1. Теоретическая проверка и анализ
Из 3вентили шинОбразцы предоставлены компанией, 2 из них — клапаны, и 1 — клапан, который еще не использовался. Для клапанов A и B неиспользованный клапан обозначен серым цветом. На рисунке 1 показано, что наружная поверхность клапана A имеет неглубокую шероховатость, наружная поверхность клапана B — шероховатость, наружная поверхность клапана C — шероховатость, а наружная поверхность клапана C — шероховатость. Клапаны A и B покрыты продуктами коррозии. Клапаны A и B имеют трещины в местах изгибов, наружная часть изгиба проходит вдоль клапана, отверстие кольца клапана B треснуло к концу, а белая стрелка указывает на трещины на поверхности клапана A. Из вышеизложенного следует, что трещины присутствуют повсюду, трещины самые крупные, и трещины встречаются повсеместно.
Разделвентиль шиныОбразцы A, B и C были вырезаны из изгиба, морфология поверхности исследовалась с помощью сканирующего электронного микроскопа ZEISS-SUPRA55, а состав микрообласти анализировался методом энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС). На рисунке 2 (а) показана микроструктура поверхности клапана B. Видно, что на поверхности присутствует множество белых и блестящих частиц (обозначены белыми стрелками на рисунке), и анализ ЭДС белых частиц показывает высокое содержание серы. Результаты анализа энергетического спектра белых частиц показаны на рисунке 2 (б).
На рисунках 2(c) и (e) показана микроструктура поверхности клапана B. Из рисунка 2(c) видно, что поверхность почти полностью покрыта продуктами коррозии, а коррозионные элементы продуктов коррозии, согласно анализу энергетического спектра, в основном включают S, Cl и O, при этом содержание S в отдельных точках выше, результаты анализа энергетического спектра показаны на рисунке 2(d). Из рисунка 2(e) видно, что вдоль кольца клапана A имеются микротрещины. На рисунках 2(f) и (g) показана микроморфология поверхности клапана C, поверхность также полностью покрыта продуктами коррозии, а коррозионные элементы также включают S, Cl и O, аналогично рисунку 2(e). Причиной образования трещин может быть коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), что подтверждается анализом продуктов коррозии на поверхности клапана. На рис. 2(h) также показана микроструктура поверхности клапана C. Видно, что поверхность относительно чистая, а химический состав поверхности, проанализированный методом EDS, аналогичен составу медного сплава, что указывает на отсутствие коррозии клапана. Сравнивая микроскопическую морфологию и химический состав поверхностей трех клапанов, можно показать наличие коррозионных сред, таких как S, O и Cl, в окружающей среде.
Трещина клапана B была вскрыта в ходе испытания на изгиб, и было обнаружено, что трещина не проникает через все поперечное сечение клапана, а образуется со стороны обратного изгиба, в отличие от него. Визуальный осмотр излома показал, что цвет излома темный, что указывает на коррозию, а некоторые участки излома также имеют темный цвет, что свидетельствует о более серьезной коррозии в этих местах. Излом клапана B был исследован под сканирующим электронным микроскопом, как показано на рисунке 3. Рисунок 3 (а) показывает макроскопический вид излома клапана B. Видно, что наружный излом вблизи клапана покрыт продуктами коррозии, что еще раз указывает на присутствие коррозионной среды в окружающей среде. Согласно анализу энергетического спектра, химический состав продуктов коррозии представлен в основном S, Cl и O, причем содержание S и O относительно высокое, как показано на рис. 3 (б). При осмотре поверхности излома было обнаружено, что характер роста трещины соответствует кристаллической структуре. При наблюдении излома при большем увеличении также можно увидеть большое количество вторичных трещин, как показано на рисунке 3(c). Вторичные трещины отмечены на рисунке белыми стрелками. Продукты коррозии и характер роста трещин на поверхности излома снова демонстрируют признаки коррозионного растрескивания под напряжением.
Трещина клапана А не была вскрыта, был удален участок клапана (включая место трещины), осевой срез клапана был отшлифован и отполирован, после чего был проведен травление раствором FeCl3 (5 г) + HCl (50 мл) + C2H5OH (100 мл). Металлографическая структура и морфология роста трещин были исследованы с помощью оптического микроскопа Zeiss Axio Observer A1m. На рисунке 4 (а) показана металлографическая структура клапана, представляющая собой двухфазную структуру α+β, причем β-фаза относительно мелкозернистая и распределена по матрице α-фазы. Схема распространения трещин по окружным трещинам показана на рисунке 4 (а), (б). Поскольку поверхности трещин заполнены продуктами коррозии, зазор между двумя поверхностями трещин велик, и трудно различить схемы распространения трещин. На этой основной трещине также наблюдалось множество вторичных трещин (отмеченных белыми стрелками на рисунке), см. рис. 4(c), и эти вторичные трещины распространялись вдоль зерен. Образец протравленного клапана был исследован с помощью СЭМ, и было обнаружено множество микротрещин в других местах, параллельных основной трещине. Эти микротрещины возникали на поверхности и распространялись внутрь клапана. Трещины разветвлялись и распространялись вдоль зерен, см. рис. 4 (c), (d). Окружающая среда и напряженное состояние этих микротрещин практически совпадают с таковыми у основной трещины, поэтому можно сделать вывод, что форма распространения основной трещины также является межзеренной, что также подтверждается наблюдением за разрушением клапана B. Явление разветвления трещины еще раз демонстрирует характеристики коррозионного растрескивания клапана под напряжением.
2. Анализ и обсуждение
В заключение можно сделать вывод, что повреждение клапана вызвано коррозионным растрескиванием под напряжением, вызванным SO2. Для возникновения коррозионного растрескивания под напряжением обычно необходимо соблюдение трех условий: (1) материалы, чувствительные к коррозии под напряжением; (2) коррозионная среда, чувствительная к медным сплавам; (3) определенные условия напряжения.
Принято считать, что чистые металлы не подвержены коррозии под напряжением, а все сплавы в различной степени подвержены ей. Для латуни обычно считается, что двухфазная структура обладает большей восприимчивостью к коррозии под напряжением, чем однофазная. В литературе сообщается, что при содержании цинка в латуни более 20% она обладает большей восприимчивостью к коррозии под напряжением, и чем выше содержание цинка, тем выше восприимчивость к коррозии под напряжением. Металлографическая структура газового сопла в данном случае представляет собой двухфазный сплав α+β, а содержание цинка составляет около 35%, что значительно превышает 20%, поэтому он обладает высокой чувствительностью к коррозии под напряжением и соответствует условиям материала, необходимым для коррозионного растрескивания под напряжением.
Для латунных материалов, если после холодной обработки не проводится отжиг для снятия напряжений, при соответствующих условиях напряжений и в агрессивной среде будет возникать коррозионное растрескивание под напряжением. Напряжение, вызывающее коррозионное растрескивание под напряжением, обычно представляет собой локальное растягивающее напряжение, которое может быть приложенным или остаточным. После накачивания шины грузовика из-за высокого давления в шине вдоль осевого направления воздушного сопла возникает растягивающее напряжение, которое приводит к образованию кольцевых трещин в воздушном сопле. Растягивающее напряжение, вызванное внутренним давлением шины, можно просто рассчитать по формуле σ = pR/2t (где p — внутреннее давление шины, R — внутренний диаметр клапана, а t — толщина стенки клапана). Однако, как правило, растягивающее напряжение, создаваемое внутренним давлением шины, не слишком велико, и следует учитывать влияние остаточного напряжения. Места образования трещин в газовых соплах находятся в области обратного изгиба, и очевидно, что остаточная деформация в этой области велика, и там возникает остаточное растягивающее напряжение. В действительности, во многих практических компонентах из медных сплавов коррозионное растрескивание под напряжением редко вызывается расчетными напряжениями, и в большинстве случаев оно вызвано остаточными напряжениями, которые не видны и игнорируются. В этом случае, на обратном изгибе клапана, направление растягивающего напряжения, создаваемого внутренним давлением шины, совпадает с направлением остаточного напряжения, и суперпозиция этих двух напряжений создает условия для возникновения коррозионного растрескивания под напряжением.
3. Заключение и предложения
Заключение:
Трещинавентиль шиныВ основном это вызвано коррозионным растрескиванием под напряжением, обусловленным воздействием SO2.
Предположение
(1) Определить источник коррозионной среды в окружающей среде вокругвентиль шиныи старайтесь избегать прямого контакта с окружающей коррозионной средой. Например, на поверхность клапана можно нанести слой антикоррозионного покрытия.
(2) Остаточное растягивающее напряжение холодной обработки может быть устранено соответствующими процессами, такими как отжиг для снятия напряжений после изгиба.
Дата публикации: 23 сентября 2022 г.
