1. 理論的な検証と分析
3つのうちタイヤバルブ会社から提供されたサンプルのうち、2つはバルブで、1つはまだ使用されていないバルブです。AとBについては、使用されていないバルブは灰色でマークされています。総合図1。バルブAの外面は浅く、バルブBの外面は表面、バルブCの外面は表面、バルブCの外面は表面です。バルブAとBは腐食生成物で覆われています。バルブAとBは曲がり部分に亀裂があり、曲がりの外側部分はバルブに沿っており、バルブリング口Bは端に向かって亀裂があり、バルブAの表面の亀裂面の間に白い矢印がマークされています。上記から、亀裂は至る所にあり、亀裂は最も大きく、亀裂は至る所にあります。
セクションタイヤバルブA、B、Cのサンプルは曲がり部から切り出され、表面形態はZEISS-SUPRA55走査型電子顕微鏡で観察され、微小領域の組成はEDSで分析された。図2(a)はバルブB表面の微細構造を示している。表面には多くの白く明るい粒子が存在することがわかる（図中の白い矢印で示されている）。白い粒子のEDS分析ではSの含有量が高い。白い粒子のエネルギースペクトル分析結果を図2(b)に示す。
図2（c）と（e）はバルブBの表面微細構造である。図2（c）から、表面は腐食生成物でほぼ完全に覆われていることがわかる。腐食生成物の腐食元素は、エネルギー分光分析により主にS、Cl、Oを含み、個々の位置におけるSの含有量が高いことがわかる。エネルギー分光分析の結果を図2（d）に示す。図2（e）から、バルブAの表面のバルブリングに沿って微小亀裂があることがわかる。図2（f）と（g）はバルブCの表面微細形態であり、表面も腐食生成物で完全に覆われており、腐食元素は図2（e）と同様にS、Cl、Oを含む。バルブ表面の腐食生成物分析から、亀裂の原因は応力腐食割れ（SCC）であると考えられる。図2(h)はバルブCの表面微細構造も示している。表面は比較的きれいで、EDSで分析した表面の化学組成は銅合金のものと類似しており、バルブが腐食していないことがわかる。3つのバルブ表面の微細形態と化学組成を比較すると、周囲環境にはS、O、Clなどの腐食性媒体が存在することがわかる。
バルブBの亀裂は曲げ試験によって開かれ、亀裂はバルブの断面全体を貫通しておらず、バックベンド側で亀裂が発生し、バルブのバックベンドの反対側では亀裂が発生していないことがわかった。破断面の目視検査では、破断面の色が暗く、破断面が腐食していることを示しており、破断面の一部が暗色であることから、これらの部分で腐食がより深刻であることがわかった。バルブBの破断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図3に示す。図3(a)はバルブBの破断面の肉眼的外観を示す。バルブ付近の外側の破断面が腐食生成物で覆われているのがわかった。これは、周囲環境に腐食性媒体が存在することを改めて示している。エネルギー分光分析によると、腐食生成物の化学成分は主にS、Cl、Oであり、SとOの含有量が比較的高いことが図3(b)に示されている。破断面を観察すると、亀裂の成長パターンは結晶型に沿っていることがわかった。図3(c)に示すように、破断面を高倍率で観察すると、多数の二次亀裂も確認できる。図中では、二次亀裂は白い矢印で示されている。破断面上の腐食生成物や亀裂の成長パターンは、応力腐食割れの特徴を改めて示している。
バルブ A の破断部は開いていないので、バルブの一部 (亀裂部を含む) を取り外し、バルブの軸方向部分を研磨し、Fe Cl3 (5 g) +HCl (50 mL) + C2H5OH (100 mL) 溶液でエッチングし、Zeiss Axio Observer A1m 光学顕微鏡で金属組織と亀裂成長形態を観察した。図 4 (a) はバルブの金属組織を示しており、α + β 二相構造で、β は比較的細かく粒状で、α 相マトリックス上に分布している。円周方向の亀裂における亀裂伝播パターンを図 4(a)、(b) に示す。亀裂面は腐食生成物で満たされているため、2 つの亀裂面間のギャップが広く、亀裂伝播パターンを区別することは困難である。分岐現象。この主亀裂上には、多数の二次亀裂（図中の白い矢印で示されている）も観察され、図4（c）を参照、これらの二次亀裂は結晶粒に沿って伝播した。エッチングされたバルブサンプルをSEMで観察したところ、主亀裂に平行な他の位置に多数の微小亀裂が存在することがわかった。これらの微小亀裂は表面から発生し、バルブ内部に拡大した。亀裂は分岐し、結晶粒に沿って広がった（図4（c）、（d）を参照）。これらの微小亀裂の環境と応力状態は主亀裂のそれとほぼ同じであるため、主亀裂の伝播形態も粒界であると推測でき、これはバルブBの破壊観察によっても確認されている。亀裂の分岐現象は、バルブの応力腐食割れの特徴を改めて示している。
2．分析と考察
要約すると、バルブの損傷はSO2による応力腐食割れが原因であると推測できます。応力腐食割れは一般的に次の3つの条件を満たす必要があります。(1)応力腐食に敏感な材料、(2)銅合金に敏感な腐食性媒体、(3)特定の応力条件。
純金属は応力腐食を受けないと考えられているが、合金は程度の差こそあれ応力腐食を受けやすい。真鍮材料については、二相構造は単相構造よりも応力腐食感受性が高いと一般的に考えられている。文献によると、真鍮材料中の亜鉛含有量が20%を超えると応力腐食感受性が高くなり、亜鉛含有量が高いほど応力腐食感受性も高くなると報告されている。本事例のガスノズルの金属組織はα+β二相合金であり、亜鉛含有量は約35%と20%をはるかに超えているため、応力腐食感受性が高く、応力腐食割れに必要な材料条件を満たしている。
真鍮材料の場合、冷間加工変形後に応力除去焼鈍を行わないと、適切な応力条件と腐食環境下で応力腐食が発生します。応力腐食割れを引き起こす応力は、一般的に局所的な引張応力であり、これは印加応力または残留応力のいずれかです。トラックのタイヤに空気を注入すると、タイヤ内の高圧によりエアノズルの軸方向に沿って引張応力が発生し、エアノズルに円周方向の亀裂が生じます。タイヤの内部圧力によって生じる引張応力は、σ=p R/2t (ここで、p はタイヤの内部圧力、R はバルブの内径、t はバルブの肉厚) に従って簡単に計算できます。ただし、一般的に、タイヤの内部圧力によって発生する引張応力はそれほど大きくなく、残留応力の影響を考慮する必要があります。ガスノズルの亀裂位置はすべてバックベンドにあり、バックベンドでの残留変形が大きいことは明らかであり、そこに残留引張応力が存在します。実際、多くの実用的な銅合金部品において、応力腐食割れは設計応力によって引き起こされることは稀であり、そのほとんどは目に見えない残留応力によって引き起こされ、無視されている。この場合、バルブの背面曲げ部では、タイヤの内部圧力によって発生する引張応力の方向が残留応力の方向と一致しており、これら2つの応力の重ね合わせによってSCCが発生する応力条件が整う。
投稿日時：2022年9月23日
