X
تبلیغات
رایتل

مدرسه راهنمایی پسرانه شاهد رفسنجان
مدرسه قرآنی
قالب وبلاگ

آنالیز شکست

آنالیز شکست
آنالیز شکست
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 .

[ نانوتکنولوژی ]


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
.: Weblog Themes By WeblogSkin :.
آخرین مطالب
لینک های مفید
آرشیو مطالب
آمار سایت
تعداد بازدید ها: 65713