آناليز شکست( Failure analysis)

آناليز شکست و پيشگيري از آن ، کار مهمي است که براي تمام سازه هاي مهندسي ضروري مي باشد . يکي از رشته هاي مهندسي که نقش بسيار مهمي در آناليز و تحليل شکست دارد مهندسي مواد است . خواه يک قطعه يا جزء در هنگام کار کردن شکسته شود . و يا در هنگام توليد ( در طي پروسه ي ساخت ) ، در هر مورد بايد علت شکست براي پي بردن به نحوه ي جلوگيري از اتفاق دوباره در آينده ، تعيين گردد . يکي ديگر از موارد مورد بررسي تعيين نحوه ي به کارگيري از وسايل ، اجزاء و ساختارها مي باشد که بايد مورد بررسي و مطالعه قرار گيرد .
يکي از مثال هاي بسيار محسوس از کاربرد آناليز شکست در صنايع هوايي مي باشد . سوانح هوايي در ذهن افکار عمومي مي ماند که علت آن از دست رفتن غير عادي جان افراد زيادي به طور آني و آسيب روحي بسيار زيادي است که اين نوع خاص از حوادث دارد .
در 19 دسامبر 2005 ، همين که يک هواپيماي دريايي با نام Grumman G73T Turbo Mallard از ساحل ميامي در فلوريدا عبور کرد ، منفجر شد و اين سقوط هنگامي اتفاق افتاد که هواپيما در حال بلند شدن بود.
هواپيما حامل پانزده مسافر ، 3 کودک 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 که ترک هاي ناشي از خستگي در بال راست هواپيما موجب بروز حادثه شد . اما علت حادثه هنوز در دست بررسي مي باشد . به هر حال شکست در ساختار هواپيما که در ابتدا با خستگي شروع شد مورد شک است .
يکي ديگر از سوانح هوايي فاجعه ي پرواز 800 خطوط هوايي Trans world Air lines بود ( اين شرکت يکي از گسترده ترين شرکت هاي هوايي در ايالات متحده ي آمريکاست ) اين اتفاق هنگامي رخ داد که يک هواپيماي بويينگ 747 در Long Island ( ايسلندي که متعلق به ايالت نيويورک آمريکاست ) در حال پرواز بود . تلاش هاي گسترده اي براي پيدا کردن علت اين تصادف انجام شد ولي تا کنون 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 عکس هايي از حادثه ي بازسازي شده ديدند .
بازسازي حادثه يک مرحله اصلي در بررسي سوانح هوايي مي باشد . بررسي سوانح هوايي به صورت کلاسيک با بررسي بر روي سوانح هوايي De Havilland Comet در ابتداي دهه ي 1950 آغاز شد .
Comet اولين خط هوايي بود که از جت هاي تجاري استفاده کرد . بسياري از Comet ها در ساختمان نشان شکستگي پيدا مي کردند که اين امر به خاطر عيوب طراحي بود . تلاش هاي انجام گرفته منجر به آگاهي از علت اين سوانح هوايي شد . آناليز متالورژيکي شکست نقش تعيين کننده اي در فهميدن مکانيزم و توالي شکست داشت و سرانجام باعث شناخت علت سوانح هوايي شد .

تازه ترين سوانح هوايي که باعث ايجاد پيامدهاي اساسي شد شامل : پرواز 261 خطوط هوايي آلاسکا ( Alaska Air lines ) است که در اين حادثه يک هواپيماي بويينگ McDonnell Douglas MD-83 در اقيانوس آرام سقوط کرد . اين هواپيما عازم کاليفورنيا بود و در 31 ژانويه ي 2000 سقوط کرد .
همچنين پرواز 587 خطوط هوايي آمريکا American Air lines ، که در اين حادثه يک هواپيماي ايرباس A-300 در ابتداي کوپينز جنوبي Southern Queens در مجاورت شهر نيويورک و در 12 نوامبر 2001 سقوط کرد . در شکل 1 عکس هايي از سقوط هواپيماها و يا انهدام آنها را مي بينيد .
يکي ديگر از مثالهاي مورد بررسي سوانح در بخش حمل و نقل ريلي مي باشد . که در اين حادثه که در سوم ژوئن 1998 اتفاق افتاد ، يک قطار سريع السير در کشور آلمان از ريل خارج شد . قطار در حال طي مسير ميان مونيخ و هامبورگ بود که قبل از ساعت 11 صبح در Eschede که 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 کردن قطعه اي از قطار را شنيده بودند . با بررسي هاي انجام گرفته علت تغ تغ کردن ها مشخص شد . مأمورين تحقيق مي گويند که يکي از چرخهاي قطار پيش از واژگوني شکسته بوده . البته اين محتمل ترين علت شناخته شد .
آناليز شکست به تحقيقات درزمينه ي سوانح قطارها و هواپيماها محدود نمي شود . در اينجا من اميدوارم که بتوانم در مورد معناي آناليز شکست توضيحاتي بدهم .
آناليز شکست (Failure analysis)گاهي اوقات با نام جلوگيري از شکست ( Failure Prevention) ناميده مي شود . اين واژه در صنعت الکترونيک با نام Reliability Physics نام گذاري شده است . از آنجايي که مهندسين مواد نقش عمده اي در پروسه ي آناليز شکست ايفا مي کنند . مطالعه در زمينه ي مهندسي و علم مواد دري است که به سوي دنياي آناليز شکست باز مي گردد .

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

در دسامبر 1993 يک لوله ي گاز طبيعي در کنار بزرگراهي در ونزوئلا ترکيد . ( شکل 2 الف ) احتراق سريع گازهاي پخش شد ه باعث پديد آمدن چنان جهنمي شد که حداقل 50 نفر در آن حادثه کشته شدند . مهندسين انجمن آناليز شکست با متخصصين خود در زمينه هاي مواد ، احتراق و مکانيزم شکست براي بررسي علت و چگونگي وقوع اين حادثه به ونزوئلا سفر کردند تا بتوانند علت وقوع چنين حادثه اي را پيدا کنند .

البته لازم به ذکر است که 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 شکل 2 ب شکست در نردبان ماشين آتش نشاني هوريل ( Heverill fire department) را مي بينيد . شکستن نردبان هرگز يک 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 . يکي از عوامل ديگر که بر شکست قطعات موثر است ، شکست بر اساس پديده اي به نام خستگي ( Fatigue) مي باشد .
خستگي يک طريقه ي ايجاد شکستگي در قطعات است . که در مواد به کار رفته در ساختار ماشين ها ، در جاهايي که بارگذاري مداوم داريم اتفاق مي افتد . هنگامي که در مورد خستگي فکر مي کنند واقعاً به يک نردبان هوايي ، يک ميله ي متحرک در اتومبيل و يا يک بال هواپيما احتياج پيدا مي کنيد . در اين مقاله شما مي توانيد بفهميد که يک نفر چگونه مي تواند شکست ناشي از خستگي را از انواع ديگر شکست ها تشخيص دهد . براي آناليز شکست در ساختار قطعات ، ما نيازمند تست هاي مکانيکي هستيم . براي مثال بياييد در مورد احتمال شکست بر اساس پديده ي خستگي در يک فنر مورد استفاده در درب يک گاراژ صحبت کنيم . براي پيش بيني عمر يک چنين فنري ، بايد بدانيم که هنگام قرارگيري اين فنر در درب گاراژ چه مقدار نيرو بر آن اعمال مي شود . همچنين بايد تعداد دفعاتي که اين نيرو مثلاً در مدت يک سال بر قطعه وارد مي شود . را بدانيم با استفاده از روش هاي تحليلي و روش هاي مدل سازي کامپيوتري مي توان به سوال خودمان پاسخ دهيم و پيش بيني کنيم که خستگي در اين فنر پس از گذشت چند دفعه و يا سيکل 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 کرد . تست خستگي با آزمون کشش تک محوري و بر روي نمونه ي فنر انجام مي شود . ( در شکل 3 )

يک نمونه سيستم براي تست مواد ساختماني نشان داده شده است . اين دستگاه مخصوص خستگي است که براي نيروهاي کوچک و کاربردهايي که خستگي دوره اي ( ديناميک ) است ، ساخته شده است .
همچنين اين دستگاه در دو حالت کشش و فشار کار مي کند . اين سيستم بر اساس گزارش داده شده براي آزمايشات بيومکانيک بر روي مواد استخواني مورد استفاده در صنعت پزشکي در مدرسه ي پزشکي هاروارد ( Harvard Medical School) طراحي و ساخته شده است .
در بخش هاي قبلي امکان وقوع شکستگي در ساختمان يک نردبان به وسيله ي پديده ي خستگي اشاره شد . حال چگونه کسي مي تواند بگويد که شکستگي به وجود آمده به علت خستگي رخ داده و به علت ساير مکانيزم هاي ترد شدن فلزات نيست ؟
جواب به سوال بالا اين است که بايد قطعه را فراکتوگرافي ( Fractography) کنيم .

فراکتوگرافي يک بررسي مقطع شکست با يک ميکروسکوپ است . که تا پيش از ظهور ميکروسکوپ هاي الکتروني ( TEM,SEM) انجام فراکتوگرافي بسيار مشکل بود . در شکل 4 يک سطح مقطع شکست که با SEM تصويربرداري شده را مي بينيد ( بزرگنمايي تقريباً 5000x است ) . در اين تصوير ترک هاي موازي نمايش داده شده است که اين خطوط به خطوط خستگي معروف اند و مشخصه ي رشد ترک هاي حاصل از خستگي در يک ماده ي نرم ( داکتيل ) .
حال به سانحه ي هوايي Grumman G73T Turbo Mallard که در بالا بدان اشاره شد بر مي گرديم . پس از انجام آزمايشات فراکتوگرافي بر روي لاشه ي هواپيما مامورين متوجه ايجاد خستگي بر روي ديرک عقبي بال سمت راست هواپيما شدند ؛ که همين خستگي موجب شکسته شدن ديرک و جدايش بال هواپيما شد .

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

اکنون بياييد بر روي قطعه اي غير فلزي که يک مهندس مواد بايد آن را براي بهينه سازي کارايي تحليل و بررسي کند ، متمرکز شويم . براي مثال : معمولي ترين نوع از واشرهايي که در موقعيت هاي ديناميکي کاربرد دارند ، واشرهاي تهيه شده از مواد آلي هستند . ( مثلاً واشر شافت متحرک ) . در حالي که قيمت اين واشرها مينيمم است ، برخي از خواص اين لاستيک ها نيز بسيار خوب است . و اين امر باعث کاربرد وسيع اين نوع واشر در صنايع مختلف شده است .

در کنار تمام خصوصيات اين نوع از واشرها ، يک ترکيدگي زود هنگام ، مي تواند بهترين برنامه ريزي کاري را نيز خراب کند . شکل 5 دو تصوير از ايجاد ترک در مواد پليمري نشان داده شده است .
در شکل 5 الف يک پيغام مهم در مورد هر آناليز شکست آورده شده است . که اين پيام بررسي دقيق نمونه با چشم غير مسلح و يا با ذره بين با بزرگنمايي 5x يا 10x است . نکته ي مهم در مورد مواد پليمري اين است که هر شکست و ترکي از سطح جسم پليمري شروع مي شود . در شکل 5 ب يک نوع خاص از مکانيزم هاي شکست نشان داده شده است . ضمناً هنگامي که سرعت دستگاه ( شافت متحرک ) افزايش يابد دماي لبه هاي واشر افزايش يافته ، که يکي از نتايج دماي بالا خشکي و نتيجه ي ديگر شکنندگي لبه هاي واشر است . کشيدن لبه هاي واشر ممکن است ترک هاي به وجود آمده در قطعه را بهتر آشکار کند . نشانه ي ديگر اين تخريب ( ايجاد ترک ها ) يک لايه ي نازک حلقوي است که درطول لبه واشر تشکيل مي شود . درحقيقت افزايش دما موج تخريب مواد نرم کننده موجود در لاستيک شده و ترک ايجاد مي کنند . اطلاعات ارائه شده در بالا مانند کليدي در پي بردن به خراب شدگي واشر به ما کمک مي کنند . البته در بررسي عمر واشرها توجه به محيطي که واشرها در حال کارند ، نيز بايد توجه کرد .

آناليز شکست در وسايل ( Failure Analysis of Devices) :

اکنون بياييد بحث را عوض کنيم و در مورد روش هاي آناليز شکست در وسايل جامد صحبت کنيم .
وسايل الکترونيکي ، مغناطيسي و اپتيکي نيز مي توانند شکسته شوند . ما براي افزايش ضريب قابليت اطمينان و يا ايجاد تغييرات در پروسه ي توليد ، نيازمند آگاهي از علت شکست ، نحوه ي شکست و مقدار آن هستيم . در اينجا مثال هايي آورده شده است که به شما در مورد فيزيک قابليت اطمينان ( Reliability physics ) ويا آناليز شکست در وسايل اطلاعاتي مي دهد .
ميکروسکوپ هاي پروبي روبشي ( SPM ) و ميکروسکوپ هاي نيروي اتمي ( AFM ) در آناليز شکست قطعات و وسايل کاربرد دارد . مثلاً در بررسي يک مدار مجتمع ، ما مي توانيم با گرفتن عکس 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 کنيم . ميکروسکوپ نيروي الکتروني ( Electron Force Microscopy) نيز مي توانند در تحليل علت وقوع يک خرابي کوچک در ساختار IC به ما کمک کنند که با استفاده از تصاوير واضح ايجادي به وسيله ي اين دو تکنيک ، حتي اشتباهات توليد نيز قابل رديابي است . همچنين با پي بردن به جزئيات مدارهاي مجتمع توليدي با عکس ها و تصاوير حاصل از اين ميکروسکوپ ها ، مي توان تکنولوژي مدارهاي مجتمع را به آساني در جهان منتقل کرد . و به آساني هر کس به مطالعه ي شکست در قطعات بپردازد و احتمالات و پي آمدن هاي وجود انواع شکست در قطعات را مورد بررسي قرار دهد . همچنين آزمون هاي غير مخرب ديگري براي تحليل شکست در قطعات ميکروالکترونيکي موجود است . که از جمله ي اين آزمون ها مي توان به موارد زير اشاره کرد :
1 ـ ميکروسکوپ اکوستيک روبشي نوع (c ( C-SAM
2 ـ ميکروسکوپ مادون قرمز روبشي ( SIR)
اميدوارم که با اطلاعات داده شده در اين مقاله توانسته باشيم براي پيشرفت روش هاي تحليل و تحقيق در شکست مواد گامي هر چند ناچيز برداريم و افقي جديد در جهت تحقيقات در سطح کشور عزيزمان ايران باز کرده باشيم .
* استفاده از مطالب اين مقاله با ذکر منبع www.rasekhoon.net بلامانع مي باشد.
/خ