Computational and experimental study of the thermal effects of localized corrosion on AISI 304 and AISI 316

Localized corrosion of passive metals is among the most destructive phenomena to which metal structures and objects can be subjected during their service life. The cause of the destructiveness resides in the high corrosion rates, which usually span from few mm/year to even mm/month, localized on small areas of the structure causing the perforation of the object and leading to the failure of the item. One of the most peculiar characteristics related to pitting corrosion is the extremely high value of current density of the pit during its lifetime. The current density can vary from few tens of thousands of A/m2 in the first seconds of activity to few thousands of A/m2 once the pit has reached the conditions of stability. The presence of these enormous current densities could affect locally the temperature field within the metal around the pit and as consequence affect chemical, electrochemical and diffusional processes. The purpose of this thesis is to try to calculate and measure the local heating effects caused by the pitting corrosion. The first step is to find and put together the data regarding the nucleation and growth phases of pitting corrosion on stainless steel, focusing on AISI 304 and AISI 316. From the data obtained in the literature a virtual model of pitting corrosion on stainless is built with the software COMSOL Multiphysics. This model will simulate the behaviour of a single pit on surface of a metal disk of finite radius and thickness, the material properties of the disk will be the ones of respectively AISI 304 and AISI 316. The effects of the variation of the radius, thickness and material properties on the thermal field will be collected and organized giving the groundwork for the practical experiments. For the practical experiments sheets of AISI 304 and AISI 316 will be examined in a corrosion cell built for this thesis to find their corrosion potentials. Once the properties are determined, amperometric tests assisted with an IR thermal imager will be executed to try to observe the thermal evolution of the pitting corrosion and confront the experimental results with the ones computed by the model.

La corrosione localizzata dei metalli passivi è tra I fenomeni più distruttivi che le strutture ed oggetti in metallo possono subire nel loro periodo di attività. La causa di tale distruttività risiede nell’elevata velocità di corrosione, che generalmente varia da pochi mm/anno ad addirittura mm/mese, localizzata su piccole aree della struttura che portano alla perforazione dell’oggetto ed al collasso della struttura. Una delle caratteristiche peculiari relativa alla corrosione da vaiolatura è l’estremamente elevata densità di corrente del singolo pit durante il suo periodo di attività. La densità di corrente può variare da poche decine di migliaia di A/m2 nei primi secondi di vita fino a poche migliaia di A/m2 appena il singolo pit raggiunge le condizioni di stabilità. La presenza di queste enormi densità di corrente potrebbe causare cambiamenti locali della temperatura nel metallo nei dintorni del pit e di conseguenza influenzare I processi chimici, elettrochimici e di diffusione. Lo scopo di questa tesi è di provare a calcolare e misurare il riscaldamento locale del metallo causato dalla corrosione localizzata focalizzandoci sugli acciai inossidabili AISI 304 e AISI 316. Il primo passo è trovare e mettere insieme i dati riguardanti la nucleazione e le fasi di crescita della corrosione localizzata degli acciai inossidabili. Dai dati ottenuti in letteratura un modello virtuale della corrosione localizzata sugli acciai inossidabili è costruito con il software COMSOL Multiphysics. Questo modello simulerà il comportamento di un singolo pit su di una superficie di un disco di metallo di raggio e spessore finiti, le proprietà fisiche e chimiche del disco saranno rispettivamente degli acciai inossidabili AISI 304 e AISI 316. Gli effetti delle variazioni del raggio, spessore e delle proprietà dei materiali saranno raccolte e organizzate fornendo le fondamenta per gli esperimenti pratici. Per questi esperimenti fogli di AISI 304 e di AISI 316 saranno in una cella di corrosione costruita per questa tesi per caratterizzare il comportamento a corrosione dei metalli esaminati. Determinate tali proprietà, amperometrie assistite da una termocamera ad infrarossi saranno eseguite per provare ad osservare l’evoluzione termica della corrosione da vaiolatura e confrontare i risultati sperimentali con quelli calcolati dalla simulazione.