Tensocorrosione nei metalli: cos’è e come prevenirla

La corrosione sotto tensione (stress corrosion cracking – SCC) o tensocorrosione è un fenomeno di degrado del metallo a causa dell’azione composta dalla corrosione e dalla presenza di una tensione. La tensocorrosione ha come primario effetto l’accrescimento della formazione di cricche in un ambiente corrosivo, con possibili conseguenti e inattesi cedimenti del materiale. Tale fenomeno è particolarmente preoccupante e pericoloso, poiché si sviluppa in profondità, nella membratura aggredita e in zone ristrette del materiale, e si manifesta normalmente senza particolari segni premonitori. Una volta definite le sue caratteristiche e alcuni esempi tipici è possibile individuare alcuni metodi di prevenzione.
Uno dei casi tipici di tensocorrosione è rappresentato dalle leghe metalliche, generalmente duttili, in stato tensionale di trazione e particolarmente ad alta temperatura: rispetto ai metalli puri, in tali leghe la progressione di tensocorrosione (SCC) avviene con maggiore rapidità.

Settori industriali interessati da tensocorrosione

I settori industriali coinvolti sono svariati, per esempio impianti chimici o siderurgici, serbatoi di petrolio o di stoccaggio, oleodotti e industrie nucleari.
I principali parametri in gioco sono: composizione, condizioni della superficie, nano(micro)-struttura, resistenza ed eventuali trattamenti termici, per quanto riguarda il materiale; composizione, potenziale elettrodico, temperatura e velocità di flusso, per quanto riguarda l’ambiente; tensioni residue (TR) e tensioni applicate, per quanto riguarda lo stato tensionale.

La specificità del fenomeno fa sì che in certi materiali metallici la tensocorrosione si verifica unicamente se essi sono sottoposti a determinati ambienti chimici assai attivi, pur se in concentrazioni molto ridotte. Tali ambienti, di frequente, sono infatti lievemente corrosivi: la superficie del metallo, anche in stato di SCC assai avanzata, pur sembrando scintillante può risultare già cosparsa di cricche a livello di micro-scala. L’insidiosa caratteristica del fenomeno di tensocorrosione lo rende spesso occultato sino al verificarsi d’impreviste e premature avarie. Questi guasti possono risultare addirittura devastanti e, nel caso di particolari apparecchiature, possono comprometterne la funzionalità influendo negativamente su produttività e redditività e perfino recando rischi per la sicurezza degli operatori e le strutture operative, nonché per l’ambiente.

Tre ordini di TR

Le tensioni possono essere create sia da carichi interstiziali dovuti alla concentrazione delle sollecitazioni sia dal tipo d’assemblaggio o dal processo di produzione, da trattamenti o in seguito all’esercizio, vale a dire le TR. Queste ultime, definite come quelle interne esistenti in un sistema isolato in equilibrio meccanico, non sottoposto ad alcuna forza o momento dall’esterno, non sono associabili a sollecitazioni applicate direttamente e possono arrivare a livelli assai elevati. Le TR sono classificabili in tre ordini:

• 1° ordine (macroscopiche o macrotensioni, coinvolgenti parecchi grani cristallini), assai importanti per compiere valutazioni strutturali e progettare componenti meccanici;
• 2° ordine (microscopiche omogenee o intergranulari, varianti tra grano e grano), attribuibili alle differenti proprietà termo-meccaniche di grani adiacenti diversamente orientati, e correlabili al grado d’incrudimento;
• 3° ordine (microscopiche non omogenee o microtensioni, varianti internamente al grano cristallino auto-equilibrandosi nello stesso), attribuibili a difetti reticolari quali, ad es., dislocazioni, soluzioni interstiziali e sostituzionali.

Casi tipici di tensocorrosione

Il fenomeno di tensocorrosione può intervenire, in generale, allorché si verifica la presenza di:

• TR oppure tensioni applicate dall’esterno, con conseguenti deformazioni elastiche e plastiche e con conseguenti modificazioni a livello strutturale e cristallografico;
• particolari trattamenti termici con conseguenti variazioni di stato tensionale, struttura cristallina, omogeneità e caratteristiche di protezione da parte di strati superficiali di ossido;
• preferenzialmente, leghe metalliche, risultando quasi dispensati i metalli ad alto livello di purezza (dal 99,999%);
• specifici elementi alliganti, per esempio N disciolto negli acciai inox in soluzione al 42% di cloruro di Mg bollente;
• specificità di condizioni materiale/ambiente, per esempio leghe contenenti il 95% di Al oppure di Mg, immerse in dH2O, soggette a SCC in presenza di O ma esenti da SCC in assenza di O.

Metodi di prevenzione della tensocorrosione

La corrosione sotto tensione è un fenomeno particolarmente critico e dannoso: sviluppandosi in profondità e in porzioni ridotte del materiale, si svela infatti senza segni anticipatori.
Nano- e micro-difetti, corresponsabili delle prestazioni e delle caratteristiche dei prodotti industriali realizzati in leghe e metalli, possono peggiorare i danni da tensocorrosione conducendo addirittura alla rottura specie nel settore energetico.
I concetti odierni di frattura del metallo sono stati generati primariamente in base a dati di microscopia di strutture di superficie o difetti in strati sottili. Ciò può valutarsi soddisfacente per acquisire adeguatamente soltanto una parte del necessario database d’informazioni, ma non per descrivere in modo esauriente natura e conseguenze di questi difetti.
Si rivela assai vantaggioso, pertanto, adottare un approccio multidisciplinare mediante l’uso di differenti modelli teorici, meccanica delle micro-fratture e tecniche analitiche che includano attività di nano(micro)-caratterizzazione. Tra queste ultime, le tecniche neutroniche rappresentano un mezzo assai efficiente per perfezionare il criterio di sicurezza nanoscopico atto a indagare più approfonditamente i complessi meccanismi del fenomeno SCC e diagnosticare eventuali processi di frattura.

di Massimo Rogante

Leggi l’articolo completo e la bibliografia