prof. francesco iacoviello - metallurgia · 2013-10-12 · leghe di ni rame acciaio inossidabile...
TRANSCRIPT
Metallurgia della saldatura
M t ll iMetallurgiaMetallurgia della saldatura
Prof. Francesco Iacoviello
Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25i di i i l dOrario di ricevimento: Mercoledì 14.00-16.00
Tel.-fax 07762993681E mail: iacoviello@unicas itE-mail: [email protected]
Sito didattico: http://webuser.unicas.it/iacoviello
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Saldatura degli acciaiMetallurgia della saldatura
La saldatura dei materiali metallici è un processo tecnologico che consiste nelfornire continuità meccanica e metallica a due o più lembi mediante fusione (e/opressione) e successiva solidificazionepressione) e successiva solidificazione.
Sorgenti di energia impiegate in saldatura,da sole o in coppia:da sole o in coppia:• Elettriche Arco
Plasma
• Laser
ScintillioEffetto JouleFascio elettronico
• Meccaniche UrtoPressioneEsplosione
• Chimiche
EsplosioneAttritoUltrasuoni
FiChimiche Fiamma Reazioni esotermiche
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Tecniche di saldaturaMetallurgia della saldatura
• Saldatura per fusione
Ad arco
Ad elettrodi rivestitiAd arco sommersoIn atmosfera gassosa{Ad arco
Chi i
In atmosfera gassosaElettrogasPlasma
Gas
{{Chimica
Fisica
GasAlluminotermica
Fascio elettronicoL
{{Fisica Laser
Elettroscoria{
• Saldatura per pressione R i t{Esplosione
Saldatura per pressione ResistenzaScintillioInduzione{{
Elettrica
Esplosione AttritoUltrasuoni{
{Meccanica
Bollitura{Fuoco
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Rappresentazione tridimensionale di un cordone di Metallurgia della saldatura
ppsaldatura formato da una sorgente termica in movimento
v = velocità movimento sorgente (m/s)v velocità movimento sorgente (m/s)W = potenza erogata (kJ/s)
Quantità di energia disponibile per unità di lunghezzaQuantità di energia disponibile per unità di lunghezzaH = W/v (kJ/m)
Rapporto di diluizioneRapporto di diluizioneRd = vol. metallo base fuso/vol. totale zona fusa
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Metallurgia della saldatura
1538 Liqu.1
4 231394
1538
δ
Liqu.
2 41δ
T [°C]
HV912γ
3 HV
7273
4
0.02 0.77α
0.2%C
4
Francesco Iacoviello Università di Cassino
1538 Liqu.1
Metallurgia della saldatura
13941538
δT [°C]
q
2
Microstruttura alla massima temperatura
727
912 γ3
0.02 0.77
727α
0.2 %C
4
Microstruttura dopo raffreddamento (acciaio a bassa temprabilità)
Microstruttura dopo raffreddamento (acciaio ad elevata temprabilità)
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Evoluzione della temperatura nel tempo al crescere della di d l d di ld
Metallurgia della saldatura
distanza dal cordone di saldatura
Francesco Iacoviello Università di Cassino
• Zona 1: La temperatura non supera i 600°C circa
Metallurgia della saldatura
• Zona 1: La temperatura non supera i 600 C circa• Zona 2: La temperatura è compresa fra 600°C ed Ac1• Zona 3: La temperatura è compresa fra Ac1 ed Ac3• Zona 4: La temperatura è compresa fra Ac e 1100°C circa• Zona 4: La temperatura è compresa fra Ac3 e 1100°C circa• Zona 5: La temperatura è compresa fra 1100 e 1500°C (fusione).• Zona sotto cordone: nei vari punti del cordone, per velocità di raffreddamentod i i i i h b i i i h f ii li i hdecrescenti, si ottengono strutture martensitiche, bainitiche e ferriito-perlitiche.
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Influenza delle dimensioni del grano nel metallo base e nella zona di
Metallurgia della saldatura
Influenza delle dimensioni del grano nel metallo base e nella zona di legame sulla struttura di solidificazione
Possibili difetti macroscopici in una saldatura testa-testa in ZF o in ZTA
Francesco Iacoviello Università di Cassino
I principali problemi metallurgici della ZF sono:P t i d ll’ bi t d l b t lli
Metallurgia della saldatura
• Protezione dall’ambiente del bagno metallico• Condizioni di raffreddamento
I problemi relativi alla solidificazione sono principalmente tre:• Formazione di strutture dendritiche• Formazione di cavità di ritiro• Inglobamento di particelle non metalliche (ossidi, scorie,…)
La composizione del metallo di apporto deve essere simile a quelladel metallo base, con le seguenti modifiche:del metallo base, con le seguenti modifiche:• %C inferiore a quello del metallo base (p.e. 0.1% contro lo 0.2%)• Mo quasi sempre presente perché aumenta di molto la resistenzadel giunto senza intaccare la tenacità (0.15-0.75%)• Ni generalmente più alto del metallo base, per le stesse ragioni delMMo• Si, S, P e V ridotti al minimo
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Metallurgia della saldatura
Lateralmente alla ZF si trova no due ZTA che possono subire, dopouna parziale oppure totale austenitizzazione, varie trasformazioni aseconda dell’apporto termico e della velocità di raffreddamentoseconda dell apporto termico e della velocità di raffreddamento
Per la saldabilità di un acciaio si può utilizzare come parametro ilp pCarbonio equivalente CE:Ceq = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 + q
(%Cu+%Ni)/15
• Ceq < 0.4% : non ci sono particolari problemi metallurgici• 0.4< Ceq < 0.60 : si prescrive il preriscaldo dei lembieq p p• Ceq > 0.60% si prescrivono sia un pre che un postriscaldo
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Metallurgia della saldatura
Precipitazione di carburi in zona termicamente alterata
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Cenni di corrosione
M t ll iMetallurgiaCenni di corrosione
Prof. Francesco Iacoviello
Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25i di i i l dOrario di ricevimento: Mercoledì 14.00-16.00
Tel.-fax 07762993681E mail: iacoviello@unicas itE-mail: [email protected]
Sito didattico: http://webuser.unicas.it/iacoviello
Francesco Iacoviello Università di Cassino
CorrosioneCenni di corrosione
E’ il processo antitetico a quello della metallurgia estrattiva in quanto ilmetallo tende a riassumere una forma ossidata non dissimile da quellaoriginaria del minerale. Tale processo è caratterizzato da una variazionenegativa di energia libera (ΔG<0), quindi avviene spontaneamente.
Gli ambienti più comuni per i fenomeni di corrosione sono rappresentati dasoluzioni acquose contenenti elettroliti, da acide (H2SO4, HCl…) a basicheso u o acquose co e e e e o , da ac de ( 2SO4, C …) a bas c e(NaOH, acqua di mare…), dall’atmosfera (per formazione di condensa), dalterreno, da gas ad alta temperatura (corrosione a secco).
Francesco Iacoviello Università di CassinoCorrosione atmosferica di un acciaio basso-legato in prossimità del mare
Lo schema elementare per introdurre il fenomeno della corrosione è quello did lli di i f l l i
Cenni di corrosione
Na+ Cl- Cl-Na+
due metalli diversi a contatto fra loro e con una soluzione acquosa
Ferro Rame
Na+ Cl- Cl-Na+
Il metallo meno nobile, in questo caso il ferro, si ossida secondo la reazioneanodica:
Fe = Fe++ + 2e-Fe = Fe + 2e
Sulla superficie del metallo più nobile (in questo caso il rame) si verifica unad ll d i i t di h d l di idelle due reazioni catodiche, secondo la presenza o meno di ossigeno:
Reazione catodica con ossigeno:1/2 O2 + H2O + 2e- = 2OH-
Reazione catodica senza ossigeno:2 H2O + 2e- = H2 + 2OH-
2 2
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Cenni di corrosione
Ferro Rame
Na+ Na+Cl- Cl-
OH-Fe2+
d catodoanodo
La velocità di corrosione è un parametro che misura il passaggio di elettroni; nelcaso di corrosione generalizzata è esprimibile dalla densità di corrente elettricacaso di corrosione generalizzata, è esprimibile dalla densità di corrente elettrica(A/m2) che passa tra catodo ed anodo o dalla variazione di peso dell’anodonell’unità di tempo e di superficie (mg/dm2 giorno) o di perdita di spessored ll’ d ll’ i à di ( / )dell’anodo nell’unità di tempo (mm/anno).
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Serie galvanica dei potenziali in acqua di mare
Cenni di corrosione
Serie galvanica dei potenziali in acqua di mare
PlatinoOro
ArgentoTitanio
Acciaio inossidabile passivoLeghe di Ni
RameAcciaio inossidabile attivo
Acciaio al carbonioAlluminio
ZincoZincoMagnesio
La corrosione si manifesta anche in presenza di un solo metallo grazie allap gformazione sulla superficie del metallo di microzone anodiche e catodiche checambiano di posizione casualmente nel tempo e nello spazio.Macroscopicamente si ottiene un attacco corrosivo generalizzato del metalloMacroscopicamente si ottiene un attacco corrosivo generalizzato del metallo.
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Corrosione galvanica Corrosione uniforme
Cenni di corrosione
C i l li C hCorrosione localizzata Corr. sotto schermoPit crevice
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Metodi di protezione contro la corrosioneCenni di corrosione
• Metodi cinetici: permettono di agire direttamente sulla velocità di corrosione. Intale categoria possono essere ricordati:
l’impiego degli inibitori;- l impiego degli inibitori;- l’impiego dei rivestimenti;-in una certa misura, la passivazione anodica, in cui il metallo viene portato nelle
di i i di i i i f t t if ttilsue condizioni di passivazione, ovvero riesce a formare uno strato uniforme, sottile,compatto, ed aderente di ossido superficiale che svolge un ruolo protettivo.
• Metodi termodinamici: essi consistono nel far “funzionare” il metallo in condizionidi immunità. Si possono citare in tale categoria:- la scelta del metallo;- la protezione catodica, che permette di posizionare il metallo nella sua zona diimmunità.
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Impiego di rivestimentiSi possono distinguere:
Cenni di corrosione
Si possono distinguere:• Rivestimenti metallici, ottenuti per:
- elettrolisi (Zn, Ni, Cr, Cu, Cd, ...)immersione (Zn Sn Al)- immersione (Zn, Sn, Al)
- diffusione di un elemento di lega (Zn, Al)- placcatura, su prodotti piani durante la laminazione a caldo (saldatura per diffusione) Sono placcati anche su acciaio al carbonio: acciai inossidabili ottonediffusione). Sono placcati anche su acciaio al carbonio: acciai inossidabili, ottone, nickel, cupro-nickel, rame, ... .
• Rivestimenti non metallici- pitture, vernici contenenti eventualmente degli inibitori di corrosione;p , g ;- smalti, vetri;- materie plastiche, gomme;- fosfatazione;- ossidazione anodica (Al) oppure chimica (Mg).
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Corrosione degli acciai inossidabiliCenni di corrosione
Gli acciai inossidabili sono così denominati grazie alla loro caratteristicaresistenza alla corrosione, dovuta alla formazione di un film protettivopassivante legato alla presenza del Cr. Diversi sono i parametri che influenzanop g p pla resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili:• acidità del mezzo aggressivo (pH);• tenore in ioni alogenuri (essenzialmente Cl-);• tenore in ioni alogenuri (essenzialmente Cl );• potere ossidante della soluzione aggressiva;• temperatura.
Questi acciai hanno una buona resistenza alla corrosione generalizzata, dipendentedalla loro composizione chimica, ma risultano sensibili ad alcune forme dicorrosione localizzata:corrosione localizzata:•Vaiolatura (pitting);•Corrosione cavernosa;•Corrosione sotto sforzo;•Corrosione sotto sforzo;•Corrosione intergranulare
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Vaiolatura Affinché si possa avere si debbono verificare contemporaneamente le tre
Cenni di corrosione
Affinché si possa avere si debbono verificare contemporaneamente le treseguenti condizioni:•Ambiente ossidante•Presenza di ioni alogenuri (ad esempio Cl-)•Presenza di ioni alogenuri (ad esempio Cl )•Metallo passivabile (ad esempio acciaio inossidabile)Caso tipico è quello di strutture in acciaio inossidabile austenitico immerse in
di ( bi t id t t t i i Cl-)acqua di mare (ambiente ossidante contenente ioni Cl-)Corrosione cavernosa
Attacco corrosivo localizzato in cui fenomeni di idrolisi, diminuzione del pH ela presenza degli ioni Cl- giocano un ruolo importante.
Corrosione sotto sforzoLa corrosione sotto sforzo avviene ogni qual volta si hanno degli sforzi (esterni,g q g ( ,residui post-saldatura, dovuti a trattamenti meccanici o termici ...) in presenza diambienti clorurati. Gli acciai inossidabili austenitici subiscono in questecondizioni una fessurazione transgranulare piuttosto importante mentre gli acciaicondizioni una fessurazione transgranulare piuttosto importante, mentre gli acciaiinossidabili ferritici sembrano essere meno sensibili a questo tipo di corrosione
σ σσ σ
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Corrosione intergranulareAffinché si abbia questa forma di attacco corrosivo il metallo deve subire un processo
Cenni di corrosione
Affinché si abbia questa forma di attacco corrosivo, il metallo deve subire un processodi sensibilizzazione ovvero permanere per tempi sufficienti a temperature compresefra 500 ed 800°C, con conseguente precipitazione a bordo grano di carburi di Cromod l ti C C N l t i it i i lt i t i òdel tipo Cr23C6. Nel caso questa precipitazione sia molto spinta si può avere unadepassivazione di queste zone, che divengono anodiche al contatto con il mezzoaggressivo. Un caso tipico è quello della corrosione intergranulare nelle zone
ibili l di ld di i i i id bilisensibilizzate nel caso di saldatura di acciai inossidabili
I rimedi sono:• Solubilizzazione dei carburi precipitati (1000°C);p p ( );• Impiego di acciai a basso tenore di C (< 0,02%)• Aggiunta di elementi tipo Ti, Nb, V, Ta (detti stabilizzanti) e trattamento distabilizzazione (permanenza a 885°C per due ore quindi raffreddamento in aria) instabilizzazione (permanenza a 885 C per due ore, quindi raffreddamento in aria) inmodo da far precipitare i carburi degli elementi aggiunti e NON di cromo.
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Cenni di corrosione
Corrosione generalizzatag
Corrosione intergranulare
Attacco in corrispondenza diAttacco in corrispondenza di giunto saldato
Francesco Iacoviello Università di Cassino
Vaiolatura