آناليز شكست( Failure analysis)

Amir_Ans

کاربر بیش فعال
کاربر ممتاز
آناليز شكست و پيشگيري از آن ، كار مهمي است كه براي تمام سازه هاي مهندسي ضروري مي باشد . يكي از رشته هاي مهندسي كه نقش بسيار مهمي در آناليز و تحليل شكست دارد مهندسي مواد است . خواه يك قطعه يا جزء در هنگام كار كردن شكسته شود . و يا در هنگام توليد ( در طي پروسه ي ساخت ) ، در هر مورد بايد علت شكست براي پي بردن به نحوه ي جلوگيري از اتفاق دوباره در آينده ، تعيين گردد . يكي ديگر از موارد مورد بررسي تعيين نحوه ي به كارگيري از وسايل ، اجزاء و ساختارها مي باشد كه بايد مورد بررسي و مطالعه قرار گيرد .
يكي از مثال هاي بسيار محسوس از كاربرد آناليز شكست در صنايع هوايي مي باشد . سوانح هوايي در ذهن افكار عمومي مي ماند كه علت آن از دست رفتن غير عادي جان افراد زيادي به طور آني و آسيب روحي بسيار زيادي است كه اين نوع خاص از حوادث دارد .
در 19 دسامبر 2005 ، همين كه يك هواپيماي دريايي با نام Grumman G73T Turbo Mallard از ساحل ميامي در فلوريدا عبور كرد ، منفجر شد و اين سقوط هنگامي اتفاق افتاد كه هواپيما در حال بلند شدن بود.
هواپيما حامل پانزده مسافر ، 3 كودك و دو خدمه بود . در هنگام وقوع حادثه ، انفجاري اتفاق افتاد و هواپيما آتش گرفت و بال سمت راست هواپيما ، پيش از برخورد هواپيما با سطح آب از آن جدا شد . آزمايشات انجام گرفته بر روي لاشه ي هواپيما نشان داد كه ترك هاي ناشي از خستگي در بال راست هواپيما موجب بروز حادثه شد . اما علت حادثه هنوز در دست بررسي مي باشد . به هر حال شكست در ساختار هواپيما كه در ابتدا با خستگي شروع شد مورد شك است .
يكي ديگر از سوانح هوايي فاجعه ي پرواز 800 خطوط هوايي Trans world Air lines بود ( اين شركت يكي از گسترده ترين شركت هاي هوايي در ايالات متحده ي آمريكاست ) اين اتفاق هنگامي رخ داد كه يك هواپيماي بويينگ 747 در Long Island ( ايسلندي كه متعلق به ايالت نيويورك آمريكاست ) در حال پرواز بود . تلاش هاي گسترده اي براي پيدا كردن علت اين تصادف انجام شد ولي تا كنون علت خاصي براي وقوع اين فاجعه پيدا نشده است ؛ اما محتمل ترين علت اين حادثه فرسودگي سيم هاي سنسور مخزن سوخت اين هواپيما پيش بيني مي شود .
بسياري از مردم عكس هايي از حادثه ي بازسازي شده ديدند .
بازسازي حادثه يك مرحله اصلي در بررسي سوانح هوايي مي باشد . بررسي سوانح هوايي به صورت كلاسيك با بررسي بر روي سوانح هوايي De Havilland Comet در ابتداي دهه ي 1950 آغاز شد .
Comet اولين خط هوايي بود كه از جت هاي تجاري استفاده كرد . بسياري از Comet ها در ساختمان نشان شكستگي پيدا مي كردند كه اين امر به خاطر عيوب طراحي بود . تلاش هاي انجام گرفته منجر به آگاهي از علت اين سوانح هوايي شد . آناليز متالورژيكي شكست نقش تعيين كننده اي در فهميدن مكانيزم و توالي شكست داشت و سرانجام باعث شناخت علت سوانح هوايي شد .
تازه ترين سوانح هوايي كه باعث ايجاد پيامدهاي اساسي شد شامل : پرواز 261 خطوط هوايي آلاسكا ( Alaska Air lines ) است كه در اين حادثه يك هواپيماي بويينگ McDonnell Douglas MD-83 در اقيانوس آرام سقوط كرد . اين هواپيما عازم كاليفورنيا بود و در 31 ژانويه ي 2000 سقوط كرد .
همچنين پرواز 587 خطوط هوايي آمريكا American Air lines ، كه در اين حادثه يك هواپيماي ايرباس A-300 در ابتداي كوپينز جنوبي Southern Queens در مجاورت شهر نيويورك و در 12 نوامبر 2001 سقوط كرد . در شكل 1 عكس هايي از سقوط هواپيماها و يا انهدام آنها را مي بينيد .
يكي ديگر از مثالهاي مورد بررسي سوانح در بخش حمل و نقل ريلي مي باشد . كه در اين حادثه كه در سوم ژوئن 1998 اتفاق افتاد ، يك قطار سريع السير در كشور آلمان از ريل خارج شد . قطار در حال طي مسير ميان مونيخ و هامبورگ بود كه قبل از ساعت 11 صبح در Eschede كه در 35 مايلي شمال هانوفر واقع است از خط خارج شد . بر اساس گزارش به دست آمده تعدادي از مسافران قطار پيش از واژگوني قطار صداي تغ تغ كردن قطعه اي از قطار را شنيده بودند . با بررسي هاي انجام گرفته علت تغ تغ كردن ها مشخص شد . مأمورين تحقيق مي گويند كه يكي از چرخهاي قطار پيش از واژگوني شكسته بوده . البته اين محتمل ترين علت شناخته شد .
آناليز شكست به تحقيقات درزمينه ي سوانح قطارها و هواپيماها محدود نمي شود . در اينجا من اميدوارم كه بتوانم در مورد معناي آناليز شكست توضيحاتي بدهم .
آناليز شكست (Failure analysis)گاهي اوقات با نام جلوگيري از شكست ( Failure Prevention) ناميده مي شود . اين واژه در صنعت الكترونيك با نام Reliability Physics نام گذاري شده است . از آنجايي كه مهندسين مواد نقش عمده اي در پروسه ي آناليز شكست ايفا مي كنند . مطالعه در زمينه ي مهندسي و علم مواد دري است كه به سوي دنياي آناليز شكست باز مي گردد .

شكست خط لوله ي گاز طبيعي در ونزوئلا ( Venezuelan Natural Gass Pipeline Rupture ) :

در دسامبر 1993 يك لوله ي گاز طبيعي در كنار بزرگراهي در ونزوئلا تركيد . ( شكل 2 الف ) احتراق سريع گازهاي پخش شد ه باعث پديد آمدن چنان جهنمي شد كه حداقل 50 نفر در آن حادثه كشته شدند . مهندسين انجمن آناليز شكست با متخصصين خود در زمينه هاي مواد ، احتراق و مكانيزم شكست براي بررسي علت و چگونگي وقوع اين حادثه به ونزوئلا سفر كردند تا بتوانند علت وقوع چنين حادثه اي را پيدا كنند .

البته لازم به ذكر است كه علت وقوع چنين حادثه اي مي تواند بدي طراحي ، مواد اوليه ي نامرغوب در تهيه ي لوله ها و يا پروسه ي معيوب اتصال لوله ها به وسيله ي جوش و يا حتي خوردگي در بخشي از اين لوله باشد . همچنين در شكل 2 ب شكست در نردبان ماشين آتش نشاني هوريل ( Heverill fire department) را مي بينيد . شكستن نردبان هرگز يك واقعه ي غير عادي نيست و مانند حادثه ي خط لوله ي گاز طبيعي در ونزوئلا مي توانند به دليل عواملي همچون : اشتباهات طراحي ، استفاده از مواد نامرغوب و يا به علت روش توليد باشد . يكي از عوامل ديگر كه بر شكست قطعات موثر است ، شكست بر اساس پديده اي به نام خستگي ( Fatigue) مي باشد .
خستگي يك طريقه ي ايجاد شكستگي در قطعات است . كه در مواد به كار رفته در ساختار ماشين ها ، در جاهايي كه بارگذاري مداوم داريم اتفاق مي افتد . هنگامي كه در مورد خستگي فكر مي كنند واقعاً به يك نردبان هوايي ، يك ميله ي متحرك در اتومبيل و يا يك بال هواپيما احتياج پيدا مي كنيد . در اين مقاله شما مي توانيد بفهميد كه يك نفر چگونه مي تواند شكست ناشي از خستگي را از انواع ديگر شكست ها تشخيص دهد . براي آناليز شكست در ساختار قطعات ، ما نيازمند تست هاي مكانيكي هستيم . براي مثال بياييد در مورد احتمال شكست بر اساس پديده ي خستگي در يك فنر مورد استفاده در درب يك گاراژ صحبت كنيم . براي پيش بيني عمر يك چنين فنري ، بايد بدانيم كه هنگام قرارگيري اين فنر در درب گاراژ چه مقدار نيرو بر آن اعمال مي شود . همچنين بايد تعداد دفعاتي كه اين نيرو مثلاً در مدت يك سال بر قطعه وارد مي شود . را بدانيم با استفاده از روش هاي تحليلي و روش هاي مدل سازي كامپيوتري مي توان به سوال خودمان پاسخ دهيم و پيش بيني كنيم كه خستگي در اين فنر پس از گذشت چند دفعه و يا سيكل اتفاق مي افتد . با مقايسه ي نتايج حاصل از مدل سازي با نتايج حاصل از آزمون خستگي مي توان درستي روش مدل سازي را بررسي كرد . تست خستگي با آزمون كشش تك محوري و بر روي نمونه ي فنر انجام مي شود . ( در شكل 3 )

يك نمونه سيستم براي تست مواد ساختماني نشان داده شده است . اين دستگاه مخصوص خستگي است كه براي نيروهاي كوچك و كاربردهايي كه خستگي دوره اي ( ديناميك ) است ، ساخته شده است .
همچنين اين دستگاه در دو حالت كشش و فشار كار مي كند . اين سيستم بر اساس گزارش داده شده براي آزمايشات بيومكانيك بر روي مواد استخواني مورد استفاده در صنعت پزشكي در مدرسه ي پزشكي هاروارد ( Harvard Medical School) طراحي و ساخته شده است .
در بخش هاي قبلي امكان وقوع شكستگي در ساختمان يك نردبان به وسيله ي پديده ي خستگي اشاره شد . حال چگونه كسي مي تواند بگويد كه شكستگي به وجود آمده به علت خستگي رخ داده و به علت ساير مكانيزم هاي ترد شدن فلزات نيست ؟
جواب به سوال بالا اين است كه بايد قطعه را فراكتوگرافي ( Fractography) كنيم .

فراكتوگرافي يك بررسي مقطع شكست با يك ميكروسكوپ است . كه تا پيش از ظهور ميكروسكوپ هاي الكتروني ( TEM,SEM) انجام فراكتوگرافي بسيار مشكل بود . در شكل 4 يك سطح مقطع شكست كه با SEM تصويربرداري شده را مي بينيد ( بزرگنمايي تقريباً 5000x است ) . در اين تصوير ترك هاي موازي نمايش داده شده است كه اين خطوط به خطوط خستگي معروف اند و مشخصه ي رشد ترك هاي حاصل از خستگي در يك ماده ي نرم ( داكتيل ) .
حال به سانحه ي هوايي Grumman G73T Turbo Mallard كه در بالا بدان اشاره شد بر مي گرديم . پس از انجام آزمايشات فراكتوگرافي بر روي لاشه ي هواپيما مامورين متوجه ايجاد خستگي بر روي ديرك عقبي بال سمت راست هواپيما شدند ؛ كه همين خستگي موجب شكسته شدن ديرك و جدايش بال هواپيما شد .

بازرسي قطعات غير فلزي ( Inspection of Non-Metallic Components) :

اكنون بياييد بر روي قطعه اي غير فلزي كه يك مهندس مواد بايد آن را براي بهينه سازي كارايي تحليل و بررسي كند ، متمركز شويم . براي مثال : معمولي ترين نوع از واشرهايي كه در موقعيت هاي ديناميكي كاربرد دارند ، واشرهاي تهيه شده از مواد آلي هستند . ( مثلاً واشر شافت متحرك ) . در حالي كه قيمت اين واشرها مينيمم است ، برخي از خواص اين لاستيك ها نيز بسيار خوب است . و اين امر باعث كاربرد وسيع اين نوع واشر در صنايع مختلف شده است .


در كنار تمام خصوصيات اين نوع از واشرها ، يك تركيدگي زود هنگام ، مي تواند بهترين برنامه ريزي كاري را نيز خراب كند . شكل 5 دو تصوير از ايجاد ترك در مواد پليمري نشان داده شده است .
در شكل 5 الف يك پيغام مهم در مورد هر آناليز شكست آورده شده است . كه اين پيام بررسي دقيق نمونه با چشم غير مسلح و يا با ذره بين با بزرگنمايي 5x يا 10x است . نكته ي مهم در مورد مواد پليمري اين است كه هر شكست و تركي از سطح جسم پليمري شروع مي شود . در شكل 5 ب يك نوع خاص از مكانيزم هاي شكست نشان داده شده است . ضمناً هنگامي كه سرعت دستگاه ( شافت متحرك ) افزايش يابد دماي لبه هاي واشر افزايش يافته ، كه يكي از نتايج دماي بالا خشكي و نتيجه ي ديگر شكنندگي لبه هاي واشر است . كشيدن لبه هاي واشر ممكن است ترك هاي به وجود آمده در قطعه را بهتر آشكار كند . نشانه ي ديگر اين تخريب ( ايجاد ترك ها ) يك لايه ي نازك حلقوي است كه درطول لبه واشر تشكيل مي شود . درحقيقت افزايش دما موج تخريب مواد نرم كننده موجود در لاستيك شده و ترك ايجاد مي كنند . اطلاعات ارائه شده در بالا مانند كليدي در پي بردن به خراب شدگي واشر به ما كمك مي كنند . البته در بررسي عمر واشرها توجه به محيطي كه واشرها در حال كارند ، نيز بايد توجه كرد .

آناليز شكست در وسايل ( Failure Analysis of Devices) :

اكنون بياييد بحث را عوض كنيم و در مورد روش هاي آناليز شكست در وسايل جامد صحبت كنيم .
وسايل الكترونيكي ، مغناطيسي و اپتيكي نيز مي توانند شكسته شوند . ما براي افزايش ضريب قابليت اطمينان و يا ايجاد تغييرات در پروسه ي توليد ، نيازمند آگاهي از علت شكست ، نحوه ي شكست و مقدار آن هستيم . در اينجا مثال هايي آورده شده است كه به شما در مورد فيزيك قابليت اطمينان ( Reliability physics ) ويا آناليز شكست در وسايل اطلاعاتي مي دهد .
ميكروسكوپ هاي پروبي روبشي ( SPM ) و ميكروسكوپ هاي نيروي اتمي ( AFM ) در آناليز شكست قطعات و وسايل كاربرد دارد . مثلاً در بررسي يك مدار مجتمع ، ما مي توانيم با گرفتن عكس هايي از سطح مدار به وسيله ي AFM، عيوب موجود بر روي IC را شناسايي و با بزرگنمايي مناسب علت آن را پيش بيني و رفع كنيم . ميكروسكوپ نيروي الكتروني ( Electron Force Microscopy) نيز مي توانند در تحليل علت وقوع يك خرابي كوچك در ساختار IC به ما كمك كنند كه با استفاده از تصاوير واضح ايجادي به وسيله ي اين دو تكنيك ، حتي اشتباهات توليد نيز قابل رديابي است . همچنين با پي بردن به جزئيات مدارهاي مجتمع توليدي با عكس ها و تصاوير حاصل از اين ميكروسكوپ ها ، مي توان تكنولوژي مدارهاي مجتمع را به آساني در جهان منتقل كرد . و به آساني هر كس به مطالعه ي شكست در قطعات بپردازد و احتمالات و پي آمدن هاي وجود انواع شكست در قطعات را مورد بررسي قرار دهد . همچنين آزمون هاي غير مخرب ديگري براي تحليل شكست در قطعات ميكروالكترونيكي موجود است . كه از جمله ي اين آزمون ها مي توان به موارد زير اشاره كرد :
1 ـ ميكروسكوپ اكوستيك روبشي نوع (c ( C-SAM
2 ـ ميكروسكوپ مادون قرمز روبشي ( SIR)
اميدوارم كه با اطلاعات داده شده در اين مقاله توانسته باشيم براي پيشرفت روش هاي تحليل و تحقيق در شكست مواد گامي هر چند ناچيز برداريم و افقي جديد در جهت تحقيقات در سطح كشور عزيزمان ايران باز كرده باشيم .

مترجم : حبيب الله عليخاني
منبع : راسخون
 

Similar threads

بالا