Acciai Inox

Gli acciai inossidabili o inox sono stati inventati nei primi anni del 1900 presso le acciaierie Sheffield in Inghilterra. Si trattano di acciai ad alto tenore di cromo (superiore a un minimo del 12%) e contenenti altri importanti elementi di lega a seconda del tipo di acciaio.

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Il Cr conferisce a questi materiali una buona passibilità6_{.Tali acciai, infatti, contrariamente a quanto}

farebbe pensare il loro nome, si ossidano facilmente a contatto con l’atmosfera, ma lo strato di ossido di Cr che li ricopre protegge il metallo sottostante dalla corrosione. Gli acciai inossidabili si dividono in vari gruppi e quelli utilizzati per la costruzione degli spools sono le sottocategorie:

 Inox austenitici

 Duplex

4.1.1 Austenitici

Gli austenitici rappresentano la principale sottocategoria, che ricopre circa il 70% del volume totale di acciai inox. In generale gli acciai austenitici hanno un tenore di carbonio inferiore allo 0,1%; ma esistono anche acciai inox austenitici dolci con percentuale di carbonio inferiore allo 0,03%. Il cromo può variare da un 18% a un massimo di 25%: superata questa percentuale, si può incorrere nella fase σ, fragile e poco resistente alla corrosione, vedasi Figura 19.

Figura 19: Diagramma Ferro-Cromo.

Per questa categoria di inox aumenta notevolmente il tenore di nichel, che può variare dall’ 8% al 20%. Esso viene aggiunto perché estende il campo austenitico del diagramma Fe-Cr fino alle zone capaci di garantire l’inossidabilità, vedasi Figura 20.

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Figura 20: Effetto dell'aggiunta del Nichel sul diagramma Ferro-Cromo.

Un’altra caratteristica che li contraddistingue è che sono costituiti da austenite metastabile, questo può esser spiegato osservando le curve CCT di un inox austenitico.

Si nota come la trasformazione perlitica non avvenga se non per velocità di raffreddamento molto basse, tecnologicamente irrealizzabili, mentre la grande quantità di elementi di lega sposta le temperature di inizio e fine trasformazione martensitica molto al di sotto della temperatura ambiente. La struttura non potrà che essere austenitica: non si tratta di austenite stabile, bensì metastabile, nel senso che, nonostante non sia stabile a temperatura ambiente, non riesce comunque a trasformarsi in nessun altra struttura.

4.1.1.1 Proprietà Inox austenitici

Un tipico acciaio inox austenitico utilizzato nell’industria subsea è l’AISI 316 L, avente le percentuali qui di seguito.

COMPOSIZIONE CHIMICA % INDICATIVA

C S P Si Mn Cr Ni Mo Cu

0,02 0,025 0,03 0,5 1,8 16,7 10,00 2,00 0,04

Tabella 2: Composizione chimica inox austenitico AISI 316 L.

Tutti gli accia austenitici hanno un’ottima resistenza a corrosione generalizzata, ma possono essere soggetti a corrosione localizzata. Un altro pregio di questi materiali è che non presentano la temperatura di transizione duttile fragile, tenendo una certa duttilità fino a temperature prossime

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allo zero assoluto. Il carico di rottura è piuttosto basso, dell’ordine dei 500 MPa, quello di snervamento si aggira intorno ai 300 MPa.

4.1.2 Duplex

Gli acciai austeno-ferritici, detti anche duplex, presentano una struttura mista di austenite e di ferrite. Si tratta di un acciaio al cromo ibrido: il tenore di cromo va dal 18 al 26% e quello di nichel dal 4,5 al 6,5%, quantità insufficienti per determinare una struttura microcristallina totalmente austenitica e quindi rimane in parte ferritica. Quasi tutte le sue varianti contengono fra il 2,5 e il 3% di molibdeno. È possibile suddividere i duplex in 5 gruppi:

 Lean duplex, varietà che non presenta molibdeno;

 Duplex standard, categoria che copre più dell’80% dell’uso degli acciai duplex;

 Duplex al 25% Cr, PREN7 _{inferiore al 40;}

 Superduplex, con 25-26 % di Cr e maggiori tenori di Mo e N a confronto dei 25% Cr (PREN da 40 a 45);

 Hyper duplex, acciai duplex altolegati con PREN maggiore di 45.

4.1.2.1 Proprietà Duplex

È opinione diffusa che per gli acciai inox duplex si raggiungano proprietà ottimali quando il bilanciamento delle fasi tra ferrite e austenite è compreso tra il 30% e il 70%. Tuttavia si ritiene comunemente che gli acciai inossidabili duplex abbiano indicativamente le stesse quantità di ferrite ed austenite, con una leggera prevalenza di quest’ultima per favorire la tenacità e la lavorabilità Gli acciai inossidabili duplex vantano un’elevata resistenza alla corrosione nella maggior parte di condizioni in cui sono utilizzati i gradi austenitici. Tuttavia, vi sono alcune significative eccezioni, in cui essi risultano nettamente superiori. Ciò è dovuto al loro elevato tenore di cromo, che produce effetti positivi in presenza di acidi ossidanti, così come adeguati tenori di molibdeno e di nichel garantiscono resistenza in ambienti acidi riducenti. I tenori di cromo, molibdeno e azoto relativamente alti conferiscono loro anche resistenza nei confronti della vaiolatura da cloruri e della corrosione interstiziale. La loro struttura bifasica è un vantaggio in ambienti in grado di promuovere

7 _{Acronimo di Pitting Resistance Equivalent Number, è l’indice di resistenza alla corrosione per gli}

acciai inox che contengono il nichel, in formule:

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criccabilità da tensocorrosione. Se la microstruttura contiene almeno il 25% di ferrite, gli acciai duplex sono molto più resistenti alla criccabilità da tensocorrosione da cloruri rispetto agli austenitici quali AISI 304 o AISI 316. La ferrite, tuttavia, è sensibile all’infragilimento da idrogeno. Ne deriva che gli acciai inossidabili duplex non hanno una particolare resistenza in ambienti o applicazioni in cui l’idrogeno può diffondere nella matrice, causando l’infragilimento.

Gli acciai duplex hanno eccezionali proprietà meccaniche. Il loro carico di snervamento, a temperatura ambiente, è più che doppio rispetto a un acciaio inossidabile austenitico non legato con azoto. Ciò può consentire al progettista di ridurre gli spessori di parete in alcune applicazioni. Si veda la figura seguente per il confronto del carico di snervamento tra duplex e l’inox austenitico in funzione della temperatura.

Figura 21: Confronto carico di snervamento tra acciai duplex e inox austenitici (AISI 316 l).

Nonostante l’elevata resistenza, gli acciai duplex presentano buona duttilità e tenacità. Confrontati con gli acciai al carbonio o con gli inox ferritici, presentano una transizione duttile-fragile più graduale. Gli acciai duplex conservano una buona tenacità anche a temperature inferiori a quelle ambiente, tuttavia rispetto agli inox austenitici sono meno duttili e tenaci.

4.1.2.2 Criteri di saldatura per il duplex

Come criterio generale, il preriscaldo non è raccomandato, perché può essere dannoso e non dovrebbe essere previsto dalle procedure a meno di casi particolari. Esso può essere benefico per eliminare l’umidità dall’acciaio, in questo caso si scalda a circa 100° C.

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Gli acciai duplex sono in grado di sopportare heat input8 _{limitati. La solidificazione della zona fusa}

di tipo bifasico è resistente alla criccabilità a caldo, molto più degli acciai inossidabili austenitici. I duplex, con maggior conduttività termica e minore coefficiente di dilatazione termica, non presentano le stesse concentrazioni di tensione locali degli inossidabili austenitici. Per questi tipi di acciai, la criccabilità a caldo non è un problema comune.

4.2 Inconel

L’Inconel appartiene alla famiglia delle superleghe a struttura austenitica a base di nichel-cromo. Il nome è un marchio registrato della Special Metals Corporation.

4.2.1 Generalità

Le leghe di Inconel sono materiali resistenti alla corrosione e all’ossidazione, progettato per ambienti estremi soggetti a pressione e calore. Una volta riscaldato, l’Inconel forma uno strato spesso di ossido, proteggendo la superficie da ulteriori attacchi. L’Inconel mantiene la resistenza in un ampio intervallo di temperatura, per questo motivo esso è adatto per applicazioni ad alta temperatura dove l’alluminio e l’acciaio sarebbero soggetti a creep. L’alta resistenza alle elevate temperature è dovuta da rafforzamento per soluzione solida o per precipitazione a seconda della lega. In indurimento per invecchiamento o precipitazione, piccole quantità di niobio si combinano con il nichel per formare composti intermetallici Ni3Nb o gamma primo 𝛾′. Gamma primo forma

piccoli cristalli cubici che inibisce gli scorrimenti e il creep in modo efficacie a elevate temperature.

4.2.2 Proprietà

Le leghe di Inconel presentano composizioni estremamente variabili, ma tutte hanno come elemento predominante il nichel, seguito dal cromo, di seguito si riportano le percentuali per i tipi di Inconel più comuni.

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Inconel Elemento (% in massa)

Ni Cr Fe Mo Nb Co Mn Cu Al Ti Si C S P B 600 72 14,0- 17,0 6,0- 10,0 1 0,5 0,5 0,15 0,015 617 44,2- 56,0 20,0- 24,0 3 8,0- 10,0 10,0- 15,0 0,5 0,5 0,8-1,5 0,6 0,5 0,15 0,015 0,015 0,006 625 58 20,0- 23,0 5 8,0- 10,0 3,15- 4,15 1 0,5 0,4 0,4 0,5 0,1 0,015 0,015 690 59,5 30 9,2 0,35 0,01 0,02 0,35 0,019 0,003 718 50,0- 55,0 17,0- 21,0 balance 2,8- 3,3 4,75- 5,5 1 0,35 0,2- 0,8 0,65- 1,15 0,3 0,35 0,08 0,015 0,015 0,006 X-750 70 14,0- 17,0 5,0-9,0 0,7-1,2 1 1 0,5 0,4-1,0 2,25- 2,75 0,5 0,08 0,01

Tabella 3: Percentuali elementi di lega nell'Inconel.

Come anticipato nella prefazione, questa lega è ottima per ambienti soggetti a elevata pressione ed energia cinetica. In aggiunta a quanto scritto prima si riporta che la formazione dei gamma primo aumenta nel tempo, soprattutto dopo le tre ore di esposizione ad una sorgente di calore a 850° C, e continua a crescere dopo le 72 ore di esposizione.

La saldatura di questo materiale è difficile a causa delle cricche e la segregazione di elementi di lega nella zona termicamente alterata. Comunque, i metodi di saldatura più comuni sono la saldatura GTAW e l’electron beam welding.

4.2.3 Utilizzo

L’Inconel, oltre che nella tecnologia subsea, è un comune materiale per i componenti delle turbomacchine e in generale gli scambiatori di calore: pale, guarnizioni, alberi e recipienti solo per citarne alcuni. L’Inconel viene utilizzato anche per le parti di motori endotermici; inoltre, è presente nell’industria aerospaziale per molte applicazioni.

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5. Ritiri di saldatura

In questo capitolo si descrive inizialmente il motivo principale che ha portato ad affrontare il problema del ritiro: il fit-up. Successivamente si procede con una indagine approfondita del fenomeno del ritiro, iniziando dagli effetti termici che nascono durante la saldatura, poi dal principio fisico, le prove di previsione e la valutazione delle tensioni che si generano. Infine si espongono i dati acquisiti durante gli esperimenti realizzati.