طبقه بندی مواد مهندسی و علل شکست در آنها

طبقه بندی مواد مهندسی

مهندسان مدرن دارای گستره ی وسیعی از مواد در خدمت خود هستند. این مواد می توانند به راحتی به گروه فلزات آهنی و غیر آهنی، مواد آلی غیر فلزی و مواد غیر آلی، کامپوزیت ها و نیمه رساناها، تقسیم بندی شوند.
فلزات آهنی و آلیاژهای آن: فولاد کربنی فولادهای با عناصر آلیاژی کمتر و استحکام بالا، فولادهای با عناصر آلیاژی بالا، فولادهای زنگ نزن، چدن های خاکستری، چدن های داکتیل و ... .
فلزات غیر آهنی و آلیاژهای آنها: این فلزات شامل فلزات سبک و آلیاژهای آن (آلومینیوم، منیزیم و تیتانیم)، مس، روی و آلیاژهای آنها (مانند برنز، برنج و زاماک)، فلزات با نقطه ی ذوب پایین (سرب، قلع، بیسموت، آنتیموان، کادمیوم، ایندیوم)، فلزات گران بها (طلا، نقره و پلاتین)، فلزات دیرگداز (تنگستن، مولیبدن، نیوبیوم)، نیکل و آلیاژهای آن، سوپرآلیاژها (سوپرآلیاژهای بر پایه ی آهن- نیکل، پایه نیکل و پایه ی کبالت) و ... می باشند.
مواد غیر فلزی آلی: پلاستیک های ترموپلاست (پلی اتیلن، پلی استایرن، وینیل ها، پلی پروپیلن، آکریلونیتریل ها- بوتادین- استایرن ( ABS)، اکریلیک، نایلون، استال، پلی کربنات ها، فلئوروپلاستیک ها، پلی استایرن ها، پلی یوریتان ها، مواد سلولزی، پلی استرهای اتر اتر کتونی (PEEK)، پلی اتیلن ترفتالات (PETE) و پلی متیل متا اکریلات (PMMA))، پلیمرهای ترموست (مانند فنولیک ها، اپوکسی ها، پلی استر، رابر سیلیکونی، اوره و ملامین)، الاستومرها (رابرهای طبیعی، نئوپرن، رابر بوتیلی، رابر استایرن بوتادین و الاستومرهای سلیکونی)، مواد طبیعی (مانند چوب، چوب پنبه و بامبو) و ... جزء مواد غیر فلزی آلی، طبقه بندی می شوند.
مواد کامپوزیتی: کامپوزیت های زمینه پلیمری، کامپوزیت های زمینه فلزی و ... .
نیمه رساناها: نیمه رساناها در واقع دارای خواص الکتریکی هستند که در واقع چیزی بین مواد رسانا و مواد عایق می باشد. غلظت های اندکی از اتم های ناخالصی در نیمه رساناها، دارای یک سری اثرات مفید در این نیمه رساناها هستند. اعضای این گروه از مواد، شامل تک کریستال های سیلیکون، ژرمانیم و گالیوم ارسناید است. نیمه رساناهای آلی اخیرا به این گروه، افزوده شده اند.
مواد با کارایی بالا، برای برطرف شدن نیاز در برخی کاربردهای مربوط به تکنولوژی های مدرن، توسعه یافته اند. این مواد در کاربردهایی همچون سفرهای فضایی، کاربردهای بیولوژیکی و محصولات الکترونی می باشد. مواد نانوساختار نیز دارای خواص الکتریکی، مغناطیسی و یا نوری قابل توجهی هستند و در واقع این مواد می توانند فلز، سرامیک، پلیمر و یا کامپوزیت باشند. این ماده دارای ریزساختاری با دانه های کوچکتر از 100 نانومتر می باشند. نانوتیوب های کربنی (CNT ها) نیز شامل صفحات گرافیتی هستند که به صورت لوله در آمده اند.

انواع شکست در مواد کامپوزیتی

سطح کارایی مربوط به یک جزء در هنگام سرویس دهی، نه تنها بوسیله ی خواص ذاتی ماده ی مورد استفاده بلکه به سیستم تنش هایی وابسته است که در محیط بر روی این ماده، اعمال می شود. یک سطح کارایی پایین در یک ماده، موجب می شود تا این ماده در حین سرویس دهی، بشکند. انواع مختلفی از شکست ها وجود دارد و کار یک مهندس در واقع کاهش میزان این شکست ها و یا به تعویق انداختن این شکست ها، می باشد. شکست اجزای مهندسی به دلایل و مکانیزم های زیر رخ می دهد:
1. خوردگی: خوردگی در واقع به عنوان یک واکنش شیمیایی و یا الکتروشیمیایی مخرب تلقی می شود که به دلیل محیط بر روی نمونه ایجاد می شود. در واقع 30 % کل شکستگی ها در سازه های مهندسی به دلیل خوردگی ایجاد می شود.
2. خستگی: این خستگی در زمانی در مواد ایجاد می شود که این مواد متحمل نیروهای نوسانی شوند. این نوع شکست، در حدود 25 % شکست اجزا را تشکیل می دهد.
3. شکست های ترد: این شکست ها، همراه با مقدار اندکی تغییر شکل پلاستیک رخ می دهد و معمولاً به دلیل تنش های ریز بوجود می آید. در واقع عیوب بزرگ مانند ترک و یا شکاف، موجب بروز این شکست ها می شود. در حدود 15 تا 20 % از شکست های ایجاد شده در قطعات به دلیل این مورد می باشد.
4. شکست داکتیل: این شکست با تغییر شکل پلاستیک بالا همراه است و به دلیل افزایش نیروی قابل توجه بر روی نمونه، ایجاد می شود. در حدود 10 تا 15 % از شکست های ایجاد شده در قطعات مهندسی به دلیل این نوع شکست ایجاد شده است.
5. شکست های خزشی و تنشی: خستگی گرمایی، خوردگی دما بالا و خستگی خوردگی ناشی از ترکیبی از تنش، دمای بالا و حملات شیمیایی می باشد. این شکست ها، موجب شکست شدن حدود 10 الی 15 % از اجزای مهندسی می باشد. در واقع عوامل ذکر شده، موجب می شود تا اجزای مهندسی تحت خستگی قرار گیرند.
6. سایر عوامل ایجاد کننده ی شکست، عبارتند از سایش، ایروژن و تخریب های ناشی از تابش.

عوامل ایجاد کننده ی شکست در اجزا

انواع بیان شده در مورد شکست، می تواند به عنوان نتیجه ای از عواملی ایجاد شود که به صورت زیر می باشد:
1. انتخاب مواد ضعیف که در واقع 40 % از شکستگی قطعات به همین دلیل رخ می دهد. شکست به طور واضح به این دلیل رخ داده است که مواد انتخاب شده، ویژگی های لازمه برای کاربرد خاص را نداشته است. به عنوان یک مثال، یک ماده می تواند استحکام مناسب برای یک بار مکانیکی را داشته باشد اما در مقابل خوردگی، مقاوم نباشد.
2. عیوب حاصله از فرایند تولید در حدود 30 % از عوامل ایجاد کننده ی شکست در اجزای مهندسی می باشد. تولید نامناسب، می تواند منجر به تخریب جزئی شود که به خوبی طراحی شده و مواد خوبی نیز برای تولید آن، استفاده شده است. در واقع این عیوب می توانند شامل سطوح ناهموار، بریدگی ها، ترک ها و خراش های عمیق باشند.
3. عیوب طراحی که موجب بروز 20 % از شکست اجزا می شود. در واقع این شکست ها به دلیل ارزیابی نادرست از شرایط سرویس دهی و یا اطلاعات ناکافی در مورد طراحی، ایجاد می شود. تجزیه و تحلیل اشتباه تنش، مخصوصا در محل وجود شکاف و تغییرات پیچیده در شکل، می تواند منجر به این شکست ها، شود.
4. خروج از حد طراحی ها، اعمال نیروهای خارج از حد توان قطعه و نگهداری ناکافی و عدم تعمیرات مناسب، موجب ایجاد 10 % از شکست قطعات، می شوند. به عنوان یک مثال، اگر کابل الکتریکی یک جریان بالاتر از مقدار طراحی شده، حمل کند، این کابل گرم می شود و این مسئله منجر به ذوب شدن عایق پلیمری سیم و بروز آتش سوزی می شود. یک مثال دیگر، استفاده از یک پمپ آب شیرین برای پمپاژ آب دریا می باشد. علاوه بر این، وقتی زمان بندی نگهداری این پمپ نیز انجام نشود و یا به خوبی انجام نشود، عمر مفید مورد انتظار برای این پمپ کاهش می یابد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Materials and process selection for engineering design/ Third edition/ Mahmoud M. Farag