تحليل أسباب التصدع وآلية التقصف الحراري للصمام الكروي النحاسي CW617N

يتمتع النحاس بمزايا القوة العالية ، ومقاومة التآكل ، ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة ، والقدرة الجيدة على المعالجة والتوصيل ، وقد استخدم على نطاق واسع في صناعات مثل الطاقة الكهربائية ، والاتصالات ، والنقل ، والصناعات الكيماوية ، وتصنيع الحاويات. النحاس أحادي الطور (伪 -phase) غير مناسب للمعالجة الساخنة. لذلك ، غالبًا ما تستخدم سبائك النحاس ثنائية الطور (伪 + 尾) ذات خصائص المعالجة الحرارية الأفضل لإنتاج منتجات مزورة على الساخن ، مثل الصمامات والحنفيات وموصلات الأنابيب. ومع ذلك ، في عملية التطريق الساخن ، تحتاج سبائك النحاس الأصفر إلى تحمل التشوهات الكبيرة في درجات الحرارة العالية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هيكل المنتجات المطروقة على الساخن معقد ، ويمكن أن ينتج عنه عيوب بسهولة مثل الحواجز الباردة ، والتقشير ، والطي ، والحبوب الخشنة.

بعد عملية تزوير ساخنة ، تصدع نوع معين من الصمام الكروي النحاسي CW617N ثنائي الطور بسبب التقصف الحراري أو تسرب في اختبار الضيق. استجابة لهذه الظاهرة ، قام المؤلف بفحص وتحليل مورفولوجيا الكراك ومسار الانتشار وسبب التكون ، ودرس آلية الهشاشة الساخنة لسبائك النحاس ثنائية الطور من أجل اتخاذ تدابير لتجنب حدوث فشل مماثل مرة أخرى.

تم استخدام مطياف القراءة المباشرة SPECTRO LAB LAVM10 لتحليل التركيب الكيميائي لجسم الصمام المتصدع. النتائج موضحة في الجدول 1. يمكن ملاحظة أن التركيب الكيميائي لسبائك النحاس الأصفر المستخدم في صمام الحدادة على الساخن يلبي متطلبات EN 12164: 2011 لقضبان النحاس وسبائك النحاس لأغراض التصنيع الحر.

بعد اكتشاف التسرب ، وجد أن الكراك كان موجودًا في جسم الصمام وتمدد في الاتجاه المحوري ، كما هو موضح في الشكل 1 أ). اعترض الجزء المتصدع من جسم الصمام وراقب شكل سطح الصدع. يتضح من الشكل 1 ب) والشكل 1 ج) أنه لا يوجد تشوه بلاستيكي واضح وخدوش وعلامات نتوء بالقرب من الكراك ؛ سطح الكراك مسطح ويتمدد بشكل متعرج. لذلك ، يُحكم مبدئيًا على أن جسم الصمام هش ومتشقق.

يمكن ملاحظة أن المنطقة الخالية من الشقوق والبنية المجهرية بالقرب من الكراك تتكون من طور (أبيض) و طور (أسود) ؛ حجم الحبيبات هو نفسه بشكل أساسي ، ولا يوجد فرق كبير ، فجميعها بلورات متساوية. لا توجد بنية مجهرية غير طبيعية في منطقة الكراك. يمكن أن نرى من الشكل 2 ب) والشكل 2 ج) أن كلا الكراك الرئيسي والشق الثانوي ينتشران على طول حدود الحبوب ، أي أن شكل الكسر هو التكسير الحبيبي.

يتم فتح الكراك على طول اتجاه انتشار الكراك ، ويلاحظ التشكل الدقيق للكسر عن طريق مسح المجهر الإلكتروني (SEM). يمكن أن نرى من الشكل 3 أ) والشكل 3 ب) أن سطح الكسر مسطح نسبيًا دون تشوه البلاستيك ؛ سطح سطح الكسر متكتل أو سكر صخري ، مع قدر معين من الشقوق الثانوية ، ولا يوجد شكل لكسر بلاستيكي مثل الدمامل. إنه يوضح أن وضع الفشل للصمام الكروي النحاسي CW617N هو تكسير هش بين الخلايا الحبيبي النموذجي.

من أجل معرفة سبب الكسر على طول البلورة ، تم تكبير شكل سطح الكسر بشكل أكبر وملاحظته ، وشوهدت بعض المواد الموزعة على طول حدود الحبوب. كانت بيضاء ومشرقة في وضع التبعثر الخلفي SEM ، كما هو موضح في الشكل 3 ج). يوضح تحليل طيف الطاقة (EDS) للمادة البيضاء واللون الزاهي أن تركيبها الكيميائي هو عنصر رئيسي بشكل أساسي ، مما يشير إلى أن ظاهرة فصل الرصاص قد حدثت على حدود الحبوب.

تحليل أسباب التشقق

يوضح تحليل الكسر أن شكل التكسير للصمام الكروي النحاسي CW617N هو كسر هش على طول البلورة. بشكل عام ، فإن قوة الترابط لحدود الحبوب أعلى من قوة الترابط داخل الحبوب. فقط عندما تضعف حدود الحبوب ، سوف ينتشر الكراك على طول حدود الحبوب ويسبب كسرًا هشًا. تشمل الأسباب الرئيسية لإضعاف حدود حبيبات المواد ما يلي: شوائب على حدود الحبوب أو مرحلة الترسيب الهش المستمر ؛ عناصر الشوائب الفوسفور ، الكبريت ، الزرنيخ ، الأنتيمون ، القصدير ، البزموت ، الرصاص ، إلخ ، تفصل عند حدود الحبوب ؛ تتسبب عوامل الوسائط البيئية في التآكل والزحف في درجات الحرارة المرتفعة وما إلى ذلك.

أثناء عملية خدمة منتجات النحاس الأصفر ، نظرًا لتأثير التآكل الناتج عن الإجهاد ، غالبًا ما تحدث شروخ هشة على طول البلورة. ومع ذلك ، فإن الصمام الكروي النحاسي CW617N الفاشل في هذه الدراسة لم يكن في الخدمة ، ولم تكن هناك أطوار أو شوائب مترسبة بين البلورات في البنية المجهرية بالقرب من الشقوق ، والتي يمكن أن تقضي على تأثير عوامل التآكل البيئي والمراحل المترسبة بين البلورات أو الادراج. تُظهر نتائج تحليل EDS للمواد المتبقية في سطح الكسر والبنية المجهرية أن هناك فصلًا للرصاص عند حدود الحبوب ، وهو السبب الرئيسي لإضعاف حدود الحبوب للصمام الكروي النحاسي CW617N. إلى جانب تأثير إجهاد الشد المتولد أثناء عملية التشكيل على الساخن أو الضغط المتبقي أثناء عملية التبريد ،

تحليل آلية الهشاشة الحرارية

تكسير الصمام الكروي النحاسي CW617N على طول البلورة يرجع أساسًا إلى الهشاشة الساخنة أثناء عملية التشكيل على الساخن. ظاهرة التقصف الساخن للنحاس الأصفر تعني أنه أثناء عملية العمل الساخنة ، تذوب نقطة الانصهار المنخفضة سهلة الانصهار أولاً ، مما يؤدي إلى إضعاف أو تقصف حدود الحبوب النحاسية ، ويحدث الكسر الهش تحت تأثير الإجهاد الخارجي. تبلغ نسبة كتلة الرصاص في مادة النحاس الخام المستخدمة في الصمام حوالي 2٪ ، وقابلية ذوبان الرصاص في النحاس أقل من 0.3٪ ، ومعظمها موجود في النحاس الأصفر على شكل جزيئات خالية من الرصاص. يشكل الرصاص والنحاس بسهولة بنية سهلة الانصهار منخفضة نقطة الانصهار ، ودرجة الحرارة سهلة الانصهار هي فقط 326 درجة مئوية. عملية الطرق الساخنة هي قولبة بالبثق بدرجة حرارة عالية. تحت تأثير إجهاد الشد أثناء عملية البثق والتبريد ، المادة عرضة للكسر الهش على طول البلورة ، أي هشاشة ساخنة. ترتبط ظاهرة التقصف الساخن في عملية التشكيل الحراري للنحاس بفصل العناصر الكيميائية للمواد الخام ، ووقت الإقامة غير المعقول في درجة الحرارة العالية ، وسرعة البثق ومعدل التبريد أثناء عملية التشكيل على الساخن.

وضع فشل الصمام الكروي النحاسي CW617N هو فشل التكسير الحبيبي الناجم عن التقصف الحراري. أثناء عملية التشكيل على الساخن ، تتسبب عملية التشكيل الساخن غير المعقولة في تجمع عنصر الرصاص عند حدود الحبوب لتشكيل مرحلة سهلة الانصهار منخفضة الذوبان وغنية بالرصاص ، وتحت تأثير إجهاد الشد ، تتشكل الشقوق الدقيقة بين الحبيبات. تنشأ الشقوق من تركيز الضغط على سطح جسم الصمام ، وتتوسع على طول الاتجاه المحوري ، مما يؤدي في النهاية إلى فشل الكسر.

من أجل منع الهشاشة الساخنة للنحاس المطروق على الساخن ، يجب الانتباه إلى التحكم الصارم في محتوى عناصر الشوائب في المواد الخام لتقليل فصل العناصر ؛ صياغة عملية تزوير ساخنة معقولة لمنع المواد من البقاء في نطاق درجة الحرارة الهشة من 300 إلى 400 درجة مئوية لفترة طويلة ؛ تقليل سرعة البثق ومعدل التبريد ، حتى لا ينتج عنه ضغط داخلي أعلى.

تم التحديد من: "الفحص الفيزيائي والكيميائي - حجم الفيزياء" المجلد 55 2019.8