe di alluminio, acciai a basso tenore di carbonio, monel ricotto, ottone a e acciaio inossidabile, (almeno inizialmente). Intergranulari o transgranulari sono le leghe di magnesio, rame, nichel.Intergranulari e transgranulari sono gli acciai austenitici. Transgranulari sono le leghe in ottone b e gli acciai austenitici in combinazione con cloruri.
Si conoscono, però, eccezioni a queste regole generali relative all'apparenza delle crepe.
Le fratture transgranulari da corrosione e sforzo avvengono, più frequentemente, in metalli a struttura cubica a faccia centrata come gli acciai austenitici. I metalli cubici a corpo centrato, come l'acciaio ferritico, sono meno sensibili. Di conseguenza l'industria ha sviluppato un tipo di acciaio con microstruttura mista, i cosiddetti acciai DUPLEX, che hanno una resistenza alla frattura da sforzo e corrosione transgranulare molto superiore.
Le fratture variano anche nel grado di ramificazione o di crepe secondarie. La maggior parte delle crepe mostra schemi con molti rami "a delta", possono però anche presentarsi senza ramificazioni.
2.4 Teoria del meccanismo
Non è ancora stato stabilito un metodo dettagliato per spiegare ogni aspetto del fenomeno della frattura da corrosione e sforzo. Attualmente vengono sviluppati diversi programmi di ricerca. Tutte le teorie discusse sono state vagliate attraverso prove di laboratorio, con il risultato che, per il momento, tutte hanno un certo livello di riscontro scientifico.
Le teorie usualmente accette possono essere classificate in uno dei gruppi seguenti :
* Teoria della dissoluzione elettrochimica dei passaggi attivi.
Si crea una cella elettrochimica sulla superficie tra due aree a potenziale leggermente differente. L'area più attiva diviene l'anodo (sottoposto a corrosione) e, in presenza di un elettrolito, inizia la dissoluzione del metallo. Poiché lungo le superfici laterali si forma uno strato protettivo o pellicola passiva, la corrosione viene indirizzata verso l'apice della crepa. In questa piccola area lo sforzo causa la rottura della pellicola protettiva e ulteriore materiale attivo viene ad essere esposto ad ulteriore corrosione. In questo modo una punta acuminata di crepa si propaga attraverso il materiale mentre i lati vengono protetti e non mostrano alcun segno di attacco uniforme da corrosione. Nel caso della frattura intergranulare la sostanza del bordo è la componente attiva e la crepa segue la linea di confine.
* Teoria dell'assorbimento dello sforzo.
Lo sforzo indebolisce i legami tra gli atomi sulla superficie del metallo e crea delle dislocazioni che assorbono gli ioni molecolari con rottura dei legami e formazione di crepe, nelle quali continua il fenomeno dell'assorbimento.
* Teoria delle gallerie di corrosione.
La formazione di cave di corrosione si allunga in una fila di gallerie parallele di corrosione: le pareti non corrose, tra le gallerie, si rompono meccanicamente producendo l'avanzamento della crepa.
* Teoria dell'infragilimento da idrogeno o frattura da corrosione da idrogeno e sforzo.
Questa teoria è normalmente considerata un fenomeno a se stante. Lo ione idrogeno si deposita al catodo per una serie di differenti motivi. Alcuni atomi di idrogeno si diffondono nell'intelaiatura metallica indebolendo il metallo e aumentando gli sforzi fino a creare delle crepe. Questo tipo di fratture si verifica esclusivamente negli acciai non in lega o di basso tenore e negli acciai martensitici. La predisposizione a questo effetto è massima alla temperatura ambiente.
2.5 Misure di prevenzione
Le misure di prevenzione, per ridurre il rischio di fratture da sforzo e corrosione, si basano sui tre fattori che le possono indurre: il materiale, l'ambiente e gli sforzi e comprendono tra l'altro:
* ove possibile, ricottura per l'eliminazione delle tensioni
* compressione residua attraverso laminazione o martellamento, se la ricottura non è possibile
* pulizia dell'ambiente durante e dopo il servizio a mezzo depurazione con gas inerte (azoto)
* eliminazione dello sforzo concentrato (ogni tipo di tacca: cambiamenti improvvisi, fessure, filettature di viti)
* protezione catodica, per quanto riguarda l'indebolimento da idrogeno
* strati di copertura
* altro materiale: leghe di nichel invece di acciaio inossidabile 304, acciaio inossidabile con stabilizzazione Nb/Ti e a basso contenuto di carbonio, acciaio al carbonio invece di acciaio inossidabile, acciaio DUPLEX ferritico-austenitico.
Inoltre ogni componente suscettibile di essere danneggiato deve essere verificato durante tutta la sua vita e sottoposto, in caso di tracce di corrosione, ad ulteriori esami.
3. SNERVAMENTO DA CORROSIONE
Nel caso di snervamento da corrosione il carico ciclico è accompagnato da un meccanismo di corrosione. Secondo la DIN 50 900, lo snervamento da corrosione è definito come "la formazione nei metalli di crepe transgranulari a bassa duttilità, dovute all'effetto simultaneo di carichi meccanici alternati e fenomeni di corrosione". La linea di distinzione fra lo snervamento classico e lo snervamento da corrosione non è chiaramente definita.
Le fratture vengono classificate a seconda del valore del carico ciclico o del contributo dei corrosivi: ogni ambiente, anche l'aria umida circostante, contiene qualche tipo di corrosivo. Pertanto uno snervamento classico puro si può osservare solo in condizioni di vuoto. L'aspetto delle crepe con variazioni di carico di alta frequenza è piuttosto simile a quello dello snervamento classico, mentre con carichi e frequenze bassi assomiglia piuttosto a quello delle fratture da sforzo e corrosione.
A differenza di quanto avviene per le fratture da sforzo e corrosione, la corrosione da snervamento non richiede alcuna specifica condizione rispetto al tipo di corrosione (materiali/corrosivi) e all'ampiezza del carico.
Quando il materiale è sotto sforzo (corrosione attiva), le crepe hanno origine nei punti di concentrazione dello sforzo (ad es. tacche, cave da corrosione, gradini improvvisi nelle sezioni trasversali). Nella corrosione passiva le crepe di snervamento sono prevalentemente causate, su superfici lisce, dall'effetto della dissoluzione locale del metallo (ad es. bande di slittamento emergenti o strati protettivi ripetutamente distrutti).
Lo snervamento da corrosione può avvenire in condizioni sia attive sia passive del materiale. Le crepe si propagano perpendicolarmente allo sforzo principale. Nel caso di materiale attivo, la superficie delle crepe si presenta come una superficie rugosa con numerose crepe preindotte. La superficie in condizioni passive è invece normalmente liscia.
La differenza, a livello microscopico, tra l'aspetto tipico dello snervamento puro e lo snervamento da corrosione non è facilmente apprezzabile. Le crepe da snervamento da corrosione corrono anche attraverso la grana e sulla superficie si possono talvolta osservare fenomeni di corrosione. In caso di snervamento da sforzo meccanico predominante, si possono osservare linee di snervamento e striature. In caso di carico corrosivo predominante si osservano invece aspetti della crepa conseguenti a fratture da sforzo e corrosione, strutturati finemente con una parte di fratture intergranulari.
4. FRATTURE DA CORROSIONE INDOTTE DA TENSIONE
La frattura da corrosione indotta da tensione viene definita come un processo che sta a metà fra la frattura per corrosione da snervamento e quella da sforzo e corrosione.
Nella DIN 50 900, viene descritta come "una corrosione locale con la formazione di crepe nel metallo, come conseguenza di un danneggiamento meccanico degli strati protettivi, causato da ripetuto stiramento o compressione di un componente".
Questo significa che uno strato protettivo creato nel materiale (ad es. uno strato di magnetite nei tubi delle caldaie a vapore) può essere rimosso per effetto di un'inversione di tensione dovuta a sforzi meccanici, per cui la superficie viene così esposta ad attacco corrosivo. L'inversione di tensione può essere la conseguenza di condizioni di esercizio che cambiano rapidamente, ad es. pressione del vapore. Può anche avvenire che l'espansione di un componente sia impedita dal modo in cui è stato costruito e gli sforzi di compressione risultanti nello strato protettivo intacchino il rivestimento. Ad ogni ciclo di carico questo meccanismo si ripete all'apice della crepa, aiutato dalla concentrazione dello sforzo dovuta alla tacca, per cui la crepa si propaga attraverso il materiale.
La frattura per corrosione indotta da tensione è limitata ai materiali che costituiscono le varie coperture protettive.
Viste al microscopio, le crepe corrono tra la grana. Qualche volta si possono osservare prodotti di corrosione.