Scheda programma d'esame
CORROSIONE E PROTEZIONE DI MATERIALI METALLICI
MASSIMO DE SANCTIS
Anno accademico2018/19
CdSINGEGNERIA CHIMICA
Codice675II
CFU6
PeriodoSecondo semestre

ModuliSettoreTipoOreDocente/i
CORROSIONE E PROTEZIONE DI MATERIALI METALLICIING-IND/21LEZIONI60
MASSIMO DE SANCTIS unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

ll corso approfondisce i principi di base dei meccanismi di corrosione in ambiente umido e ad alta temperatura, fornendo una panoramica delle morfologie dei danneggiamenti nonché dei metodi usati per il controllo e la prevenzione degli stessi sugli impianti civili e industriali. Obiettivo è quello di fornire una cultura di base dei fenomeni corrosivi ed una 'sensibilità' tecnica sull'origine e pericolosità dei danneggiamenti in atto. Ulteriore obiettivo è quello di fornire dei criteri di analisi delle variabili chimico-fisiche degli ambienti aggressivi e dei fattori che intervengono nei meccanismi di danneggiamento, in modo da poter orientare la scelta dei materiali più adatti all'applicazione. Parte integrante del corso è la presentazione e discussione di esempi reali di corrosione su componenti e impianti industriali, al fine di fornire una metodologia pratica per eseguire una failure analysis.

Knowledge

The objective of the course is to explain principles, mechanism and morphology of wet and hot corrosion of metallic materials and to discuss most important methods to control and minimize corrosion damages in civil and industrial plants. Students will be able to examine corrosion environments in terms of their chemical-physical characteristics and to select most suitable materials and/or protection methods for service application. Several practical corrosion failures are examined and discussed in order delineate possible methods for carrying out a failure analysis.

Modalità di verifica delle conoscenze

La verifica delle conoscenze acquisite dallo studente riguarda non solo la comprensione dei meccanismi di base dei fenomeni corrosivi e delle possibili morfologie dei danneggiamenti, ma anche la capacità di esaminare criticamente le possibili problematiche legate alle caratteristiche chimico-fisiche dei fluidi e all'accoppiamento metallo-ambiente, in modo da saper condurre una scelta dei materiali più idonei e/o delle tecniche di protezione più efficaci all'applicazione prevista.

Assessment criteria of knowledge

The assessment of knowledge is based on the knowledge of corrosion principles, morphologies and mechanisms, as well as on the student' ability to examine the corrosivity of environments according to their physical-chemical characteristics and to select most suitable materials and/or protection methods for service application.

 

Capacità

Lo studente sarà in grado di selezionare in fase di progetto i materiali più idonei e/o le tecniche di protezione più efficaci all'applicazione di interesse. Disporrà inoltre di una metodologia per eseguire la failure analysis su componenti danneggiati per corrosione. 

Skills

 Studens will be able to critically analyse fluids and environments in terms of their chemical-physical characteristics and will be able to select most suitable materials and/or protection techniques for service 

 

 

Modalità di verifica delle capacità

Nel corso della prova orale sarà valutata la padronanza e la capacità dello studente di analizzare casi di corrosione proposti dal docente e di proporre soluzioni giustificate.

Assessment criteria of skills

During oral examination, student are requested to analyse proposed corrosive environments and corrosion cases and to discuss possible solutions in terms of materials and protection techniques

Comportamenti

Durante lo svolgimento del corso sono presentati e discussi numerosi casi reali di corrosione su impianti civili e industriali. E' importante che lo studente mostri capacità critica di analisi delle problematiche e propensioneal lavoro in team. 

Behaviors

Real cases of corrosion damages are discussed in the classroom. Students are requested to actively partecipate for the critical assessment of corrosion damages and for the selection of possible technical solution 

Modalità di verifica dei comportamenti

Nel corso delle presentazioni di casi reali di corrosione su componenti meccanici e impianti sarà valutata la partecipazione dello studente alle discussioni in aula e la sua capacità di proporre metodologie di analisi dei danneggiamenti (failure analysis) e possibili soluzioni. 

Assessment criteria of behaviors

Students' ability to carry out a failure analysis, to propose possible solutions and to work in team will be evaluated

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Prerequisiti utili sono:

  • Conoscenza della chimica inorganica, soprattutto equilibri in soluzione acquosa ed elettrochimica.
  • Conoscenze di Metallurgia, con padronanza della classificazione delle leghe ferrose e non.
Prerequisites

Prerequisites:

  • Inorganic chemistry (in particular aqueous solution equilibria and electrochemistry)
  • Metallurgy (in particular microstructure-mechanical properties relationships, designation of ferrous and non-ferrous alloys)

 

 

 

Corequisiti

Attitudine alla partecipazione in lavori di gruppo.

Co-requisites

Attitude to class-work in team with other colleagues.

 

 

 

Indicazioni metodologiche

Il Corso si svolge con le seguenti metodologie

  • Lezioni frontali alla lavagna
  • Presentazioni in PP di esempi reali di danneggiamenti corrosivi su impianti civili e industriali
  • Dispense e presentazioni in PP scaricabili dal sito di e-learning del corso 
  • Ricevimento studenti, uso della posta elettronica
Teaching methods
  • Frontal lessons (Dashbord and PP presentations)
  • Additional handouts available on the e-learning site 
  • Office hours and e-mailing
Programma (contenuti dell'insegnamento)
  1. Introduzione al Corso. Danni diretti e indiretti causati dalla corrosione. Corrosione ad umido e corrosione a secco. Termodinamica e cinetica chimica ed elettrochimica.
  2. Richiami di metallurgia e classificazione leghe ferrose e non. Materiali metallici: caratteristiche meccaniche. Prova di trazione, curva sforzo-deformazione nominale e curva sforzo reale-deformazione reale. Prova di durezza. Teoria delle dislocazioni e deformazione plastica. Incrudimento e ricristallizzazione. Rottura duttile e fragile. Prova di resilienza e temperatura di transizione duttile-fragile. Correlazione struttura-proprietà meccaniche: relazione di Hall-Petch. Meccanica della frattura: fattore di intensificazione degli sforzi. Prova di KIc. Autotensioni: origine da cicli termici, deformazioni plastiche non omogenee e trasformazioni fasiche. Diagramma di stato Fe-Fe3C. Acciai e ghise.Trasformazione eutettica, eutettoidica e peritettica. Curve di Bain (TTT) e CCT. Trasformazione perlitica, bainitica e martensitica. Trattamenti termici sugli acciai: ricottura completa, normalizzazione, tempra e rinvenimento.  Fatica meccanica: meccanismo di rottura, curve S/N e curve di avanzamento da/dN-delta k. Fattori influenzanti resistenza: finitura superficiale, stati autotensionali. Trattamenti superficiali: pallinatura, cementazione, nitrurazione, ecc. Classificazione degli acciai e delle ghise. Acciai da costruzione e saldabilità, da bonifica, per molle, per cuscinetti a sfera, per utensili, da cementazione/nitrurazione. Ghise: bianche, grigie, nodulari, malleabili, vermiculari. Acciai inossidabili: ferritici, martensitici, austenitici, duplex, indurenti per precipitazione (PH). Alluminio e sue leghe: proprietà, classificazione e trattamento termico di invecchiamento per precipitazione. Rame e sue leghe: proprietà e classificazione. Titanio e sue leghe: proprietà e classificazione. Superleghe base nickel e base cobalto: proprietà e applicazioni.
  3. Meccanismo elettrochimico della corrosione ad umido. Aspetti termodinamici: superficie elettrificata e doppio strato elettrico, potenziale Galvani, potenziale di equilibrio standard e non (Eq. Nerst)riferito ad elettrodo standard (idrogeno, calomelano, Ag/AgCl, Cu/CuSO4). Stato di immunità, attività e passività. Diagrammi di Pourbaix E-pH. (Massimo De Sanctis) Aspetti cinetici della corrosione ad umido: richiami di teoria ed equazione cinetica. Densità di corrente di scambio all'equilibrio. Sovratensione anodica e catodica. Sovratensione per trasferimento di carica: Equazione di Butler-Volmer. Derivazione delle equazioni di Tafel e della resistenza di trasferimento. Curve di polarizzazione anodica e catodica. Metalli a cinetica rapida, normale e lenta (idealmente polarizzabili). Curve di EVANS E-log/i/. Sovratensione trasferimento di carica dell'idrogeno sui metalli e anticorrelazione con la densità di corrente di scambio propria del metallo. Sovratensione di concentrazione e corrente limite per la riduzione dell'ossigeno. Meccanismo di corrosione per areazione differenziale. Teoria delle coppie locali e modello corrosivo di una cella galvanica bielettrodica cortocircuitata.Teoria del potenziale misto e sovrapponibilità delle curve di polarizzazione. Esempi pratici. 
  4. Passività dei metalli e delle leghe: passività chimica (patine nobili) ed elettrochimica. Curva di polarizzazione anodica di un metallo a comportamento attivo-passivo. Potenziale di passività primaria (Epp) e passività (Ep), transpassività (E tr), corrente critica di passività (i cr) e di passività (i p). Fattori influenzanti la passività: temperatura, pH, ioni depassivanti. Potenziale di lavoro dei metalli passivi e importanza delle condizioni iniziali (pre-trattamenti sui circuiti/apparecchiature industriali in leghe di rame e in inox). 
  5. Fattori influenzanti la corrosione ad umido. Fattori relativi al natura, microstruttura del metallo. Fattori relativi all'ambiente (T, pH, pot. redox) e fattori relativi all'accoppiamento metallo ambiente (velocità relativa).
  6. Aspetti morfologici della corrosione ad umido. Corrosione generalizzata, localizzata e selettiva. Corrosione uniforme: velocità di corrosione e penetrazione attacco corrosivo. Prove di immersione in laboratorio e in campo. Metodo elettrochimico di determinazione di Ecorr e i corr mediante prove potenziodinamiche (potenziostato) e metodo di estrapolazione delle rette di Tafel. Corrosimetri industriali. Corrosione per pitting e corrosione interstiziale. Meccanismo di innesco e propagazione. Indice PREN degli acciai inossidabili. Prove di immersione standard per temperatura critica di pitting e critica di c. interstiziale. Prove potenziocicliche e potenziale di rottura. Esempi reali di corrosione da sottodeposito su saldature in inox e corrette modalità di esecuzione delle stesse. Decolorazione superfici in inox esposte all'atmosfera (tea staining)e corrette modalità di impiego (scelta inox e finitura. Problematiche reali: specifiche di fornitura (protezioni) e conservazione, modalità di conduzione delle prove idrauliche, ecc. Corrosione per contatto galvanico. Meccanismo e variabili influenzanti: differenza di nobiltà pratica e Serie galvanica dei metalli in acqua di mare, rapporto superficie catodica/anodica, polarizzabilità metallo nobile, conducibilità elettrolitica. Metodi per prevenire/ridurre gli effetti di accoppiamento. Esempi pratici. Corrosione selettiva (intergranulare): sensibilizzazione degli acciai inox austenitici, precipitazione carburi M23C6 su bordi di grano. Esempio nelle saldature. Tensocorrosione (SCC): accoppiamenti metallo-ambiente conducibili a SCC.Fase di innesco e propagazione. Morfologia del danneggiamento da SCC. Effetti ambientali, effetto elementi di lega, effetto potenziali di lavoro, effetto temperatura. Possibili rimedi (protezione catodica, stati autotensionali di compressione ecc.).Possibile intervento di infragilimento da idrogeno. Casi reali di tensocorrosione nell'industria chimica e petrolchimica. Infragilimento da idrogeno a bassa (LTHE) e alta temperatura (HTHE). Meccanismi di infragilimento: decarburazione, blistering, HE, SSCC, HIC, rottura differita. Assorbimento idrogeno: electroplating, decapaggio acido, corrosione, saldatura ecc. Effetto struttura cristallina e livello resistenziale dell'acciaio. Perdita di resistenza meccanica e duttilità. Prove di sensibilizzazione a SCC a carico costante e deformazione costante. Prove Slow Strain Rate (SSRT). Rimedi: desorbimento termico. Esempio reale di SCC/HE su perni altoresistenziali. Corrosione microbiologica (MIC). Effetto corrosivo per sviluppo di biofilm di funghi, batteri, alghe, muffe e macroorganismi. Batteri areobici e anareobici. Batteri solfato riduttori (SRB, meccanismo e caratteristiche dei danneggiamenti. Solfobatteri e ciclo dello zolfo. Tiobabilli ossidanti, nitrificanti. Biocidi ossidanti e non ossidanti. Modalità di trattamento e controllo dei circuiti di raffreddamento industriali. Esempi reali di corrosione microbiologica su impianti industriali. Corrosione-erosione. Meccanismo di danneggiamento. Sforzo critico di taglio superficiale e velocità critica. Confronto tra resistenza delle patine nobili e dei film di passività. Esempi di danneggiamento su scambiatori di calore in ottoni all'alluminio e lega cupronickel 90/10. Danneggiamento per cavitazione. Meccanismo e resistenza relativa dei materiali. Corrosione filiforme sotto pitture.
  7. Corrosione in ambienti naturali: corrosione atmosferica. Fattori influenzanti: tempo di bagnamento e inquinanti (SOx, NOx, cloruri). Resistenza dei principali metalli e leghe: acciai al carbonio e Cor-Ten, rame e sue leghe, zinco, alluminio, acciai inox. Corrosione nelle acque dolci e di mare. Equilibrio calco-carbonico. Indice di Langelier, acque aggressive e incrostanti. Corrosione nel calcestruzzo.
  8. Metodi di protezione: Protezione catodica. Principi di funzionamento e potenziale di protezione per strutture in acciaio al carbonio, rame, acciai inox. Effetti di sovraprotezione. Protezione per correnti impresse e con anodi sacrificali. Schemi di impianto. Curva di attenuazione del potenziale su tubazioni interrate. Corrosione per correnti vaganti. Effetti di interferenza elettrica con impianti di protezione. Protezione anodica. Modalità di protezione e difficoltà impiantistiche. Inibitori di corrosione. Caratteristiche generali, meccanismo di funzionamento e corrette modalità di dosaggio: inibitori anodici ossidanti e non, inibitori catodici per ambienti acidi, neutri o debolmente alcalini, inibitori filmanti e di adsorbimento. Protezione con strati ricoprenti metallici, ceramici, polimerici. Ricoprimenti metallici spessi e sottili: deposizione galvanica, electroless e per immersione. Depositi anodici o catodici rispetto al substrato metallico. Depositi multistrato. Protezione con pitture. Strati di conversione: fosfatazione, cromatazione esavalente e trivalente, anodizzazione alluminio. Test su ricoprimenti con camera a nebbia salina.
  9. Corrosione a secco. Meccanismo di formazione e accrescimento dello strato d'ossido. Crescita lineare e logaritmica.Indice di Pilling-Bedworth. Teoria di Wagner. Ossidi protettivi e non protettivi. Resistenza all'ossidazione e leghe per alte temperature. 
Syllabus
  1. Introduction: Costs of corrosion. Wet and hot corrosion. Thermodinamics amd kinetics of chemical and electrochemical reactions.
  2. Basic aspects of Metallurgy and classification of ferrous and non-ferrous alloys. Metallic materials: mechanical properties. Tensile test, engineering stress-deformation and true stress-true strain curves. Hardness test. Dislocation theory and plastic deformation. Work hardening and recristallization. Ductile and brittle failure. Resilience and ductile-brittle transition temperature. Structure-properties relationships and Hall-Petch expression. Fracture mechanics: stress intensity factor and Kic test. Residual stresses from thermal cycles, non homogeneous plastic deformations and phase transformations. Fe-Fe3C phase diagram. Steels and cast irons. Eutectic, utectoidic and peritectic transformations. Bain curves (TTT, CCT). Thermal treatments: annealing, normalizing, quenching and tempering. Mechanical fatigue: rupture mechanism, S/N and da/dN-delta K curves. Factors influencing fatigue resistance: surface roughness, residual stresses. Surface treatments: shot-peening, carburization, nitriding ecc.. Steel and cast iron designation. Stainless steels: ferritic, martensitic, austenitic, duplex, precipitation hardening (PH). Aluminium alloys: properties, designation and applications. Copper alloys:properties, designation and applications. Titanium alloys: properties, designation and applications. Nikel and cobalt based superalloys:properties, designation and applications.
  3. Electrochemistry of wet corrosion. Thermodinamic aspects: electric double-layer, Galvani potential, standard hydrogen electrode and equilibrium potential (Nerst's equation). Immunity, active and passive states. Pourbaix diagrams E-pH. Kinetics of corrosion reactions. Exchange currents and anodic/cathodic overpotentials. Charge-transfer overpotential: Butler-Volmer equation and Tafel equations. Anodic and cathodic polarization curves. Metals exhibiting fast, normal and slow kinetics. EVANS curves E-log/i/. Concentration overpotential and limit current for oxigen reduction. Differential areation. Mixed potential and overlapping of anodic and cathodic curves. Practical examples.
  4. Passivity of metals and alloys: chemical and electrochemical passivity. Anodic polarization curve for an active-passive metal. Factors influencing passivity: pH, T, chlorides. Working potentials of passive metals and industrial pre-treatments.
  5. Factor influencing wet corrosion: Nature, microstructure and work hardening of metallic materials. Environmental factors (pH, T, redox potential). Metal-environment coupling (flow rate).
  6. Morphology of corrosion. Uniform, localized and selective corrosion. Corrosion rate. Laboratory and field tests. Potentiodinamic electrochemical tests for Ecoo/icorr determination. Tafel extrapolation. Industrial corrosimeters (polarization resistance). Pitting and crevice corrosion. Standard immersion tests for determination of critical pitting and crevice temperatures. Cyclic potentiodinamic tests. Tea staining and filiform corrosion. Galvanic corrosion and factors influencing the process. Prevention of galvanic coupling. Sensitization of stainless steels and intergranular corrosion. Prevention of sensitization during welding of SS. Stress Corrosion Cracking (SCC): initiation and propagation mechanisms. Factors influencing SCC and remedial measures. Constant stress and constand deformation tests for SCC sensitization. Slow strain rate tests. Low (LTHE) and high (HTHE) hydrogen embrittlment. Microbiological induced corrosion (MIC). Aerobic and anaerobic bacteria: sulfate reducing (SRB) and sulphur oxidant bacteria and the sulphur cycle in grounds. Microbiological control, oxidant and non oxidant biocides. Erosion-corrosion.
  7. Corrosion in natural environments. Atmospheric corrosion. Corrosion reistance of metals and alloys: carbon steels, Cor-Ten alloys, aluminium, copper alloys and stainless steels. Aggressive and scaling waters: the Langelier Index (LI). Corrosion mechanisms in reinforced concrete.
  8. Protection agaist corrosion. Cathodic protection: principles and applications for active (carbon steels) and passive (stainless steels) alloys. Overprotection. Sacrifical anodes and impressed currents applications. Electrical interferencies. Anodic protection. Corrosion inhibitors: anodic (oxidant and non oxidant), cathodic (for acidic and neutral solutions), filming inhibitors. Surface protection with ceramic, polimeric and metallic deposits (immersion, galvanic, electroless). Conversion deposits: phosphatizing, chromatizing and anodic oxidation. Salt Spray Test.
  9. Hot Corrosion. Mechanisms of formation and growing of oxide films. Linear and logaritmic growing. Pilling-Bedworth index. Wagner theory. Protective and non protective oxides. High temperature resistance of high-alloyed steels and superalloys.
Bibliografia e materiale didattico
  • Pietro Pedeferri:"Corrosione e Protezione dei materiali metallici", Ed.Polipress, Milano 2007 (2 volumi).
  • Sul sito e-learning del corso sono disponibili: 1 - appunti aggiuntivi su alcune tematiche svolte a lezione e poco trattate sul libro di testo, 2 - Appunti di Metallurgia con la classificazione delle leghe ferrose e non, 3-  Presentazione in PP sulle tecniche di metallografia con visualizzazione delle strutture più comuni di acciai al carbonio, acciai inossidabili e ghise, 4 - Esempi pratici di corrosione su impianti, presentati e discussi a lezione con impostazione di failure analysis.
Bibliography

 

  • Pietro Pedeferri:"Corrosione e Protezione dei materiali metallici", Ed.Polipress, Milano 2007 (2 volumi).
  • Chemical Engineering e-learning platform: 1- Additional handout on corrosion; 2- Metallurgy handout; 3 - PP slides on metallography of carbon steels, stainless steels and cast irons; 4 - PP presentation of real corrosion cases on civil and industrial plants (failure analysis).
Indicazioni per non frequentanti

Il Corso ha carattere multidisciplinare ed è utile condurre un ripasso della chimica delle soluzioni acquose e dell'elettrochimica, nonchè della Metallurgia Fisica e della classificazione delle leghe ferrose e non. Inoltre il corso è orientato a fornire pratica professionale per l'analisi e la risoluzione dei casi di danneggiamento corrosivo sugli impianti civili e industriali ed è quindi utile visionare i casi pratici mostrati sul sito e-learning del Corso. Il docente raccomanda i non frequentanti di usufruire il più possibile dei ricevimenti, concordabili anche al di fuori dell'orario ufficiale tramite e-mail.

Non-attending students info

Corrosion is multi-disciplinary research field and basic information on Metallurgy, Chemistry and Electrochemistry are very useful. Moreover, practical  aspects and field experience play an important rule. To this respect, real cases of corrosion damages reported on the e-learning site can be useful. The teacher stresses the importance of office hours for non-attending students, being available also in non official days (e-mail agreement).

Modalità d'esame

Il Corso prevede il superamento di una prova orale. La prova ha una durata media di 40 min.  Vengono poste di norma 5-6 domande sui principi di base della corrosione ad umido ed a secco, sulle diverse morfologie di danneggiamentocorrosivo e sulle possibili tecniche di protezione. Viene anche richiesta la capacità di valutazione di un ambient corrosivo e la scelta dei materaiali e/o tecniche di protezione più adatti all'impiego previsto. 

Assessment methods

Oral examination (average 40 min). Questions on basic principles of wet and hot corrosion, on morphologies and mechanisms of different forms of corrosion. Critical examination of  specific corrosive environments and selection of most performant materials and/or protection methods for service applications. 

 

 

Stage e tirocini

Non sono previsti stage e tirocini presso aziende esterne.

Ultimo aggiornamento 11/12/2018 12:05