آنالیز شكست و پیشگیری از آن ، كار مهمی است كه برای تمام سازه های مهندسی ضروری می باشد . یكی از رشته های مهندسی كه نقش بسیار مهمی در آنالیز و تحلیل شكست دارد مهندسی مواد است . خواه یك قطعه یا جزء در هنگام كار كردن شكسته شود . و یا در هنگام تولید ( در طی پروسه ی ساخت ) ، در هر مورد باید علت شكست برای پی بردن به نحوه ی جلوگیری از اتفاق دوباره در آینده ، تعیین گردد . یكی دیگر از موارد مورد بررسی تعیین نحوه ی به كارگیری از وسایل ، اجزاء و ساختارها می باشد كه باید مورد بررسی و مطالعه قرار گیرد .



آنالیز شكست و پیشگیری از آن ، كار مهمی است كه برای تمام سازه های مهندسی ضروری می باشد . یكی از رشته های مهندسی كه نقش بسیار مهمی در آنالیز و تحلیل شكست دارد مهندسی مواد است . خواه یك قطعه یا جزء در هنگام كار كردن شكسته شود . و یا در هنگام تولید ( در طی پروسه ی ساخت ) ، در هر مورد باید علت شكست برای پی بردن به نحوه ی جلوگیری از اتفاق دوباره در آینده ، تعیین گردد . یكی دیگر از موارد مورد بررسی تعیین نحوه ی به كارگیری از وسایل ، اجزاء و ساختارها می باشد كه باید مورد بررسی و مطالعه قرار گیرد .
یكی از مثال های بسیار محسوس از كاربرد آنالیز شكست در صنایع هوایی می باشد . سوانح هوایی در ذهن افكار عمومی می ماند كه علت آن از دست رفتن غیر عادی جان افراد زیادی به طور آنی و آسیب روحی بسیار زیادی است كه این نوع خاص از حوادث دارد .
در 19 دسامبر 2005 ، همین كه یك هواپیمای دریایی با نام Grumman G73T Turbo Mallard از ساحل میامی در فلوریدا عبور كرد ، منفجر شد و این سقوط هنگامی اتفاق افتاد كه هواپیما در حال بلند شدن بود.
هواپیما حامل پانزده مسافر ، 3 كودك 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 كه ترك های ناشی از خستگی در بال راست هواپیما موجب بروز حادثه شد . اما علت حادثه هنوز در دست بررسی می باشد . به هر حال شكست در ساختار هواپیما كه در ابتدا با خستگی شروع شد مورد شك است .
یكی دیگر از سوانح هوایی فاجعه ی پرواز 800 خطوط هوایی Trans world Air lines بود ( این شركت یكی از گسترده ترین شركت های هوایی در ایالات متحده ی آمریكاست ) این اتفاق هنگامی رخ داد كه یك هواپیمای بویینگ 747 در Long Island ( ایسلندی كه متعلق به ایالت نیویورك آمریكاست ) در حال پرواز بود . تلاش های گسترده ای برای پیدا كردن علت این تصادف انجام شد ولی تا كنون 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 عكس هایی از حادثه ی بازسازی شده دیدند .
بازسازی حادثه یك مرحله اصلی در بررسی سوانح هوایی می باشد . بررسی سوانح هوایی به صورت كلاسیك با بررسی بر روی سوانح هوایی De Havilland Comet در ابتدای دهه ی 1950 آغاز شد .
Comet اولین خط هوایی بود كه از جت های تجاری استفاده كرد . بسیاری از Comet ها در ساختمان نشان شكستگی پیدا می كردند كه این امر به خاطر عیوب طراحی بود . تلاش های انجام گرفته منجر به آگاهی از علت این سوانح هوایی شد . آنالیز متالورژیكی شكست نقش تعیین كننده ای در فهمیدن مكانیزم و توالی شكست داشت و سرانجام باعث شناخت علت سوانح هوایی شد .

تازه ترین سوانح هوایی كه باعث ایجاد پیامدهای اساسی شد شامل : پرواز 261 خطوط هوایی آلاسكا ( Alaska Air lines ) است كه در این حادثه یك هواپیمای بویینگ McDonnell Douglas MD-83 در اقیانوس آرام سقوط كرد . این هواپیما عازم كالیفورنیا بود و در 31 ژانویه ی 2000 سقوط كرد .
همچنین پرواز 587 خطوط هوایی آمریكا American Air lines ، كه در این حادثه یك هواپیمای ایرباس A-300 در ابتدای كوپینز جنوبی Southern Queens در مجاورت شهر نیویورك و در 12 نوامبر 2001 سقوط كرد . در شكل 1 عكس هایی از سقوط هواپیماها و یا انهدام آنها را می بینید .
یكی دیگر از مثالهای مورد بررسی سوانح در بخش حمل و نقل ریلی می باشد . كه در این حادثه كه در سوم ژوئن 1998 اتفاق افتاد ، یك قطار سریع السیر در كشور آلمان از ریل خارج شد . قطار در حال طی مسیر میان مونیخ و هامبورگ بود كه قبل از ساعت 11 صبح در Eschede كه 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 كردن قطعه ای از قطار را شنیده بودند . با بررسی های انجام گرفته علت تغ تغ كردن ها مشخص شد . مأمورین تحقیق می گویند كه یكی از چرخهای قطار پیش از واژگونی شكسته بوده . البته این محتمل ترین علت شناخته شد .
آنالیز شكست به تحقیقات درزمینه ی سوانح قطارها و هواپیماها محدود نمی شود . در اینجا من امیدوارم كه بتوانم در مورد معنای آنالیز شكست توضیحاتی بدهم .
آنالیز شكست (Failure analysis)گاهی اوقات با نام جلوگیری از شكست ( Failure Prevention) نامیده می شود . این واژه در صنعت الكترونیك با نام Reliability Physics نام گذاری شده است . از آنجایی كه مهندسین مواد نقش عمده ای در پروسه ی آنالیز شكست ایفا می كنند . مطالعه در زمینه ی مهندسی و علم مواد دری است كه به سوی دنیای آنالیز شكست باز می گردد .

شكست خط لوله ی گاز طبیعی در ونزوئلا ( Venezuelan Natural Gass Pipeline Rupture ) :

در دسامبر 1993 یك لوله ی گاز طبیعی در كنار بزرگراهی در ونزوئلا تركید . ( شكل 2 الف ) احتراق سریع گازهای پخش شد ه باعث پدید آمدن چنان جهنمی شد كه حداقل 50 نفر در آن حادثه كشته شدند . مهندسین انجمن آنالیز شكست با متخصصین خود در زمینه های مواد ، احتراق و مكانیزم شكست برای بررسی علت و چگونگی وقوع این حادثه به ونزوئلا سفر كردند تا بتوانند علت وقوع چنین حادثه ای را پیدا كنند .

البته لازم به ذكر است كه 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 شكل 2 ب شكست در نردبان ماشین آتش نشانی هوریل ( Heverill fire department) را می بینید . شكستن نردبان هرگز یك 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 . یكی از عوامل دیگر كه بر شكست قطعات موثر است ، شكست بر اساس پدیده ای به نام خستگی ( Fatigue) می باشد .
خستگی یك طریقه ی ایجاد شكستگی در قطعات است . كه در مواد به كار رفته در ساختار ماشین ها ، در جاهایی كه بارگذاری مداوم داریم اتفاق می افتد . هنگامی كه در مورد خستگی فكر می كنند واقعاً به یك نردبان هوایی ، یك میله ی متحرك در اتومبیل و یا یك بال هواپیما احتیاج پیدا می كنید . در این مقاله شما می توانید بفهمید كه یك نفر چگونه می تواند شكست ناشی از خستگی را از انواع دیگر شكست ها تشخیص دهد . برای آنالیز شكست در ساختار قطعات ، ما نیازمند تست های مكانیكی هستیم . برای مثال بیایید در مورد احتمال شكست بر اساس پدیده ی خستگی در یك فنر مورد استفاده در درب یك گاراژ صحبت كنیم . برای پیش بینی عمر یك چنین فنری ، باید بدانیم كه هنگام قرارگیری این فنر در درب گاراژ چه مقدار نیرو بر آن اعمال می شود . همچنین باید تعداد دفعاتی كه این نیرو مثلاً در مدت یك سال بر قطعه وارد می شود . را بدانیم با استفاده از روش های تحلیلی و روش های مدل سازی كامپیوتری می توان به سوال خودمان پاسخ دهیم و پیش بینی كنیم كه خستگی در این فنر پس از گذشت چند دفعه و یا سیكل 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 كرد . تست خستگی با آزمون كشش تك محوری و بر روی نمونه ی فنر انجام می شود . ( در شكل 3 )

یك نمونه سیستم برای تست مواد ساختمانی نشان داده شده است . این دستگاه مخصوص خستگی است كه برای نیروهای كوچك و كاربردهایی كه خستگی دوره ای ( دینامیك ) است ، ساخته شده است .
همچنین این دستگاه در دو حالت كشش و فشار كار می كند . این سیستم بر اساس گزارش داده شده برای آزمایشات بیومكانیك بر روی مواد استخوانی مورد استفاده در صنعت پزشكی در مدرسه ی پزشكی هاروارد ( Harvard Medical School) طراحی و ساخته شده است .
در بخش های قبلی امكان وقوع شكستگی در ساختمان یك نردبان به وسیله ی پدیده ی خستگی اشاره شد . حال چگونه كسی می تواند بگوید كه شكستگی به وجود آمده به علت خستگی رخ داده و به علت سایر مكانیزم های ترد شدن فلزات نیست ؟
جواب به سوال بالا این است كه باید قطعه را فراكتوگرافی ( Fractography) كنیم .

فراكتوگرافی یك بررسی مقطع شكست با یك میكروسكوپ است . كه تا پیش از ظهور میكروسكوپ های الكترونی ( TEM,SEM) انجام فراكتوگرافی بسیار مشكل بود . در شكل 4 یك سطح مقطع شكست كه با SEM تصویربرداری شده را می بینید ( بزرگنمایی تقریباً 5000x است ) . در این تصویر ترك های موازی نمایش داده شده است كه این خطوط به خطوط خستگی معروف اند و مشخصه ی رشد ترك های حاصل از خستگی در یك ماده ی نرم ( داكتیل ) .
حال به سانحه ی هوایی Grumman G73T Turbo Mallard كه در بالا بدان اشاره شد بر می گردیم . پس از انجام آزمایشات فراكتوگرافی بر روی لاشه ی هواپیما مامورین متوجه ایجاد خستگی بر روی دیرك عقبی بال سمت راست هواپیما شدند ؛ كه همین خستگی موجب شكسته شدن دیرك و جدایش بال هواپیما شد .

بازرسی قطعات غیر فلزی ( Inspection of Non-Metallic Components) :

اكنون بیایید بر روی قطعه ای غیر فلزی كه یك مهندس مواد باید آن را برای بهینه سازی كارایی تحلیل و بررسی كند ، متمركز شویم . برای مثال : معمولی ترین نوع از واشرهایی كه در موقعیت های دینامیكی كاربرد دارند ، واشرهای تهیه شده از مواد آلی هستند . ( مثلاً واشر شافت متحرك ) . در حالی كه قیمت این واشرها مینیمم است ، برخی از خواص این لاستیك ها نیز بسیار خوب است . و این امر باعث كاربرد وسیع این نوع واشر در صنایع مختلف شده است .

در كنار تمام خصوصیات این نوع از واشرها ، یك تركیدگی زود هنگام ، می تواند بهترین برنامه ریزی كاری را نیز خراب كند . شكل 5 دو تصویر از ایجاد ترك در مواد پلیمری نشان داده شده است .
در شكل 5 الف یك پیغام مهم در مورد هر آنالیز شكست آورده شده است . كه این پیام بررسی دقیق نمونه با چشم غیر مسلح و یا با ذره بین با بزرگنمایی 5x یا 10x است . نكته ی مهم در مورد مواد پلیمری این است كه هر شكست و تركی از سطح جسم پلیمری شروع می شود . در شكل 5 ب یك نوع خاص از مكانیزم های شكست نشان داده شده است . ضمناً هنگامی كه سرعت دستگاه ( شافت متحرك ) افزایش یابد دمای لبه های واشر افزایش یافته ، كه یكی از نتایج دمای بالا خشكی و نتیجه ی دیگر شكنندگی لبه های واشر است . كشیدن لبه های واشر ممكن است ترك های به وجود آمده در قطعه را بهتر آشكار كند . نشانه ی دیگر این تخریب ( ایجاد ترك ها ) یك لایه ی نازك حلقوی است كه درطول لبه واشر تشكیل می شود . درحقیقت افزایش دما موج تخریب مواد نرم كننده موجود در لاستیك شده و ترك ایجاد می كنند . اطلاعات ارائه شده در بالا مانند كلیدی در پی بردن به خراب شدگی واشر به ما كمك می كنند . البته در بررسی عمر واشرها توجه به محیطی كه واشرها در حال كارند ، نیز باید توجه كرد .

آنالیز شكست در وسایل ( Failure Analysis of Devices) :

اكنون بیایید بحث را عوض كنیم و در مورد روش های آنالیز شكست در وسایل جامد صحبت كنیم .
وسایل الكترونیكی ، مغناطیسی و اپتیكی نیز می توانند شكسته شوند . ما برای افزایش ضریب قابلیت اطمینان و یا ایجاد تغییرات در پروسه ی تولید ، نیازمند آگاهی از علت شكست ، نحوه ی شكست و مقدار آن هستیم . در اینجا مثال هایی آورده شده است كه به شما در مورد فیزیك قابلیت اطمینان ( Reliability physics ) ویا آنالیز شكست در وسایل اطلاعاتی می دهد .
میكروسكوپ های پروبی روبشی ( SPM ) و میكروسكوپ های نیروی اتمی ( AFM ) در آنالیز شكست قطعات و وسایل كاربرد دارد . مثلاً در بررسی یك مدار مجتمع ، ما می توانیم با گرفتن عكس 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 كنیم . میكروسكوپ نیروی الكترونی ( Electron Force Microscopy) نیز می توانند در تحلیل علت وقوع یك خرابی كوچك در ساختار IC به ما كمك كنند كه با استفاده از تصاویر واضح ایجادی به وسیله ی این دو تكنیك ، حتی اشتباهات تولید نیز قابل ردیابی است . همچنین با پی بردن به جزئیات مدارهای مجتمع تولیدی با عكس ها و تصاویر حاصل از این میكروسكوپ ها ، می توان تكنولوژی مدارهای مجتمع را به آسانی در جهان منتقل كرد . و به آسانی هر كس به مطالعه ی شكست در قطعات بپردازد و احتمالات و پی آمدن های وجود انواع شكست در قطعات را مورد بررسی قرار دهد . همچنین آزمون های غیر مخرب دیگری برای تحلیل شكست در قطعات میكروالكترونیكی موجود است . كه از جمله ی این آزمون ها می توان به موارد زیر اشاره كرد :
1 ـ میكروسكوپ اكوستیك روبشی نوع (c ( C-SAM
2 ـ میكروسكوپ مادون قرمز روبشی ( SIR)
امیدوارم كه با اطلاعات داده شده در این مقاله توانسته باشیم برای پیشرفت روش های تحلیل و تحقیق در شكست مواد گامی هر چند ناچیز برداریم و افقی جدید در جهت تحقیقات در سطح كشور عزیزمان ایران باز كرده باشیم .

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون