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Danneggiamento da Temperatura Elevata

Danneggiamento da Temperatura Elevata.

Tratto da Cibaldi C. I criteri di scelta e di trattamento degli acciai da costruzione e da utensilii Vol. IV Diagnosi dei Difetti Metallurgici cap. 1, 3, 4, 6. Edizione AQM, Provaglio d’Iseo anno 2010.

Tratto da Cibaldi C.I criteri di scelta e di trattamento degli acciai da costruzione e da utensili”, Volume II Parte Seconda – Acciai Speciali da Costruzione, cap. 9. Edizione AQM, Provaglio d’Iseo anno 2008.

Il danneggiamento a temperatura elevata può avvenire per sovraccarico, fatica, usura, corrosione e per scorrimento viscoso (creep), ovviamente non avviene per frattura fragile, tipica della bassa temperatura, anche se è possibile l’infragilimento da idrogeno in determinate circostanze.

La temperatura elevata complica i meccanismi di danneggiamento, la diagnosi di difetto e le possibili risoluzioni, in quanto tutti i fenomeni citati tendono a interagire.

Per una corretta scelta dei metalli da usare ad alta temperatura bisogna innanzitutto raccogliere tutte le informazioni sulle loro proprietà fisiche e meccaniche ad alta temperatura. Ciò è indispensabile per definire il grado d’affidabilità dal punto di vista strutturale. Tuttavia quest’analisi risulta soltanto preliminare e di nessuna garanzia, visto che in esercizio entrano in gioco molti altri fenomeni che coinvolgono:

  • la resistenza alla corrosione del metallo nei confronti dell’ambiente o del fluido di processo;
  • le condizioni di fatica termica o di anomali surriscaldamenti, inevitabili nella pratica industriale;
  • l’alterazione strutturale del metallo, per instabilità metallurgica alle condizioni d’esercizio, quali lo scorrimento viscoso, che si manifesta significativamente a partire da una temperatura di circa la metà di quella assoluta di fusione del metallo, la carburazione, la decarburazione, la solforazione, l’ossidazione, la precipitazione di carburi o di fasi fragili, o che infragiliscono il metallo.

I criteri di progettazione delle strutture sollecitate staticamente a temperatura elevata sono diversi da quelli usati per la progettazione di strutture che lavorano a temperatura ambiente, che in opera sono normalmente sollecitate in campo elastico. Con l’applicazione del carico, esse subiscono una deformazione elastica istantanea e nessuna ulteriore deformazione plastica nel tempo. Se il carico è rimosso, ritornano alle loro dimensioni originali. A temperatura elevata, dopo applicazione del carico una struttura è soggetta a una deformazione elastica istantanea e poi a una deformazione plastica continua nel tempo per effetto dei fenomeni di scorrimento viscoso (creep), anche se caricata entro il limite elastico alla temperatura d’esercizio. Pertanto la progettazione non mira ad evitare lo scorrimento, ma a limitarlo entro valori compatibili con la vita della struttura, considerando:

 

  • il valore minimo della resistenza a trazione Rm a temperatura ambiente, inteso a prevenire rotture per scoppio;
  • il valore minimo della resistenza allo snervamento (ReH, ReL o Rp02) alla temperatura di progetto, inteso a controllare le deformazioni plastiche;
  • il valore minimo del carico che produce la rottura per scorrimento in 105 ore (11 anni circa), alla temperatura di progetto, inteso a prevenire le rotture per scorrimento viscoso durante l’esercizio;
  • il valore medio del carico che produce lo scorrimento dell’1 % in 105 ore, alla temperatura di progetto, inteso a controllare eccessive deformazioni per tutto l’esercizio.

Le sollecitazioni massime ammissibili alla temperatura di progetto non devono essere superiori al valore minimo delle proprietà sopra descritte alle quali, in sede di progetto, sono applicati opportuni coefficienti di sicurezza. I dati di letteratura sono utili per il calcolo dei recipienti e tubazioni in pressione, come nel caso delle caldaie e degli scambiatori di calore, ma non sono adeguati per altre applicazioni come per le palette di turbine alimentate a vapore pressurizzato, destinate a generatori di corrente elettrica o ai motori a reazione, per i quali sono generalmente definiti limiti specifici inferiori. Dunque la vita di un componente metallico in servizio ad alta temperatura sarà prevedibilmente limitata, anche per sollecitazioni puramente statiche; mentre quella di componenti in servizio a temperatura ambiente, in assenza di corrosione e usura, dovrebbe essere illimitata.

Ogni metallo o lega deve essere considerato singolarmente in funzione delle specifiche proprietà ad elevata temperatura e per ognuna esiste un limite minimo di temperatura oltre il quale diventa importante lo scorrimento viscoso (circa la metà della temperatura assoluta del punto di fusione di un metallo o del solidus di una lega).

I principali tipi di danneggiamento a temperatura elevata sono:

  • il surriscaldamento
  • l’instabilità strutturale
  • lo scorrimento viscoso
  • la fatica termica
  • tutti i tipi di danneggiamento che avvengono a temperatura ambiente e le loro combinazioni, aggravate dall’interazione con l’ambiente, cioè reazioni chimiche dirette tra metallo e gas o liquidi a contatto.

Generalmente il tipo di meccanismo di danneggiamento è studiato attraverso l’esame delle superfici di frattura e dal confronto tra le condizioni d’esercizio e i dati di letteratura inerenti la resistenza del materiale al creep, alle sollecitazioni a caldo, alle tensioni, alla fatica ad alta temperatura ed alla fatica termica. Ciò è sufficiente nella diagnosi di difetto di molti casi, ma un’indagine assai più approfondita diventa necessaria quando le sollecitazioni, il tempo, la temperatura e l’ambiente agiscono modificando la microstruttura metallurgica del componente.

L’identificazione del danneggiamento per scorrimento viscoso è generalmente facile perché coinvolge quasi sempre una deformazione plastica macroscopica (strizione – figura 1) e una frattura intergranulare microscopica, tipica della frattura fragile priva di micro deformazione (figura 2).

Figura 1. Provetta sottoposta a prova di scorrimento viscoso a caldo (creep). Tipica deformazione macroscopica (strizione) con formazione di numerose cricche intergranulari.

Danneggiamento da Temperatura Elevata

Figura 2. Sezione micrografica della provetta di figura 9.01. Presenza di microvuoti e cricche intergranulari. Nessun attacco. 300 x circa.

Danneggiamento da Temperatura Elevata

La fatica termica è tipica degli utensili per lavorazioni a caldo e si riconosce per la ragnatela di cricche (crettature) che si formano sulle superfici soggette a severi cicli termici ripetuti (figura 3).

Figura 3. Esempi di cricche di fatica termica (crettature) osservate sulla superficie di uno stampo di pressocolata dell’alluminio (a sinistra) e sulla superficie di una conchiglia d’acciaio legato per la colata di getti d’oro (a destra).

Danneggiamento da Temperatura Elevata

Spesso lo scorrimento viscoso, la fatica termica e la corrosione ad alta temperatura interagiscono danneggiando irrimediabilmente le struttura come nell’esempio di figura 4.

Figura 4. Esempio di cricche da fatica termica (crettature), corrosione e scorrimento viscoso, osservate sulla superficie di un tubo di vaporizzatore d’acciaio al carbonio ASTM A210 A1, danneggiato fino a rottura.

Danneggiamento da Temperatura Elevata

L’assorbimento d’idrogeno ad alta temperatura può decarburare l’acciaio e portare a fratture fragili, come nel caso illustrato in figura 5.

Figura 5. Microcricche intergranulari continue dovute alla formazione di metano al bordo dei grani per danneggiamento da idrogeno di un tubo d’acciaio al carbonio, Ø 110 x 20 mm, di un impianto per la sintesi dell’ammoniaca che trasportava idrogeno a 300 atmosfere alla temperatura di 260÷280 °C.

Danneggiamento da Temperatura Elevata

La precipitazione di fasi fragili, come la fase sigma negli acciai refrattari o resistenti ad alta temperatura (figura 6), è spesso foriera di fratture fragili.

Figura 6. Aspetto della fase sigma (cristalli aghiformi) precipitata nella matrice di un acciaio refrattario austenitico esposto per lungo tempo ad alta temperatura. Attacco Vilella.  200 x circa.

Danneggiamento da Temperatura Elevata

La precipitazione di carburi di cromo al bordo dei grani degli acciai inossidabili austenitici, nota come fenomeno di sensibilizzazione, è la causa della corrosione intergranulare che può portare rapidamente al collasso delle strutture saldate fabbricate con acciai inossidabili soggetti alla sensibilizzazione e quindi inadatti alla saldatura (figura 7).

Figura 7. A sinistra: precipitazione di carburi di cromo a bordo grano di una lamiera d’acciaio inossidabile austenitico AISI 304 sensibilizzato. Al centro: corrosione intergranulare dovuta alla sensibilizzazione durante la saldatura dell’acciaio inossidabile austenitico.  A destra: profonda corrosione nella zona termicamente alterata della lamiera d’acciaio inossidabile austenitico sensibilizzato, inadatto alla saldatura.

Danneggiamento da Temperatura Elevata

Anche le reazioni chimiche dirette tra il metallo e l’ambiente o i gas che lo lambiscono (ossidazione, solforazione, cementazione e decarburazione, idrogenazione e nitrurazione, ecc.), eventualmente aggravate dall’erosione e cavitazione per il veloce e turbolento moto relativo del fluido a contatto con la superficie, sono causa di infragilimento, cedimento e/o danneggiamento fino all’avaria di strutture o di componenti in moltissime applicazioni, come nel caso delle valvole di scarico di un motore endotermico, illustrato in figura 8.

Figura 8. Severa corrosione erosione localizzata di due valvole di scarico di motore endotermico a benzina, costruite in lega a base nichel e funzionanti a 760÷815 °C.

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