i introduzione - Università degli studi di Bergamo

Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
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
File:
Data:
Acciai
Cap-0 Draft 2005.doc
09/03/2006
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
Il ferro (p.f. 1539 °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, Fe2O3, la limonite, Fe2O3⋅H2O, la magnetite, Fe3O4, il disolfuro (pirite), FeS2.
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 + O2 → CO2 + 94,4 kcal
Fe3O4 + 4 CO → 3 Fe + 4 CO2 + 4,3 kcal
CO2 + O2 → 2 CO – 41,1 kcal
2 C + O2 → 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:
Fe3C + O2 → 3 Fe + CO2
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:
– ghisa grigia:
il carbonio è presente come carburo (cementite), Fe3C, duro e
fragile; trovano applicazione dove è richiesta resistenza
all’usura e all’abrasione;
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:
I.1.3
per trattamento termico successivo alla colata, il carbonio
presente come cementite viene trasformato in noduli di grafite.
Acciai inossidabili
É definito acciaio inossidabile una lega contenente una quantità di cromo (Vr) superiore all'1112 %, 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
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
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 16-18 % 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 11-14 % di Cr e 0,15 % di C, e l’AISI 420 con
12-14 % 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 18-20 % di Cr e 8-10,5 % di nichel; il tipo AISI 316
contiene 16-18 % di Cr, 10-14 % 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)
rame
ottoni
ottoni allo stagno
bronzi al fosforo
bronzo alluminio
altre leghe rame-zinco
cupronichel
numero UNS
C10100-C15760
C20500-C28580
C40400-C49080
C50100-C52400
C60600-C64400
C66400-C69900
C70000-C79900
elementi di lega
>99% Cu
Cu-Zn
Cu-Zn-Sn-Pb
Cu-Sn-P
Cu-Al-Ni-Fe-Si-Sn
Cu-Ni-Fe
lega (getti)
ottoni rossi
ottoni gialli
bronzo alluminio
numero UNS
C83300-C85800
C85200-C85800
C95200-C95810
elementi di lega
Cu(75-89%)-Zn-Sn-Pb
Cu(57-74%)-Zn-Sn-Pb
Cu-Al-Fe-Ni
p. 3
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
I.1.4.1
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 (Al2O3).
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/cm3); 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 1825. 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
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
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
aeronautica.
è
richiesta
elevata
resistenza
meccanica:
industria
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
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
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
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
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
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
TABELLE
Dati caratteristici dei principali materiali metallici.
metallo
simbolo
peso atomico
densità (kg/m3) % nella crosta
terrestre
1,8
6⋅10-4
berillio
Be
numero
atomico
4
magnesio
alluminio
cromo
ferro
nichel
rame
zinco
titanio
argento
Mg
Al
Cr
Fe
Ni
Cu
Zn
Ti
Ag
12
13
24
26
28
29
30
33
47
24,32
26,98
52,01
55,86
58,71
63,54
65,38
49,90
108,88
1,74
2,70
7,1
7,86
8,90
8,96
7,14
4,5
10,5
stagno
oro
Sn
Au
50
79
118,71
197,0
7,3
19,3
9,13
2,00
7,73
0,018
4,75
0,010
0,007
0,008
0,42
1⋅10-5
0,004
5⋅10-7
Designazioni e composizione dei più comuni tipi di acciai inossidabili.
UNS
AISI
des. comm.
S30400
S30403
S31000
S31600
S31603
S32100
304
304L
310
316
316L
321
-
Cr (%)
Ni (%)
Austenitici
18-20
8-10
18-20
8-12
24-26
19-22
16-18
10-14
16-18
10-14
17-20
8-12
S34700
347
-
17-19
S31254
-
254 SMO
S41000
S42000
410
420
S43000
430
S31803
S32404
S32550
S32750
22 Cr
Uranus 50
Alloy 255
SAF 2507
9-13
19-21
17-19
Martensitici
11-14
12-14
Ferritici
16-18
Austeno-ferritici
21-23
4,5-6,5
20-23
5,5-8,5
24-27
4,5-6,5
25
7
p. 8
Mo (%)
Cmax (%)
altri (%)
2-3
2-3
-
0,08
0,03
0,25
0,08
0,03
0,08
Ti = 10×Cmin
-
0,08
Cb = 5×Cmin
6-6,5
0,02
-
0,15
0,22
-
0,12
2-4
2-3
2-4
4
0,03
0,04
0,04
0,03
N 0,2
N 0,3
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
Composizione chimica di alcune leghe di rame.
UNS
designazione
commerciale
Cu
(%)
99,90
min(1)
84-86
63-68,5
59-63
Ni (%)
Zn (%)
Sn (%)
-
-
-
-
rem
rem
rem
-
70-73
-
rem
62-65
-
rem
C12200
rame
C23000
C27000
C28000
C46200
ottone rosso
ottone giallo
lega Muntz
ottone
ammiragliato
ottone navale
C60800
bronzo alluminio
rem(1)
C65100
bronzo al silicio
rem(1)
-
1,5 max
76-79
-
rem
rem(1)
rem(1)
9-11(2)
29-33(2)
1 max
1 max
C44300
C70600
C71500
ottone alluminio
As
cupronichel
cupronichel
C72200
cupronichel
rem(1)
15-18(2)
1 max
C83600
ottone rosso
getti
84-86(3)
1 max (2)
4-6
bronzo
manganese
bronzo alluminio
bronzo nichel
alluminio
55-60(3)
1 max (2)
36-42
86 min
-
-
79
4-5(2)
-
C68700
C86500
C95200
C95800
(1)
Ag incluso
Co incluso
(3)
Ni incluso
(2)
p. 9
altri (%)
P 0,015-0,025
Fe 0,05 max; Pb 0,05 max
Fe 0,07 max; Pb 0,10 max
Fe 0,07 max; Pb 0,30 max
Fe 0,06 max; Pb 0,07max; As 0,020,8-1,2
0,06
0,5-1.0 Fe 0,10 max; Pb 0,20 max
Al 5-6,5; As 0,2-0,35;
Fe 0,10 max; Pb 0,10
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;
Fe 1-1,8; Mn 1 max; Pb 0,05 max
Fe 0,40-1; Mn 1 max; Pb 0,05 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
5
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
1 max
0,4 max;
Al 8,5-9,5; Fe 2,5-4
Al 8,5-9,5; Fe 3,5-4,5; Mn 0,8-1,5;
0,1 max
Pb 0,03; Si 0,1 max
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
Composizione chimica delle principali leghe di titanio.
UNS
R50250
R50400
R53400
R56260
R58640
designazione
commerciale
Grado 1
Grade 2
Grade 12
Ti-6246
Ti-38644
Cmax
Nmax
Hmax
Omax
Femax altri
0,1
0,1
0,08
0,03
0,03
0,03
0,015
0,015
0,015
0,18
0,25
0,25
0,20
0,30
0,3
p. 10
0,2-0,4 Mo 0,6-0,9 Ni
6 Al; 2 Sn; 6 Mo; 4 Zr
3 Al; 6 Cr; 4 Mo; 8 V; 4 Zr
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
I.4
APPENDICI
I.4.1
Unità di misura
I.4.2
Definizioni
I.4.2.1 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
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
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.4.2.2 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 → Men+ + 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, NA, pari a 6,02x1023.
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 qe, 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
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
Reazione elettrochimica
O reazione di elettrodo: reazione che coinvolge, oltre a
molecole e ioni, elettroni provenienti da un metallo.
I.4.2.3 Materiali metallici
Acciaio al carbonio
Acciaio basso legato
Acciaio inossidabile
A. inossidabile austenitico
A. inoss. austeno-ferritico
Acciaio inoss. martensitico
Bronzo
Carico di snervamento
Ghisa
Ghisa bianca
Ghisa grigia
Ghisa malleabile
Ghisa sferoidale
Ghisa alto legata
Lega di nichel
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 con un tenore complessivo di elementi di lega inferiore
al 5%, ma superiore alle quantità specificate per l'acciaio al
carbonio.
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.
Acciaio inossidabile la cui microstruttura, a temperatura
ambiente, è costituita prevalentemente dalla fase austenitica.
Acciaio inossidabile la cui microstruttura, a temperatura
ambiente, è costituita prevalentemente da una matrice bifasica
di austenite e ferrite (duplex).
Acciaio inossidabile la cui microstruttura, dopo trattamento
termico di tempra sufficientemente rapido, è costituita
prevalentemente dalla fase martensitica.
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 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%).
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 in cui il carbonio è presente sotto forma di cementite
(FeC3).
Ghisa in cui gran parte del carbonio è presente sotto forma di
grafite lamellare.
Ghisa in cui, per trattamento termico successivo alla colata, il
carbonio presente come cementite viene trasformato in noduli
di grafite.
Ghisa in cui il carbonio si trasforma, durante la solidificazione in
sferoidi di grafite (anche ghisa nodulare).
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 metallica a struttura austenitica dove il nichel è il
principale elemento di lega, a parte eventualmente il ferro.
p. 13
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
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
Bruno Bazzoni
Dispense del corso “Corrosione e protezione dei materiali metallici”
Introduzione
I.4.3
Simboli
η
sovratensione
ρ
resistività
ξ
efficienza di un rivestimento organico
a
anno
Acid(8,2)
acidità, alla fenolftaleina, di un’acqua
Alk
alcalinità totale, al metilarancio, di un’acqua
CSE
elettrodo di riferimento rame, solfato di rame saturo
0
E
potenziale standard
Ea
potenziale anodico
Ec
potenziale catodico
Ecor
potenziale di corrosione
Eeq
potenziale di equilibrio
ER
potenziale di pitting, o di rottura
i
densità di corrente
icor
densità di corrente di corrosione
iL,O2
densità di corrente limite di diffusione di ossigeno
M
generico metallo
NHE
normal hydrogen electrode; elettrodo di riferimento standard di idrogeno
PRE
pitting resistance equivalent
R0
resistenza di isolamento di un rivestimento organico
RA
resistenza anodica
S
area
SCE
elettrodo di riferimento al calomelano
I.5
NORMATIVA DI RIFERIMENTO
ISO 8044
Basic Terms and Definitions on Corrosion.
ASTM E 527
Standard Practice for Numbering Metals and Alloys (UNS).
p. 15