1. การทดสอบและการวิเคราะห์เชิงทฤษฎี
จาก 3วาล์วยางตัวอย่างที่บริษัทจัดหามา มี 2 ชิ้นเป็นวาล์ว และ 1 ชิ้นเป็นวาล์วที่ยังไม่ได้ใช้งาน สำหรับ A และ B วาล์วที่ยังไม่ได้ใช้งานจะถูกทำเครื่องหมายด้วยสีเทา รูปที่ 1 แสดงรายละเอียดอย่างครบถ้วน พื้นผิวด้านนอกของวาล์ว A ตื้น พื้นผิวด้านนอกของวาล์ว B เรียบ พื้นผิวด้านนอกของวาล์ว C เรียบ และพื้นผิวด้านนอกของวาล์ว C เรียบ วาล์ว A และ B ถูกปกคลุมด้วยผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อน วาล์ว A และ B มีรอยแตกที่บริเวณส่วนโค้ง โดยส่วนนอกของส่วนโค้งอยู่ตามแนววาล์ว ปากวงแหวนของวาล์ว B มีรอยแตกไปทางด้านปลาย และมีลูกศรสีขาวทำเครื่องหมายไว้ระหว่างรอยแตกบนพื้นผิวของวาล์ว A จากข้างต้น รอยแตกมีอยู่ทั่วทุกหนทุกแห่ง รอยแตกมีขนาดใหญ่ที่สุด และรอยแตกมีอยู่ทั่วทุกหนทุกแห่ง
ส่วนหนึ่งของวาล์วยางตัวอย่าง A, B และ C ถูกตัดจากส่วนโค้ง และสังเกตลักษณะพื้นผิวด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน ZEISS-SUPRA55 และวิเคราะห์องค์ประกอบในระดับจุลภาคด้วย EDS รูปที่ 2 (a) แสดงโครงสร้างจุลภาคของพื้นผิววาล์ว B จะเห็นได้ว่ามีอนุภาคสีขาวและสว่างจำนวนมากบนพื้นผิว (ระบุด้วยลูกศรสีขาวในรูป) และการวิเคราะห์ EDS ของอนุภาคสีขาวมีปริมาณ S สูง ผลการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานของอนุภาคสีขาวแสดงในรูปที่ 2 (b)
ภาพที่ 2 (c) และ (e) แสดงโครงสร้างจุลภาคของพื้นผิววาล์ว B จากภาพที่ 2 (c) จะเห็นได้ว่าพื้นผิวเกือบทั้งหมดถูกปกคลุมด้วยผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน และองค์ประกอบการกัดกร่อนของผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนจากการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานส่วนใหญ่ประกอบด้วย S, Cl และ O โดยปริมาณของ S ในแต่ละตำแหน่งจะสูงกว่า และผลการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานแสดงในภาพที่ 2 (d) จากภาพที่ 2 (e) จะเห็นว่ามีรอยแตกขนาดเล็กตามแนววงแหวนวาล์วบนพื้นผิวของวาล์ว A ภาพที่ 2 (f) และ (g) แสดงลักษณะทางจุลภาคของพื้นผิววาล์ว C พื้นผิวก็ถูกปกคลุมด้วยผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนอย่างสมบูรณ์เช่นกัน และองค์ประกอบการกัดกร่อนก็ประกอบด้วย S, Cl และ O คล้ายกับภาพที่ 2 (e) สาเหตุของการแตกร้าวอาจเกิดจากการแตกร้าวจากการกัดกร่อนภายใต้ความเค้น (SCC) จากการวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนบนพื้นผิววาล์ว รูปที่ 2(h) แสดงโครงสร้างจุลภาคของพื้นผิววาล์ว C เช่นกัน จะเห็นได้ว่าพื้นผิวค่อนข้างสะอาด และองค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวที่วิเคราะห์โดย EDS คล้ายกับโลหะผสมทองแดง ซึ่งบ่งชี้ว่าวาล์วไม่ได้ถูกกัดกร่อน เมื่อเปรียบเทียบสัณฐานวิทยาในระดับจุลภาคและองค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิววาล์วทั้งสาม จะเห็นได้ว่ามีสารกัดกร่อน เช่น S, O และ Cl อยู่ในสภาพแวดล้อมโดยรอบ
รอยแตกของวาล์ว B ถูกเปิดออกผ่านการทดสอบการดัดงอ และพบว่ารอยแตกไม่ได้ทะลุผ่านหน้าตัดทั้งหมดของวาล์ว แต่แตกที่ด้านข้างของส่วนโค้งด้านหลัง และไม่แตกที่ด้านตรงข้ามกับส่วนโค้งด้านหลังของวาล์ว การตรวจสอบด้วยสายตาพบว่ารอยแตกมีสีเข้ม แสดงว่ารอยแตกนั้นถูกกัดกร่อน และบางส่วนของรอยแตกมีสีเข้ม ซึ่งบ่งชี้ว่าการกัดกร่อนรุนแรงกว่าในส่วนเหล่านั้น รอยแตกของวาล์ว B ถูกสังเกตภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน ดังแสดงในรูปที่ 3 รูปที่ 3 (ก) แสดงลักษณะโดยรวมของรอยแตกของวาล์ว B จะเห็นได้ว่ารอยแตกด้านนอกใกล้กับวาล์วถูกปกคลุมด้วยผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน ซึ่งบ่งชี้อีกครั้งว่ามีสารกัดกร่อนอยู่ในสภาพแวดล้อมโดยรอบ จากการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน ส่วนประกอบทางเคมีของผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนส่วนใหญ่คือ S, Cl และ O และปริมาณของ S และ O ค่อนข้างสูง ดังแสดงในรูปที่ 3 (ข) เมื่อสังเกตพื้นผิวการแตกหัก พบว่ารูปแบบการเติบโตของรอยแตกเป็นไปตามชนิดของผลึก นอกจากนี้ยังสามารถมองเห็นรอยแตกย่อยจำนวนมากได้เมื่อสังเกตการแตกหักด้วยกำลังขยายที่สูงขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 3(c) รอยแตกย่อยเหล่านี้ถูกทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีขาวในรูป ผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนและรูปแบบการเติบโตของรอยแตกบนพื้นผิวการแตกหักแสดงให้เห็นถึงลักษณะเฉพาะของการแตกร้าวจากการกัดกร่อนภายใต้ความเค้นอีกครั้ง
รอยแตกของวาล์ว A ยังไม่ได้เปิดออก จึงทำการตัดส่วนหนึ่งของวาล์วออก (รวมถึงตำแหน่งที่แตก) ขัดและขัดเงาส่วนแกนของวาล์ว และใช้สารละลาย Fe Cl3 (5 กรัม) + HCl (50 มิลลิลิตร) + C2H5OH (100 มิลลิลิตร) กัดกร่อน จากนั้นจึงสังเกตโครงสร้างทางโลหะวิทยาและลักษณะการเติบโตของรอยแตกด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง Zeiss Axio Observer A1m ภาพที่ 4 (ก) แสดงโครงสร้างทางโลหะวิทยาของวาล์ว ซึ่งเป็นโครงสร้างสองเฟส α+β โดยที่ β มีลักษณะละเอียดและเป็นเม็ดเล็กๆ กระจายอยู่บนเมทริกซ์เฟส α รูปแบบการแพร่กระจายของรอยแตกตามรอยแตกรอบวงแสดงในภาพที่ 4 (ก) และ (ข) เนื่องจากพื้นผิวรอยแตกเต็มไปด้วยผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน ช่องว่างระหว่างพื้นผิวรอยแตกทั้งสองจึงกว้าง และยากที่จะแยกแยะรูปแบบการแพร่กระจายของรอยแตก รวมถึงปรากฏการณ์การแตกแขนงด้วย นอกจากนี้ ยังพบรอยแตกย่อยจำนวนมาก (แสดงด้วยลูกศรสีขาวในรูป) บนรอยแตกหลักนี้ด้วย ดังแสดงในรูปที่ 4(c) และรอยแตกย่อยเหล่านี้ขยายตัวไปตามแนวเกรน เมื่อตรวจสอบตัวอย่างวาล์วที่ผ่านการกัดด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) พบว่ามีรอยแตกขนาดเล็กจำนวนมากในตำแหน่งอื่นๆ ที่ขนานกับรอยแตกหลัก รอยแตกขนาดเล็กเหล่านี้เกิดขึ้นจากพื้นผิวและขยายตัวเข้าไปด้านในของวาล์ว รอยแตกมีลักษณะแยกออกเป็นสองทางและขยายตัวไปตามแนวเกรน ดังแสดงในรูปที่ 4(c), (d) สภาพแวดล้อมและสภาวะความเค้นของรอยแตกขนาดเล็กเหล่านี้เกือบจะเหมือนกับของรอยแตกหลัก ดังนั้นจึงสามารถอนุมานได้ว่ารูปแบบการขยายตัวของรอยแตกหลักก็เป็นแบบระหว่างเกรนเช่นกัน ซึ่งได้รับการยืนยันจากการสังเกตการแตกหักของวาล์ว B ปรากฏการณ์การแยกออกเป็นสองทางของรอยแตกแสดงให้เห็นถึงลักษณะเฉพาะของการแตกร้าวจากการกัดกร่อนเนื่องจากความเค้นของวาล์วอีกครั้ง
2. การวิเคราะห์และอภิปราย
โดยสรุปแล้ว สามารถอนุมานได้ว่าความเสียหายของวาล์วเกิดจากการแตกร้าวจากการกัดกร่อนภายใต้ความเค้นที่เกิดจาก SO2 การแตกร้าวจากการกัดกร่อนภายใต้ความเค้นโดยทั่วไปต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสามประการ: (1) วัสดุที่ไวต่อการกัดกร่อนภายใต้ความเค้น (2) สื่อกัดกร่อนที่ไวต่อโลหะผสมทองแดง (3) สภาวะความเค้นบางอย่าง
โดยทั่วไปเชื่อกันว่าโลหะบริสุทธิ์จะไม่เกิดการกัดกร่อนจากความเค้น และโลหะผสมทุกชนิดมีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจากความเค้นในระดับที่แตกต่างกัน สำหรับวัสดุทองเหลืองนั้น โดยทั่วไปเชื่อกันว่าโครงสร้างแบบสองเฟสมีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจากความเค้นสูงกว่าโครงสร้างแบบเฟสเดียว มีรายงานในเอกสารทางวิชาการว่า เมื่อปริมาณสังกะสีในวัสดุทองเหลืองเกิน 20% จะมีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจากความเค้นสูงขึ้น และยิ่งปริมาณสังกะสีสูงเท่าไร ความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจากความเค้นก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น โครงสร้างทางโลหะวิทยาของหัวฉีดแก๊สในกรณีนี้เป็นโลหะผสมแบบสองเฟส α+β และปริมาณสังกะสีอยู่ที่ประมาณ 35% ซึ่งเกิน 20% มาก ดังนั้นจึงมีความไวต่อการกัดกร่อนจากความเค้นสูงและตรงตามเงื่อนไขของวัสดุที่จำเป็นสำหรับการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น
สำหรับวัสดุทองเหลือง หากไม่ทำการอบคลายความเค้นหลังจากการขึ้นรูปเย็น จะเกิดการกัดกร่อนจากความเค้นภายใต้สภาวะความเค้นและสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนเหมาะสม ความเค้นที่ทำให้เกิดการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นโดยทั่วไปคือความเค้นดึงเฉพาะจุด ซึ่งอาจเป็นความเค้นที่กระทำหรือความเค้นตกค้าง หลังจากเติมลมยางรถบรรทุกแล้ว ความเค้นดึงจะเกิดขึ้นตามแนวแกนของหัวฉีดลมเนื่องจากแรงดันสูงภายในยาง ซึ่งจะทำให้เกิดรอยแตกตามแนวเส้นรอบวงในหัวฉีดลม ความเค้นดึงที่เกิดจากแรงดันภายในของยางสามารถคำนวณได้ง่ายๆ ตามสูตร σ=p R/2t (โดยที่ p คือแรงดันภายในของยาง R คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของวาล์ว และ t คือความหนาของผนังวาล์ว) อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว ความเค้นดึงที่เกิดจากแรงดันภายในของยางจะไม่มากนัก และควรพิจารณาผลของความเค้นตกค้างด้วย ตำแหน่งที่เกิดรอยแตกของหัวฉีดแก๊สทั้งหมดอยู่ที่ส่วนโค้งด้านหลัง และเห็นได้ชัดว่าการเสียรูปที่เหลืออยู่บริเวณส่วนโค้งด้านหลังนั้นมีขนาดใหญ่ และมีแรงดึงตกค้างอยู่ ณ ที่นั้น ในความเป็นจริง ในชิ้นส่วนโลหะผสมทองแดงที่ใช้งานจริงหลายๆ ชิ้น รอยแตกจากการกัดกร่อนเนื่องจากความเค้นนั้นแทบจะไม่เกิดจากความเค้นที่ออกแบบไว้ และส่วนใหญ่เกิดจากความเค้นตกค้างที่ไม่สามารถมองเห็นได้และถูกละเลย ในกรณีนี้ ที่ส่วนโค้งด้านหลังของวาล์ว ทิศทางของแรงดึงที่เกิดจากแรงดันภายในของยางนั้นสอดคล้องกับทิศทางของความเค้นตกค้าง และการซ้อนทับกันของความเค้นทั้งสองนี้ทำให้เกิดสภาวะความเค้นที่เอื้อต่อการเกิดรอยแตกจากการกัดกร่อนเนื่องจากความเค้น (SCC)
3. บทสรุปและข้อเสนอแนะ
บทสรุป:
การแตกของวาล์วยางสาเหตุหลักมาจากการแตกร้าวจากการกัดกร่อนเนื่องจากความเค้น ซึ่งเกิดจาก SO2
คำแนะนำ
(1) ติดตามแหล่งที่มาของสารกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมโดยรอบวาล์วยางและพยายามหลีกเลี่ยงการสัมผัสโดยตรงกับสารกัดกร่อนโดยรอบ ตัวอย่างเช่น สามารถเคลือบสารป้องกันการกัดกร่อนลงบนพื้นผิวของวาล์วได้
(2) ความเค้นดึงตกค้างจากการทำงานเย็นสามารถกำจัดได้ด้วยกระบวนการที่เหมาะสม เช่น การอบคลายความเค้นหลังการดัด
วันที่โพสต์: 23 กันยายน 2022
