آنالیز شکست( Failure
analysis)
آنالیز شکست و پیشگیری از آن ، کار مهمی است که برای
تمام سازه های مهندسی ضروری می باشد . یکی از رشته های مهندسی که نقش بسیار مهمی در
آنالیز و تحلیل شکست دارد مهندسی مواد است . خواه یک قطعه یا جزء در هنگام کار کردن
شکسته شود . و یا در هنگام تولید ( در طی پروسه ی ساخت ) ، در هر مورد باید علت
شکست برای پی بردن به نحوه ی جلوگیری از اتفاق دوباره در آینده ، تعیین گردد . یکی
دیگر از موارد مورد بررسی تعیین نحوه ی به کارگیری از وسایل ، اجزاء و ساختارها می
باشد که باید مورد بررسی و مطالعه قرار گیرد .
یکی از مثال های
بسیار محسوس از کاربرد آنالیز شکست در صنایع هوایی می باشد . سوانح هوایی در ذهن
افکار عمومی می ماند که علت آن از دست رفتن غیر عادی جان افراد زیادی به طور آنی و
آسیب روحی بسیار زیادی است که این نوع خاص از حوادث دارد .
در 19 دسامبر 2005
، همین که یک هواپیمای دریایی با نام Grumman G73T Turbo Mallard از ساحل میامی در
فلوریدا عبور کرد ، منفجر شد و این سقوط هنگامی اتفاق افتاد که هواپیما در حال بلند
شدن بود.
هواپیما حامل پانزده مسافر ، 3 کودک و دو خدمه بود .
در هنگام وقوع حادثه ، انفجاری اتفاق افتاد و هواپیما آتش گرفت و بال سمت راست
هواپیما ، پیش از برخورد هواپیما با سطح آب از آن جدا شد . آزمایشات انجام گرفته بر
روی لاشه ی هواپیما نشان داد که ترک های ناشی از خستگی در بال راست هواپیما موجب
بروز حادثه شد . اما علت حادثه هنوز در دست بررسی می باشد . به هر حال شکست در
ساختار هواپیما که در ابتدا با خستگی شروع شد مورد شک است .
یکی دیگر از سوانح
هوایی فاجعه ی پرواز 800 خطوط هوایی Trans world Air lines بود ( این شرکت یکی از
گسترده ترین شرکت های هوایی در ایالات متحده ی آمریکاست ) این اتفاق هنگامی رخ داد
که یک هواپیمای بویینگ 747 در Long Island ( ایسلندی که متعلق به ایالت نیویورک
آمریکاست ) در حال پرواز بود . تلاش های گسترده ای برای پیدا کردن علت این تصادف
انجام شد ولی تا کنون علت خاصی برای وقوع این فاجعه پیدا نشده است ؛ اما محتمل ترین
علت این حادثه فرسودگی سیم های سنسور مخزن سوخت این هواپیما پیش بینی می شود .
بسیاری
از مردم عکس هایی از حادثه ی بازسازی شده دیدند .
بازسازی حادثه یک
مرحله اصلی در بررسی سوانح هوایی می باشد . بررسی سوانح هوایی به صورت کلاسیک با
بررسی بر روی سوانح هوایی De Havilland Comet در ابتدای دهه ی 1950 آغاز شد .
Comet
اولین خط هوایی بود که از جت های تجاری استفاده کرد . بسیاری از Comet ها در
ساختمان نشان شکستگی پیدا می کردند که این امر به خاطر عیوب طراحی بود . تلاش های
انجام گرفته منجر به آگاهی از علت این سوانح هوایی شد . آنالیز متالورژیکی شکست نقش
تعیین کننده ای در فهمیدن مکانیزم و توالی شکست داشت و سرانجام باعث شناخت علت
سوانح هوایی شد .
تازه ترین سوانح هوایی که باعث ایجاد پیامدهای اساسی
شد شامل : پرواز 261 خطوط هوایی آلاسکا ( Alaska Air lines ) است که در این حادثه
یک هواپیمای بویینگ McDonnell Douglas MD-83 در اقیانوس آرام سقوط کرد . این
هواپیما عازم کالیفورنیا بود و در 31 ژانویه ی 2000 سقوط کرد .
همچنین پرواز 587
خطوط هوایی آمریکا American Air lines ، که در این حادثه یک هواپیمای ایرباس A-300
در ابتدای کوپینز جنوبی Southern Queens در مجاورت شهر نیویورک و در 12 نوامبر 2001
سقوط کرد . در شکل 1 عکس هایی از سقوط هواپیماها و یا انهدام آنها را می بینید .
یکی
دیگر از مثالهای مورد بررسی سوانح در بخش حمل و نقل ریلی می باشد . که در این حادثه
که در سوم ژوئن 1998 اتفاق افتاد ، یک قطار سریع السیر در کشور آلمان از ریل خارج
شد . قطار در حال طی مسیر میان مونیخ و هامبورگ بود که قبل از ساعت 11 صبح در
Eschede که در 35 مایلی شمال هانوفر واقع است از خط خارج شد . بر اساس گزارش به دست
آمده تعدادی از مسافران قطار پیش از واژگونی قطار صدای تغ تغ کردن قطعه ای از قطار
را شنیده بودند . با بررسی های انجام گرفته علت تغ تغ کردن ها مشخص شد . مأمورین
تحقیق می گویند که یکی از چرخهای قطار پیش از واژگونی شکسته بوده . البته این محتمل
ترین علت شناخته شد .
آنالیز شکست به تحقیقات درزمینه ی سوانح قطارها و
هواپیماها محدود نمی شود . در اینجا من امیدوارم که بتوانم در مورد معنای آنالیز
شکست توضیحاتی بدهم .
آنالیز شکست (Failure analysis)گاهی اوقات با نام
جلوگیری از شکست ( Failure Prevention) نامیده می شود . این واژه در صنعت الکترونیک
با نام Reliability Physics نام گذاری شده است . از آنجایی که مهندسین مواد نقش
عمده ای در پروسه ی آنالیز شکست ایفا می کنند . مطالعه در زمینه ی مهندسی و علم
مواد دری است که به سوی دنیای آنالیز شکست باز می گردد .
شکست خط لوله ی گاز طبیعی در
ونزوئلا ( Venezuelan Natural Gass Pipeline Rupture ) :
در دسامبر 1993 یک لوله ی گاز طبیعی در
کنار بزرگراهی در ونزوئلا ترکید . ( شکل 2 الف ) احتراق سریع گازهای پخش شد ه باعث
پدید آمدن چنان جهنمی شد که حداقل 50 نفر در آن حادثه کشته شدند . مهندسین انجمن
آنالیز شکست با متخصصین خود در زمینه های مواد ، احتراق و مکانیزم شکست برای بررسی
علت و چگونگی وقوع این حادثه به ونزوئلا سفر کردند تا بتوانند علت وقوع چنین حادثه
ای را پیدا کنند .
البته لازم به ذکر است که علت وقوع چنین حادثه ای می
تواند بدی طراحی ، مواد اولیه ی نامرغوب در تهیه ی لوله ها و یا پروسه ی معیوب
اتصال لوله ها به وسیله ی جوش و یا حتی خوردگی در بخشی از این لوله باشد . همچنین
در شکل 2 ب شکست در نردبان ماشین آتش نشانی هوریل ( Heverill fire department) را
می بینید . شکستن نردبان هرگز یک واقعه ی غیر عادی نیست و مانند حادثه ی خط لوله ی
گاز طبیعی در ونزوئلا می توانند به دلیل عواملی همچون : اشتباهات طراحی ، استفاده
از مواد نامرغوب و یا به علت روش تولید باشد . یکی از عوامل دیگر که بر شکست قطعات
موثر است ، شکست بر اساس پدیده ای به نام خستگی ( Fatigue) می باشد .
خستگی یک طریقه ی
ایجاد شکستگی در قطعات است . که در مواد به کار رفته در ساختار ماشین ها ، در
جاهایی که بارگذاری مداوم داریم اتفاق می افتد . هنگامی که در مورد خستگی فکر می
کنند واقعاً به یک نردبان هوایی ، یک میله ی متحرک در اتومبیل و یا یک بال هواپیما
احتیاج پیدا می کنید . در این مقاله شما می توانید بفهمید که یک نفر چگونه می تواند
شکست ناشی از خستگی را از انواع دیگر شکست ها تشخیص دهد . برای آنالیز شکست در
ساختار قطعات ، ما نیازمند تست های مکانیکی هستیم . برای مثال بیایید در مورد
احتمال شکست بر اساس پدیده ی خستگی در یک فنر مورد استفاده در درب یک گاراژ صحبت
کنیم . برای پیش بینی عمر یک چنین فنری ، باید بدانیم که هنگام قرارگیری این فنر در
درب گاراژ چه مقدار نیرو بر آن اعمال می شود . همچنین باید تعداد دفعاتی که این
نیرو مثلاً در مدت یک سال بر قطعه وارد می شود . را بدانیم با استفاده از روش های
تحلیلی و روش های مدل سازی کامپیوتری می توان به سوال خودمان پاسخ دهیم و پیش بینی
کنیم که خستگی در این فنر پس از گذشت چند دفعه و یا سیکل اتفاق می افتد . با مقایسه
ی نتایج حاصل از مدل سازی با نتایج حاصل از آزمون خستگی می توان درستی روش مدل سازی
را بررسی کرد . تست خستگی با آزمون کشش تک محوری و بر روی نمونه ی فنر انجام می شود
. ( در شکل 3 )
یک نمونه سیستم برای تست مواد ساختمانی نشان داده شده
است . این دستگاه مخصوص خستگی است که برای نیروهای کوچک و کاربردهایی که خستگی دوره
ای ( دینامیک ) است ، ساخته شده است .
همچنین این دستگاه
در دو حالت کشش و فشار کار می کند . این سیستم بر اساس گزارش داده شده برای
آزمایشات بیومکانیک بر روی مواد استخوانی مورد استفاده در صنعت پزشکی در مدرسه ی
پزشکی هاروارد ( Harvard Medical School) طراحی و ساخته شده است .
در بخش های قبلی
امکان وقوع شکستگی در ساختمان یک نردبان به وسیله ی پدیده ی خستگی اشاره شد . حال
چگونه کسی می تواند بگوید که شکستگی به وجود آمده به علت خستگی رخ داده و به علت
سایر مکانیزم های ترد شدن فلزات نیست ؟
جواب به سوال بالا
این است که باید قطعه را فراکتوگرافی ( Fractography) کنیم .
فراکتوگرافی یک بررسی مقطع شکست با یک میکروسکوپ است .
که تا پیش از ظهور میکروسکوپ های الکترونی ( TEM,SEM) انجام فراکتوگرافی بسیار مشکل
بود . در شکل 4 یک سطح مقطع شکست که با SEM تصویربرداری شده را می بینید (
بزرگنمایی تقریباً 5000x است ) . در این تصویر ترک های موازی نمایش داده شده است که
این خطوط به خطوط خستگی معروف اند و مشخصه ی رشد ترک های حاصل از خستگی در یک ماده
ی نرم ( داکتیل ) .
حال به سانحه ی هوایی Grumman G73T Turbo Mallard که
در بالا بدان اشاره شد بر می گردیم . پس از انجام آزمایشات فراکتوگرافی بر روی لاشه
ی هواپیما مامورین متوجه ایجاد خستگی بر روی دیرک عقبی بال سمت راست هواپیما شدند ؛
که همین خستگی موجب شکسته شدن دیرک و جدایش بال هواپیما شد .
بازرسی قطعات غیر فلزی (
Inspection of Non-Metallic Components) :
اکنون بیایید بر روی قطعه ای غیر فلزی که یک مهندس
مواد باید آن را برای بهینه سازی کارایی تحلیل و بررسی کند ، متمرکز شویم . برای
مثال : معمولی ترین نوع از واشرهایی که در موقعیت های دینامیکی کاربرد دارند ،
واشرهای تهیه شده از مواد آلی هستند . ( مثلاً واشر شافت متحرک ) . در حالی که قیمت
این واشرها مینیمم است ، برخی از خواص این لاستیک ها نیز بسیار خوب است . و این امر
باعث کاربرد وسیع این نوع واشر در صنایع مختلف شده است .
در کنار تمام خصوصیات این نوع از واشرها ، یک ترکیدگی
زود هنگام ، می تواند بهترین برنامه ریزی کاری را نیز خراب کند . شکل 5 دو تصویر از
ایجاد ترک در مواد پلیمری نشان داده شده است .
در شکل 5 الف یک
پیغام مهم در مورد هر آنالیز شکست آورده شده است . که این پیام بررسی دقیق نمونه با
چشم غیر مسلح و یا با ذره بین با بزرگنمایی 5x یا 10x است . نکته ی مهم در مورد
مواد پلیمری این است که هر شکست و ترکی از سطح جسم پلیمری شروع می شود . در شکل 5 ب
یک نوع خاص از مکانیزم های شکست نشان داده شده است . ضمناً هنگامی که سرعت دستگاه (
شافت متحرک ) افزایش یابد دمای لبه های واشر افزایش یافته ، که یکی از نتایج دمای
بالا خشکی و نتیجه ی دیگر شکنندگی لبه های واشر است . کشیدن لبه های واشر ممکن است
ترک های به وجود آمده در قطعه را بهتر آشکار کند . نشانه ی دیگر این تخریب ( ایجاد
ترک ها ) یک لایه ی نازک حلقوی است که درطول لبه واشر تشکیل می شود . درحقیقت
افزایش دما موج تخریب مواد نرم کننده موجود در لاستیک شده و ترک ایجاد می کنند .
اطلاعات ارائه شده در بالا مانند کلیدی در پی بردن به خراب شدگی واشر به ما کمک می
کنند . البته در بررسی عمر واشرها توجه به محیطی که واشرها در حال کارند ، نیز باید
توجه کرد .
آنالیز شکست در وسایل (
Failure Analysis of Devices) :
اکنون بیایید بحث را عوض کنیم و در مورد روش های
آنالیز شکست در وسایل جامد صحبت کنیم .
وسایل الکترونیکی ،
مغناطیسی و اپتیکی نیز می توانند شکسته شوند . ما برای افزایش ضریب قابلیت اطمینان
و یا ایجاد تغییرات در پروسه ی تولید ، نیازمند آگاهی از علت شکست ، نحوه ی شکست و
مقدار آن هستیم . در اینجا مثال هایی آورده شده است که به شما در مورد فیزیک قابلیت
اطمینان ( Reliability physics ) ویا آنالیز شکست در وسایل اطلاعاتی می دهد .
میکروسکوپ های پروبی روبشی ( SPM ) و میکروسکوپ های
نیروی اتمی ( AFM ) در آنالیز شکست قطعات و وسایل کاربرد دارد . مثلاً در بررسی یک
مدار مجتمع ، ما می توانیم با گرفتن عکس هایی از سطح مدار به وسیله ی AFM، عیوب
موجود بر روی IC را شناسایی و با بزرگنمایی مناسب علت آن را پیش بینی و رفع کنیم .
میکروسکوپ نیروی الکترونی ( Electron Force Microscopy) نیز می توانند در تحلیل علت
وقوع یک خرابی کوچک در ساختار IC به ما کمک کنند که با استفاده از تصاویر واضح
ایجادی به وسیله ی این دو تکنیک ، حتی اشتباهات تولید نیز قابل ردیابی است . همچنین
با پی بردن به جزئیات مدارهای مجتمع تولیدی با عکس ها و تصاویر حاصل از این
میکروسکوپ ها ، می توان تکنولوژی مدارهای مجتمع را به آسانی در جهان منتقل کرد . و
به آسانی هر کس به مطالعه ی شکست در قطعات بپردازد و احتمالات و پی آمدن های وجود
انواع شکست در قطعات را مورد بررسی قرار دهد . همچنین آزمون های غیر مخرب دیگری
برای تحلیل شکست در قطعات میکروالکترونیکی موجود است . که از جمله ی این آزمون ها
می توان به موارد زیر اشاره کرد :
1 ـ میکروسکوپ اکوستیک روبشی نوع (c ( C-SAM
2 ـ میکروسکوپ
مادون قرمز روبشی ( SIR)
امیدوارم که با اطلاعات داده شده در این مقاله توانسته
باشیم برای پیشرفت روش های تحلیل و تحقیق در شکست مواد گامی هر چند ناچیز برداریم و
افقی جدید در جهت تحقیقات در سطح کشور عزیزمان ایران باز کرده باشیم .
مترجم : حبیب
الله علیخانیمنبع : راسخون