Danneggiamento da Corrosione di Strutture e Componenti Metallici Cover

Corpo Idraulico di Ottone

Corpo Idraulico di Ottone. Di AQM

Un corpo idraulico d’ottone CW617N UNI EN 12420, stampato a caldo, si ruppe dopo un breve periodo d’esercizio.

Per indagare sulle cause della frattura, la testata rotta fu mandata al Laboratorio che pianificò le seguenti prove per la diagnosi di difetto:

L’analisi chimica dimostrò che la lega usata era ottone CuZn40Pb2 o CW617N UNI EN 12420 come specificato.
Anche la durezza a cuore era normale per lo stato R 360÷400 (stato metallurgico del materiale designato mediante il valore minimo della resistenza a trazione, per il prodotto con requisiti obbligatori di resistenza a trazione), essendo i valori misurati a cuore (media 97 HBW1/10) in buon accordo con quelli indicativi previsti dalla norma per questa specifica lega stampata a caldo (circa 90 HB).

Rottura in Esercizio Cricca Lungo Filettatura

 A sinistra: corpo idraulico d’ottone CW617N UNI EN 12420, stampato a caldo e rotto precocemente in esercizio. A destra: superficie interna filettata, con cricca lungo il fondo gola della filettatura.

Corpo Idraulico di Ottone

L’esame visivo evidenziò una cricca passante l’intera parete del corpo idraulico nella zona filettata coincidente col fondo gola del terz’ultimo filetto impegnato dal tappo per un acro di circonferenza di 150° a 8 mm dalla superficie piana di battuta del tappo.

Morfologia della Frattura Ossidata

A sinistra: morfologia della frattura, ossidata, con innesco sul fondo gola della filettatura 2,5 x circa. A destra: aspetto ossidato e parzialmente eroso della frattura originale 6 x circa.

Corpo Idraulico di Ottone

L’esame macro frattografico della superficie di frattura, esposta previo taglio del pezzo e rottura per sovraccarico imposto in laboratorio, evidenziò un aspetto ossidato, liscio e fortemente eroso ragionevolmente dal flusso d’acqua in pressione che attraversò la frattura, generando la perdita del corpo idraulico.

L’esame microfrattografico della frattura originale in microscopia elettronica a scansione (SEM) evidenziò estesa erosione su quasi tutta la superficie; tuttavia in alcune aree, fortunatamente protette dall’erosione si osservarono le caratteristiche striature, tipiche dalla frattura di fatica.

La superficie della frattura di sovraccarico imposto in laboratorio evidenziava coalescenza di microvuoti, tipica della frattura duttile.

L’esame micrografico della sezione ortogonale alla frattura indicata in figura 2 destra, evidenziò un profilo liscio, confermando il fenomeno d’erosione in atto.

Nel punto di probabile innesco della frattura (figura 4 destra) e lungo il profilo del fondo gola della filettatura non si osservarono difetti microstrutturali dell’ottone o significative deformazioni da lavorazione meccanica.

Morfologia della Frattura da Sovraccarico

A sinistra: morfologia della frattura da sovraccarico imposto in laboratorio. Frattura duttile per coalescenza di microvuoti. A destra: sezione micrografica. Bordo della frattura originale lisciato dall’erosione. Attacco FeCl3. 25 x.

Corpo Idraulico di Ottone

La microstruttura era bifasica alfa+beta, tipica dell’attuale ottone, con fase alfa di forma aciculare, ma con grano cristallino primario fortemente ingrossato tipico di una temperatura di stampaggio superiore quella di completa trasformazione in fase alfa, per un tempo troppo lungo, tale da ingrossare significativamente il grano.

Profilo del Fondo Gola della Filettatura

A sinistra: profilo del fondo gola della filettatura privo di significativa deformazione e ben raggiato. A destra: grani primari di fase alfa assai grossolani (sfumature di colore diverse), poi trasformati in alfa+beta. Attacco FeCl3 e osservazione in luce polarizzata. 50 x.

Corpo Idraulico di Ottone

Conclusioni

Stante i risultati delle analisi ed esami condotti, il Laboratorio attribuì la causa della frattura al fenomeno di tensocorrosione, pur mancandone le evidenze, vale a dire: andamento e ramificazione inter-intragranulare della frattura, invocando l’erosione che ne avrebbe cancellato le tracce.

Non si comprende perché il Laboratorio abbia trascurando le ipotesi della:

  • frattura di fatica, di cui ebbe evidenza con le striature, non confondibili con una struttura lamellare (tipo perlite) assente in questa lega;
  • fatica-corrosione, visto che nelle conclusioni accennò anche all’eventuale presenza di questo fenomeno.

L’attuale ottone è indubbiamente sensibile alla tensocorrosione; infatti: la parete rotta del corpo idraulico è sicuramente sottoposta a tensione, con concentrazione di sforzo nel fondo gola della filettatura, a causa del serraggio del tappo e per le sollecitazioni dovute alla pressione del corpo idraulico. Solo questo fatto può escludere la tensocorrosione quale fenomeno determinante, visto che la sua caratteristica è la staticità delle sollecitazioni.

Infine, non è stato dimostrato che l’ambiente fosse significativamente aggressivo per l’ottone, visto il colore scuro, ma non rossastro, delle superfici venute a contatto col liquido e l’assenza di evidente dezincificazione. Dunque mancherebbe uno dei tre fattori contemporaneamente necessari per l’innesco e propagazione della tensocorrosione: sensibilità delle lega, tensioni statiche d’intensità oltre un limite di soglia e ambiente aggressivo.

Se è vero, come si accennò nelle conclusioni del Laboratorio, che il corpo idraulico lavorò per decine di ore prima di evidenziare le perdite, è logico ipotizzare quale causa determinante dell’attuale insuccesso il fenomeno della fatica, favorito dalla concentrazione di sforzi a fondo gola della filettatura e soprattutto per l’indebolimento della lega con un grano primario fortemente ingrossato da una temperatura di stampaggio eccessiva.

Infatti, la microstruttura con grano alfa primario fortemente ingrossato è generalmente dovuta a una temperatura di stampaggio troppo alta, rispetto alla buona pratica; temperatura superiore a quella di totale trasformazione della lega bifasica in mono fasica alfa, dove l’accrescimento del grano diventa rapido e incontrollato (centimetri nel caso attuale), con effetti negativi sulla deformabilità plastica a caldo, per indebolimento dei bordi dei grani.

Il grano troppo grosso riduce le caratteristiche meccaniche (Rm e Rp0,2) della lega stampata, lasciando quasi invariata la durezza. Di conseguenza diminuisce la resistenza a fatica della lega che, unita alla concentrazione di sforzo nel fondo gola della filettatura, può favorire l’innesco e la propagazione rapida della frattura.

Se poi fosse stata anche presente una potenziale corrosione, il tutto sarebbe ulteriormente peggiorato (fatica-corrosione), ma non pare questo il caso.

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