1. الاختبار والتحليل النظري
من بين الثلاثةصمامات الإطاراتالعينات المقدمة من الشركة، اثنتان منها صمامات، وواحدة صمام لم يُستخدم بعد. بالنسبة للصمامين A وB، الصمام غير المستخدم مُحدد باللون الرمادي. الشكل التوضيحي 1: السطح الخارجي للصمام A ضحل، والسطح الخارجي للصمام B سطح، والسطح الخارجي للصمام C سطح، والسطح الخارجي للصمام C سطح. الصمامان A وB مُغطّيان بنواتج التآكل. الصمامان A وB مُتشققان عند الانحناءات، والجزء الخارجي من الانحناء مُمتد على طول الصمام، وفوهة حلقة الصمام B مُتشققة باتجاه النهاية، ويُشير السهم الأبيض بين الأسطح المُتشققة على سطح الصمام A. مما سبق، يتضح أن الشقوق منتشرة في كل مكان، وأن الشقوق هي الأكبر، وأن الشقوق منتشرة في كل مكان.
جزء منصمام الإطارتم قطع عينات A وB وC من منطقة الانحناء، وتمت معاينة مورفولوجيا السطح باستخدام مجهر المسح الإلكتروني ZEISS-SUPRA55، كما تم تحليل تركيب المنطقة المجهرية باستخدام مطيافية تشتت الطاقة للأشعة السينية (EDS). يوضح الشكل 2 (أ) البنية المجهرية لسطح الصمام B. يُلاحظ وجود العديد من الجسيمات البيضاء اللامعة على السطح (مُشار إليها بالأسهم البيضاء في الشكل)، ويُظهر تحليل EDS للجسيمات البيضاء محتوىً عالياً من الكبريت. أما نتائج تحليل طيف الطاقة للجسيمات البيضاء فتظهر في الشكل 2 (ب).
الشكلان 2 (ج) و(هـ) يوضحان البنية المجهرية لسطح الصمام B. يتضح من الشكل 2 (ج) أن السطح مغطى بالكامل تقريبًا بنواتج التآكل، وتشمل العناصر المسببة للتآكل، وفقًا لتحليل طيف الطاقة، الكبريت والكلور والأكسجين بشكل رئيسي. ويُلاحظ ارتفاع نسبة الكبريت في بعض المواضع، كما هو موضح في الشكل 2 (د). أما الشكل 2 (هـ) فيُظهر وجود تشققات دقيقة على طول حلقة الصمام A. بينما يوضح الشكلان 2 (و) و(ز) البنية المجهرية لسطح الصمام C، حيث يكون السطح مغطى بالكامل أيضًا بنواتج التآكل، وتشمل العناصر المسببة للتآكل الكبريت والكلور والأكسجين، كما هو الحال في الشكل 2 (هـ). ويُرجح أن يكون سبب التشققات هو تشقق التآكل الإجهادي (SCC)، استنادًا إلى تحليل نواتج التآكل على سطح الصمام. يوضح الشكل 2(ح) البنية المجهرية لسطح الصمام C. يتضح أن السطح نظيف نسبيًا، وأن التركيب الكيميائي للسطح، الذي تم تحليله بواسطة مطيافية تشتت الطاقة للأشعة السينية (EDS)، مشابه لتركيب سبيكة النحاس، مما يشير إلى أن الصمام غير متآكل. وبمقارنة الشكل المجهري والتركيب الكيميائي لأسطح الصمامات الثلاثة، يتضح وجود مواد مسببة للتآكل مثل الكبريت والأكسجين والكلور في البيئة المحيطة.
تم الكشف عن شق الصمام B من خلال اختبار الانحناء، وتبين أن الشق لم يخترق كامل المقطع العرضي للصمام، بل انكسر على جانب الانحناء الخلفي، ولم ينكسر على الجانب المقابل. أظهر الفحص البصري للكسر أن لونه داكن، مما يشير إلى تآكله، كما أن بعض أجزائه داكنة اللون، مما يدل على شدة التآكل فيها. تمت معاينة كسر الصمام B باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، كما هو موضح في الشكل 3. يوضح الشكل 3 (أ) المظهر العياني لكسر الصمام B. يُلاحظ أن الكسر الخارجي القريب من الصمام مغطى بنواتج التآكل، مما يؤكد وجود بيئة أكالة في المحيط. وفقًا لتحليل طيف الطاقة، تتكون المكونات الكيميائية لناتج التآكل بشكل رئيسي من الكبريت والكلور والأكسجين، وتكون نسب الكبريت والأكسجين مرتفعة نسبيًا، كما هو موضح في الشكل 3 (ب). عند معاينة سطح الكسر، وُجد أن نمط نمو الشق يتبع النمط البلوري. يمكن ملاحظة عدد كبير من الشقوق الثانوية عند فحص الكسر بتكبيرات أعلى، كما هو موضح في الشكل 3(ج). وتُشير الأسهم البيضاء في الشكل إلى هذه الشقوق الثانوية. وتُظهر نواتج التآكل وأنماط نمو الشقوق على سطح الكسر خصائص تشقق التآكل الإجهادي.
لم يتم فتح صمام A المكسور، لذا أُزيل جزء منه (بما في ذلك موضع الكسر)، ثم صُقل الجزء المحوري منه وصُقل، واستُخدم محلول FeCl3 (5 غ) + HCl (50 مل) + C2H5OH (100 مل) للحفر. وتمت معاينة البنية المعدنية وشكل نمو الشقوق باستخدام المجهر الضوئي Zeiss Axio Observer A1m. يوضح الشكل 4 (أ) البنية المعدنية للصمام، وهي بنية ثنائية الطور α+β، حيث يكون الطور β دقيقًا وحبيبيًا نسبيًا وموزعًا على مصفوفة الطور α. وتظهر أنماط انتشار الشقوق عند الشقوق المحيطية في الشكلين 4 (أ) و(ب). ونظرًا لأن أسطح الشقوق مملوءة بنواتج التآكل، فإن الفجوة بين سطحي الشقين واسعة، مما يصعب معه تمييز أنماط انتشار الشقوق. لوحظت أيضًا العديد من الشقوق الثانوية (المشار إليها بالأسهم البيضاء في الشكل) على هذا الشق الرئيسي، كما هو موضح في الشكل 4(ج)، وقد انتشرت هذه الشقوق الثانوية على طول الحبيبات. تم فحص عينة الصمام المحفورة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، ووُجدت العديد من الشقوق الدقيقة في مواقع أخرى موازية للشق الرئيسي. نشأت هذه الشقوق الدقيقة من السطح وتوسعت إلى داخل الصمام. وقد تفرعت هذه الشقوق وامتدت على طول الحبيبات، كما هو موضح في الشكل 4(ج) و(د). تتشابه بيئة وحالة الإجهاد لهذه الشقوق الدقيقة تقريبًا مع تلك الخاصة بالشق الرئيسي، لذا يمكن الاستنتاج أن شكل انتشار الشق الرئيسي هو أيضًا بين الحبيبات، وهو ما أكدته أيضًا ملاحظة الكسر في الصمام B. تُظهر ظاهرة تفرع الشق مرة أخرى خصائص تشقق التآكل الإجهادي للصمام.
2. التحليل والمناقشة
باختصار، يمكن استنتاج أن تلف الصمام ناتج عن تشقق التآكل الإجهادي الناجم عن ثاني أكسيد الكبريت. ويتطلب تشقق التآكل الإجهادي عموماً توافر ثلاثة شروط: (1) مواد حساسة للتآكل الإجهادي؛ (2) وسط أكّال حساس لسبائك النحاس؛ (3) ظروف إجهاد معينة.
يُعتقد عمومًا أن المعادن النقية لا تتأثر بالتآكل الإجهادي، وأن جميع السبائك معرضة له بدرجات متفاوتة. بالنسبة لمواد النحاس الأصفر، يُعتقد عمومًا أن البنية ثنائية الطور أكثر عرضة للتآكل الإجهادي من البنية أحادية الطور. وقد ورد في المراجع العلمية أنه عندما يتجاوز محتوى الزنك في النحاس الأصفر 20%، تزداد قابليته للتآكل الإجهادي، وكلما زاد محتوى الزنك، زادت قابليته للتآكل الإجهادي. في هذه الحالة، تتكون البنية المعدنية لفوهة الغاز من سبيكة ثنائية الطور α+β، ويبلغ محتوى الزنك فيها حوالي 35%، أي أعلى بكثير من 20%، مما يجعلها شديدة الحساسية للتآكل الإجهادي، وتستوفي شروط المادة اللازمة لحدوث تشقق التآكل الإجهادي.
بالنسبة للمواد النحاسية، إذا لم تُجرَ عملية التلدين لتخفيف الإجهاد بعد تشكيلها على البارد، فسيحدث تآكل إجهادي في ظل ظروف إجهاد مناسبة وبيئات أكالة. الإجهاد الذي يُسبب تشقق التآكل الإجهادي هو عادةً إجهاد شد موضعي، والذي قد يكون إجهادًا مُطبقًا أو إجهادًا متبقيًا. بعد نفخ إطار الشاحنة، يتولد إجهاد شد على طول المحور الطولي لفوهة الهواء نتيجةً للضغط العالي داخل الإطار، مما يُسبب تشققات محيطية في الفوهة. يُمكن حساب إجهاد الشد الناتج عن الضغط الداخلي للإطار ببساطة وفقًا للمعادلة σ = pR/2t (حيث p هو الضغط الداخلي للإطار، وR هو القطر الداخلي للصمام، وt هو سُمك جدار الصمام). مع ذلك، بشكل عام، لا يكون إجهاد الشد الناتج عن الضغط الداخلي للإطار كبيرًا جدًا، ويجب مراعاة تأثير الإجهاد المتبقي. تقع جميع مواقع التصدع في فوهات الغاز عند الانحناء الخلفي، ومن الواضح أن التشوه المتبقي عند هذا الانحناء كبير، مما يؤدي إلى وجود إجهاد شد متبقٍ. في الواقع، في العديد من مكونات سبائك النحاس العملية، نادرًا ما يكون سبب تصدع التآكل الإجهادي هو إجهادات التصميم، بل غالبًا ما يكون ناتجًا عن إجهادات متبقية غير مرئية ويتم تجاهلها. في هذه الحالة، عند الانحناء الخلفي للصمام، يتوافق اتجاه إجهاد الشد الناتج عن الضغط الداخلي للإطار مع اتجاه الإجهاد المتبقي، ويُشكل تراكب هذين الإجهادين حالة الإجهاد اللازمة لحدوث تصدع التآكل الإجهادي.
3. الخاتمة والتوصيات
خاتمة:
تصدعصمام الإطارويرجع ذلك أساساً إلى تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد بسبب ثاني أكسيد الكبريت.
اقتراح
(1) تتبع مصدر الوسط المسبب للتآكل في البيئة المحيطة بـصمام الإطاروحاول تجنب التلامس المباشر مع الوسط المحيط المسبب للتآكل. على سبيل المثال، يمكن وضع طبقة من الطلاء المقاوم للتآكل على سطح الصمام.
(2) يمكن التخلص من إجهاد الشد المتبقي الناتج عن التشكيل على البارد من خلال عمليات مناسبة، مثل التلدين لتخفيف الإجهاد بعد الانحناء.
تاريخ النشر: 23 سبتمبر 2022
