1. Theoretische toets en analyse
Van de 3bandventielenDe monsters zijn door het bedrijf geleverd, 2 daarvan zijn kleppen en 1 is een nog niet gebruikte klep. Bij A en B is de nog niet gebruikte klep grijs gemarkeerd. Zie Figuur 1 voor een uitgebreide weergave. Het buitenoppervlak van klep A is ondiep, het buitenoppervlak van klep B is glad, het buitenoppervlak van klep C is glad en het buitenoppervlak van klep C is glad. Kleppen A en B zijn bedekt met corrosieproducten. De kleppen A en B vertonen scheuren in de bochten, waarbij de buitenste bocht langs de klep loopt. De scheur in de monding van klep B loopt richting het uiteinde en is gemarkeerd met een witte pijl tussen de scheuren op het oppervlak van klep A. Uit het bovenstaande blijkt dat de scheuren overal aanwezig zijn, en dat de scheuren het grootst zijn.
Een gedeelte van debandventielDe monsters A, B en C werden uit de bocht gesneden en de oppervlaktemorfologie werd geobserveerd met een ZEISS-SUPRA55 scanningelektronenmicroscoop. De samenstelling van het microgebied werd geanalyseerd met EDS. Figuur 2(a) toont de microstructuur van het oppervlak van klep B. Er zijn veel witte en heldere deeltjes op het oppervlak te zien (aangegeven met de witte pijlen in de figuur), en de EDS-analyse van de witte deeltjes toont een hoog zwavelgehalte. De resultaten van de energiespectrumanalyse van de witte deeltjes worden weergegeven in figuur 2(b).
Figuur 2(c) en (e) tonen de oppervlaktemicrostructuren van klep B. Uit figuur 2(c) blijkt dat het oppervlak vrijwel volledig bedekt is met corrosieproducten. De corrosieve elementen in deze producten, bepaald met behulp van energiespectrumanalyse, bestaan voornamelijk uit S, Cl en O. Het S-gehalte is op bepaalde plaatsen hoger. De resultaten van de energiespectrumanalyse zijn weergegeven in figuur 2(d). Figuur 2(e) toont microscheurtjes langs de klepring op het oppervlak van klep A. Figuur 2(f) en (g) tonen de oppervlaktemicromorfologieën van klep C. Ook dit oppervlak is volledig bedekt met corrosieproducten. De corrosieve elementen bestaan eveneens uit S, Cl en O, net als in figuur 2(e). De oorzaak van de scheurvorming kan spanningscorrosie (SCC) zijn, zoals blijkt uit de analyse van de corrosieproducten op het klepoppervlak. Figuur 2(h) toont ook de oppervlaktemicrostructuur van klep C. Het is te zien dat het oppervlak relatief schoon is en dat de chemische samenstelling van het oppervlak, geanalyseerd met EDS, vergelijkbaar is met die van de koperlegering. Dit wijst erop dat de klep niet gecorrodeerd is. Door de microscopische morfologie en chemische samenstelling van de drie klepoppervlakken te vergelijken, blijkt dat er corrosieve stoffen zoals S, O en Cl in de omgeving aanwezig zijn.
De scheur in klep B werd geopend door middel van een buigproef. Hieruit bleek dat de scheur niet de gehele dwarsdoorsnede van de klep doordrong, maar zich bevond aan de zijde van de achterwaartse buiging en niet aan de tegenoverliggende zijde. Visuele inspectie van de breuk toonde aan dat de breuk donker van kleur was, wat wijst op corrosie. Sommige delen van de breuk waren donkerder van kleur, wat aangeeft dat de corrosie daar ernstiger was. De breuk in klep B werd geobserveerd onder een scanningelektronenmicroscoop, zoals weergegeven in figuur 3. Figuur 3(a) toont het macroscopische beeld van de breuk in klep B. Het is te zien dat de buitenste breuk nabij de klep bedekt is met corrosieproducten, wat wederom wijst op de aanwezigheid van corrosieve media in de omgeving. Volgens de energiespectrumanalyse bestaan de chemische componenten van het corrosieproduct voornamelijk uit S, Cl en O, waarbij de concentraties van S en O relatief hoog zijn, zoals weergegeven in figuur 3(b). Observatie van het breukoppervlak toonde aan dat het scheurgroeipatroon een kristallijn patroon volgt. Bij een hogere vergroting van de breuk zijn ook een groot aantal secundaire scheuren te zien, zoals weergegeven in figuur 3(c). De secundaire scheuren zijn in de figuur met witte pijlen gemarkeerd. Corrosieproducten en scheurgroeipatronen op het breukvlak vertonen wederom de kenmerken van spanningscorrosie.
De breuk in klep A is niet geopend. Een deel van de klep (inclusief de scheur) is verwijderd, de axiale doorsnede van de klep is geslepen en gepolijst, en geëtst met een oplossing van FeCl3 (5 g) + HCl (50 ml) + C2H5OH (100 ml). De metallografische structuur en de morfologie van de scheurgroei zijn vervolgens geobserveerd met een Zeiss Axio Observer A1m optische microscoop. Figuur 4(a) toont de metallografische structuur van de klep, die een α+β tweefasenstructuur heeft, waarbij β relatief fijn en korrelig is en verdeeld is over de α-fase matrix. De scheurvoortplantingspatronen bij de omtrekscheuren zijn weergegeven in figuur 4(a) en (b). Omdat de scheuroppervlakken gevuld zijn met corrosieproducten, is de afstand tussen de twee scheuroppervlakken groot en is het moeilijk om de scheurvoortplantingspatronen te onderscheiden. Er werden ook veel secundaire scheuren (aangeduid met witte pijlen in de afbeelding) waargenomen op deze primaire scheur, zie figuur 4(c), en deze secundaire scheuren plantten zich voort langs de korrel. Het geëtste klepmonster werd onderzocht met een SEM, en er werden veel microscheuren gevonden op andere plaatsen parallel aan de hoofdscheur. Deze microscheuren ontstonden aan het oppervlak en breidden zich uit naar de binnenkant van de klep. De scheuren vertakten zich en strekten zich uit langs de korrel, zie figuur 4 (c), (d). De omgeving en de spanningstoestand van deze microscheuren zijn vrijwel hetzelfde als die van de hoofdscheur, dus kan worden afgeleid dat de voortplantingsvorm van de hoofdscheur ook intergranulair is, wat ook wordt bevestigd door de breukwaarneming van klep B. Het vertakkingsfenomeen van de scheur toont opnieuw de kenmerken van spanningscorrosiescheuren in de klep.
2. Analyse en discussie
Samenvattend kan worden geconcludeerd dat de schade aan de klep is veroorzaakt door spanningscorrosie als gevolg van SO2. Spanningscorrosie treedt over het algemeen alleen op bij drie voorwaarden: (1) het materiaal moet gevoelig zijn voor spanningscorrosie; (2) het corrosieve medium moet gevoelig zijn voor koperlegeringen; (3) er moeten bepaalde spanningsomstandigheden aanwezig zijn.
Over het algemeen wordt aangenomen dat zuivere metalen geen last hebben van spanningscorrosie, terwijl alle legeringen in meer of mindere mate gevoelig zijn voor spanningscorrosie. Voor messing wordt doorgaans aangenomen dat de tweefasige structuur een hogere gevoeligheid voor spanningscorrosie heeft dan de eenfasige structuur. In de literatuur is gerapporteerd dat messing gevoeliger is voor spanningscorrosie wanneer het zinkgehalte hoger is dan 20%, en hoe hoger het zinkgehalte, hoe hoger de gevoeligheid voor spanningscorrosie. De metallografische structuur van het gasmondstuk in dit geval is een α+β tweefasige legering, met een zinkgehalte van ongeveer 35%, wat veel hoger is dan 20%. Dit maakt het materiaal zeer gevoelig voor spanningscorrosie en voldoet aan de materiaaleigenschappen die nodig zijn voor spanningscorrosie.
Bij messing materialen treedt spanningscorrosie op onder geschikte spanningsomstandigheden en in een corrosieve omgeving als er na koudvervorming geen spanningsontlastend gloeiproces wordt uitgevoerd. De spanning die spanningscorrosie veroorzaakt, is over het algemeen lokale trekspanning, die zowel toegepaste spanning als restspanning kan zijn. Nadat een vrachtwagenband is opgepompt, ontstaat er door de hoge druk in de band trekspanning in de axiale richting van het ventiel, wat leidt tot scheuren in de omtrek van het ventiel. De trekspanning die wordt veroorzaakt door de interne druk van de band kan eenvoudig worden berekend met de formule σ = p R/2t (waarbij p de interne druk van de band is, R de binnendiameter van het ventiel en t de wanddikte van het ventiel). Over het algemeen is de trekspanning die door de interne druk van de band wordt gegenereerd echter niet erg groot, en moet rekening worden gehouden met het effect van restspanning. De scheurvorming in de ventielen bevindt zich allemaal aan de achterkant van de band, en het is duidelijk dat de restvervorming aan de achterkant groot is en dat er daar sprake is van resttrekspanning. In feite wordt spanningscorrosie bij veel praktische koperlegeringen zelden veroorzaakt door ontwerpspanningen, maar meestal door restspanningen die niet worden opgemerkt en genegeerd. In dit geval, bij de achterste bocht van het ventiel, is de richting van de trekspanning die wordt gegenereerd door de interne druk van de band consistent met de richting van de restspanning, en de superpositie van deze twee spanningen zorgt voor de spanningsconditie die spanningscorrosie veroorzaakt.
3. Conclusie en suggesties
Conclusie:
Het barsten van debandventielDit wordt voornamelijk veroorzaakt door spanningscorrosie als gevolg van SO2.
Suggestie
(1) Spoor de bron van het corrosieve medium op in de omgeving van debandventielEn probeer direct contact met het omringende corrosieve medium te vermijden. Zo kan bijvoorbeeld een anticorrosielaag op het oppervlak van de klep worden aangebracht.
(2) De resterende trekspanning van koudvervorming kan worden geëlimineerd door geschikte processen, zoals spanningsontlastend gloeien na het buigen.
Geplaatst op: 23 september 2022
