فشل المواد المعدنية تحت ظروف العمل


فشل المواد المعدنية تحت ظروف العمل

فشل المواد المعدنية لكي تتم عمليات الصيانة بكفاءة عالية وبطريقة سليمة للأجهزة والمعدات الصناعية فلا بد من معرفة أسباب قصور المادة وفشلها . ويتناول هذا البحث تحليل ومناقشة أسباب فشل المواد المعدنية نظراً لأنها الأكثر استخداما ، وقصورها عن أداء وظيفتها من خلال تشخيص نوع الكسر الحادث في السطح التي تعرضت للانهيار والتي ترجع لأخطاء عدة مثل أخطاء في التصميم ، أخطاء في التشغيل أو عدم اختيار المادة المناسبة بالإضافة إلى تدني كفاءتها أو مقاومتها بعد فترة استعمال زمنية معينة ويناقش البحث كل هذه العوامل ويحللها من خلال تشخيص نوعين أساسيين من الكسر الحادث على حدود البلورات والكسر الحادث داخل حبيبات المادة المنهارة . ويصبح أن الانهيارات الأساسية التي تحدث للفلزات والسبائك في الصناعات المختلفة ترتبط بأحد أنواع هذه الانهيارات .
فشل المواد المعدنية ومن ثم ينتهي البحث بوضع خطة هندسية واضحة ومحددة في عمليات الصيانة لتشخيص وعلاج مشاكل انهيار المادة في أداء وظيفتها في مجال التصنيع والإنتاج … ومما لاشك فيه أن أي نجاح في هذا المجال ينعكس مباشرة على تقليل مشاكل الصيانة ورفع مستوى الإنتاج والخدمات .

 
إخفاق المادة أو فشل جزء منها أو عجز مكونة من جهاز يعني أن هذه المادة أو هذا الجزء أو المركب لا يقوم بعمله الذي استخدم من أجله بالكفاءة المطلوبة منه ( وقد تصل الكفاءة إلى الصفر عند الانهيار التام ) ويكون ذلك الإخفاق ناتجاً عن الكسر أو النشوة الزائد في شكله وأبعاده أو التدني في كفاءته .

إن فشل مركبة أو جزء من جهاز في الصناعة أو في محطات التحلية أو تكرير البترول أو المركبات الفضائية أو حتى في الأغراض المنزلية البسيطة أو في مجال آخر تكون ذات تأثيرات سيئة وقد تكون خطيرة تصل في بعض الأحوال إلى نتائج خيمة لا يمكن معالجتها أو يصبح موضوع التغلب عليها أمراً متأخراً . وما أدل على ذلك من الحوادث الخطرة التي وقعت في عام 1986م و الأدلة منها هو انفجار مركبة الفضاء الأمريكية المعروفة باسم تشالنجر ، وكذلك الحادث النووي الذي مازال يعاني من آثاره وسيظل لفترة طويلة ، وهو انفجار المفاعل النووي في تشيرنوبل . وفشل المواد وانهيارها ذكرنا له عواقب وآثار سيئة ، ويمكن تلخيص ذلك في النقاط التالية :
خطورة مرتبطة بحياة البشر ، مثل فقد سبعة من رواد الفضاء الأمريكيين ، ووفاة العشرات من مواطني الاتحاد السوفيتي ، ومن أصابتهم الأمراض ليعانوا منها وكذلك ما سيحدث للأجيال القادمة التي عانت من الجرعات الزائدة من الإشعاعات النووية .
فشل المواد المعدنية نتائج اقتصادية مكلفة كثيراً ويتجلى في :
تعطيل إنتاج المصنع أو المؤسسة ، وما يتبع ذلك من دفع أجور للعمال بدون عمل ، إضافة إلى التأخير في الالتزامات المطلوبة .
التعويضات المادية الكبيرة التي قد تطلب في حالة الوفاة أو الإصابات الناجمة عن أي خسائر بشرية سواء بالوفاة أو بالعجز الكامل أو الجزئي .
تكلفة إصلاح أو استبدال الأجزاء المطلوبة .
الفقد في الإنتاج في فترة الإصلاح .
التلوث الناتج في البيئة الذي قد يستمر لفترات طويلة .

 

 

فشل المواد المعدنية

الإساءة البالغة معنوياً إلى سمعة الجهة المصنعة والمنتج ، ولمحاولة تلافي مثل تلك الإساءة قد يطلب المصنع سحب منتجه من السوق أو يطلب من المستهلك إعادة ذلك المنتج إلى المصنع لمحاولة إصلاح العيب ، كما يحدث أحياناً مع صانعي السيارات أو الطائرات أو غيرها .
تعطل بعض البرامج علمياً بسبب الفشل ، كما حدث في تأخر برنامج الفضاء الأمريكي ومهندسي المواد .
ومن المعلوم أن مهندسي التصميم عند اختيارهم للمواد المناسبة تواجههم الكثير من العوامل التي لابد أن تؤخذ في الاعتبار المهندسون المصاعب ، ويواجه هؤلاء والمشاكل الكثيرة لتدخل كثير من العوامل لاختيار معاً وتعارضها في أحيان أخري الكثيرة والتجارب . وعلى الرغم من الاحتياطات والاختيارات والفحوص التي تجرى على المواد قبل استخدامها في أجزاء الطائرات والمصانع الكيميائية والبتروكيميائية وفي المنشآت النووية ، والتأكد من سلامتها حسب الأصول والقواعد الموضوعية ، فمازالت تحدث الكثير من المشاكل من جراء انهيار أو عجز منها . ودراسة عجز المواد وفشلها قد أدى إلى معرفة الكثير من خلال تحليل وفهم الانهيارات الحادثة ، وبالذات عندما يتوفر العاملان التاليان :

معلومات واضحة وكافية عن كافة ظروف المادة ( تركيبها ، ظروف تصنيعها وظروف التشغيل وظروف العمل وغير ذلك مما سيتضح فيما بعد ) .ولكن للأسف في بعض الأحوال فإن هناك بعض الجهات سواء المصنعة أو المستخدمة للمادة التي لا تود أن تجعل المعلومات متوفرة سواء للأخصائيين أو للعامة ، حتى لا يؤدي ذلك إلى سمعة سيئة عن هذه الشركة .
وأحياناً أخرى قد لا تكون المعلومات والبينات مفيدة بعد تحليلها والحصول على أسباب الفشل وذلك في حالة عدم وصول مثل تلك المعلومات إلى الجهة التي يمكنها الاستفادة من هذه المعلومات . ومن المعلوم أن الإنسان يتعلم من أخطائه وهذا ينطبق بلاشك على مهندسي المواد أو المصمم المسؤول عن اختيار المادة فهم يتعلمون كثيراً من أخطائهم . وحصولهم على مثل تلك المعلومات عن فشل المادة يمكن أن يساعدهم على الاختيار الصحيح وعلى تفهمهم للأمور بعد ذلك . وعلى ذلك يمكن اقتراح إدخال أسباب فشل المادة في دورة اختيار المواد المناسبة .
ويمكن تقسيم فشل المادة وانهيارها إلى نوعين هما :
انهيار مفاجئ ، ويحدث هذا بدون أي تحذير أو وجود أية دلالات توحي بحدوثه ، وهذا هو النوع الخطير الذي قد ينجم عنه الكثير من المصاعب وأحياناً الكوارث .
انهيار أو فشل بطئ ، ويأخذ وقتا طويلا لحدوثه وتكون هناك بعض القرائن التي توحي بإمكانية حدوثه ، ولا ينتج عن مثل ذلك الانهيار المشاكل الكبيرة حيث يمكن ملاحظته ومحاولة التغلب عليه قبل حدوثه . ولما كانت منطقة الخليج العربي في الوقت الراهن قد أقبلت على نهضة صناعية وعمرانية واسعة ، أضحى استخدام المواد الهندسية في الإنشاءات الصناعية والعمرانية يشكل جزءا كبيراً من تكاليف المنشآت ، فعلى سبيل المثال إن تكلفة المواد في إحدى محطات تحلية المياه تزيد عن 71% من التكلفة الكلية للمحطة . وسُيواجه العاملون في المنطقة بشكل كثيرة لقصور المادة في أداء الغرض الذي استخدمت من أجله – في أحسن الحالات . أما في أسوأ الظروف فقد يواجهون بفشل تام للمادة المستخدمة ، ويؤدي ذلك الى مشاكل عدة كما سبق توضيحه . ومن ثم فإن البحث يلقي الضوء على أسباب قصور المادة وفشلها كما يحدد آلية الفشل وذلك من خلال تحديد نوع الكسر الحادث للسطح ثم يبن بعد ذلك أنواع الانهيارات في الفلزات والسبائك على وجه خاص نظرا لأنهما اكثر شيوعا واستخداما ، وعندئذ يوضح البحث كيفية تشخيص نوع الفشل وبالتالي كيفية تجنب ذلك مستقبلا .
2- أسباب فشل المادة

في غالب الأحوال فإن فشل المادة في ظروف التشغيل يمكن أن يكون ناتجا عن عدة أسباب متداخلة ومؤثرة معا ، وعلى أية حال يمكن إجمالا وضع أسباب فشل المادة وانهيارها في أربع مجموعات رئيسية هي :
خطأ التصميم .
الاختيار الخاطئ للمادة .
خطأ ناجم عن عمليات التشكيل والتصنيع .
الانخفاض في كفاءة المادة خلال فترة الاستخدام والعمل .
وجدول التالي يعطي بعض النسب للفشل في الظروف المختلفة ولق بني ذلك على دراسة 425 حالة فشل في الصناعات الهندسية المختلفة .

اسباب الفشل
النسبة المئوية الاختبار الخاطئ للمادة
38
عيوب تصنيع
15
معالجة حرارية خاطئة
15
تصميم ميكانيكي خاطئ
11
ظروف عمل واستخدام غير صحيح
8
تحكم غير مناسب في الظروف المحيطة بالمادة
6
عدم اهتمام وعناية بالفحص للمادة المنتجة وكذلك اهمال التحكم النوعي
5
خلط للمواد معا
2

ويمكن تقسيم الفشل الحادث للمادة الموضح في الجدول التالي تبعا لآلية الانهيار .

آلية الانهيار
النسبة المئوية التحات الكيميائي
29
الكلال
25
الكسر القصيف
16
التحميل الزائد
11
الاكسدة عند درجات الحرارة العالية
7
اجهاد التحات الكيميائي /كلال التحات الكيميائي
6
الزحف
3
التحات الميكانيكي , البلي ،الحك
3

ويجب أن نلاحظ هنا أهمية التعرف على السبب وعلى كيفية آلية الفشل حتى يمكن التمييز بين الفشل الناتج عن خطأ في التصميم أو تصنيع المادة والخطأ في اختيار المادة المناسبة . فمثلا إذا تحدد أن الخطأ في التصميم فإن التغيير ولو كان طفيفا في التصميم أو طريقة إنتاج المادة يمكن أن يمنع أو يقلل من فرصة حدوث الشل والانهيار الناتج . بينما الاتجاه الى اختيار مادة أخرى تحت نفس ظروف التصميم يكون مضاعفة لأسباب الفشل.
ومرة أخرى يمكن إعادة تقسيم أسباب الفشل الأربعة السابقة ووضعها في مجموعتين على النحو التالي :
2-1 فشل ناتج عن اجهادات أعلى من مستوى التصميم . 2-2فشل ناتج عن اجهادات أقل من مستوى التصميم . 2-1 فشل عند اجهادات أعلى من مستوى التصميم
يعتبر هذا النوع من فشل المواد أسهل الأنواع للتعرف عليها أو تحديدها وتنتج هذه من أخطاء مختلفة مثل : خطأ في التصميم ، خطأ في اختيار المادة واستخدامها أو نتيجة زيادة الحمل . وفي بعض الأحيان يكون التحميل الزائد أمرا غير متوقع مثل : تصادم السيارة ، ولا يمكن أن نلوم المصمم على ذلك . والجدول التالي يعطي تقسيمات تفصيلية لهذا النوع من الفشل مع بيان احتمال الأسباب المؤدية إلية .

الانهيارات الناتجة عن التصميم الخاطئ والاختيار غير الصحيح للمواد

الفشل
الظروف
الكسر المطيل (تشكيل زائد سواء تشكيل مرن أو لدن ، النزع أو كسر القص
خطأ
كسر قصيف (نتيجة ارتفاع زيادة مقدار الاجتهادات إلى حد كبير
زيادة في الحمل
انهيار زحف (تردد الحمل،تردد الانفعال، تغير دوري الحرارة، كلال تحات كيميائي، كلال الدلفنة)
خطأ/زيادة في الحمل
انهيار عند درجة حرارة عالية (الزحف، الأكسدة، الانصهار الموضعي، النواء)
خطأ
الكسر الاستاتي المتخلف (المتأخر)(القصف الهيدروجيني، التقصف القاعدي)
زيادة في الحمل
ارتفاع شديد جدا في الاجتهادات المؤثرة والموجودة في التصميم الأصلي
زيادة في الحمل
تحليل الاجتهادات الخاطئ استحالة حساب الاجتهادات المؤثرة في الأجزاء المركبة
خطأ
خطأ في التصميم والذي حسب على أساس خواص حمل الشد الاستاتي بدلا من اعتبار المادة المناسبة لمقاومة جميع أنواع وظروف الفشل
خطأ
2-2 فشل عند اجهادات أقل من مستوى التصميم
وفي مثل هذه المحاولة فإن عمليات وطرق التصنيع تكون السبب الرئيسي في إيجاد العيوب أو بذر بذرة التغيرات والتحولات الفلزية التي تحدث في المادة بعد ذلك . العمليات الميكانيكية، والحرارية، والكيميائية يمكن أن تسبب العيوب الميكروسكوبية (الصغيرة) أو الماكروسكوبية (الكبيرة) في المادة . ومثل تلك العيوب يمكن أن توجد داخل بنية المادة أو على سطحها الخارجي .وفي كثير من الأحيان يمكن أن يكون العيب الذي يوجد في المادة غير مؤثر بحد ذاته ، ولكن عند تعويض المادة لظروف العمل وتفاعل هذا العيب مع الظروف المحيطة (اجهادات أو مواد كيميائية)يمكن أن تؤدي الى نمو هذا العيب البسيط الأولي الى عيب كبير ذي تأثيرات خطيرة . وفي الحياة العملية وفي واقع استخدام المواد فإنه يفترض أن جميع المواد بها عيوب ، والمطلوب من المهندس في هذه الحالة أن يحدد مدى خطورة هذا العيب ومدى صلاحية استخدام المادة تحت ظروف العمل في وجود مثل ذلك العيب.
وانهيار المادة مع وجود العيب يرجع الى سببين أساسين ،:
السبب الاول :ظروف الحمل العالي جدا (أو التحميل الزائد على المادة في نقطة موضعية )،ومن المتوقع نتيجة لذلك أن تزيد الاجتهادات زيادة كبيرة جدا لتفوق مقدار الإجهاد الذي تم على أساسه التصميم ولهذا فإن المادة تبدو وكأنها فشلت تحت مقدار من الاجتهادات أقل ن إجهاد التصميم
والجدول التالي يوضح أسباب الانهيارات الناتجة عن خطأ في عمليات التصنيع.

أسباب انهيار المواد نظرا لعمليات التصنيع الخاطئة

-ثغرة ناتجة عن تركيب أو تكوين خاطئ للمادة (شوائب غير معدنية ،تركيب خاطئ للمادة)
-عيوب وجدت في المادة أثناء الصب (تجمعات الشوائب في نقطة معينة، مسام،أنابيب،فراغية، شوائب غير معدنية ).
-عيوب من التشغيل (ثنيات، خط لحام، زيادة موضعية في الاجتهادات ، تشكيل موضعي لدن، كسور التحطم قصور في التشكيل الساخن).
-عدم انتظام واخطأ في التشغيل الميكانيكي من التجليخ والخبط أو الختم (حروق ، تمزق).
-خطأ في عملية اللحام (مسامية، شروخ، اجهادات متبقية، عدم انتشار وتخلل مادة اللحام، منطقة متأثرة بالحرارة : حيث يحدث نمو الحبيبات).

-عدم انتظام في المادة نظرا للمعاملة الحرارية (زيادة في التسخين، حرق، شدوخ من التبريد السريع، نمو للحبيبات، إزالة الكربون أو زيادته، أو ترسبات).
-ثغرات ناتجة عن التصلد الطبقي (كربيدات مكونة على حدود الحبيبات، قلب طري، زعنفة، الشدوخ، التقصف).
-عيوب ناجمة عن المعاملة السطحية (التنظيف، تغطية السطح بالمعدن أو بالترسبات الكيميائية، التقصف الهيدروجيني).
-عدم الاهتمام بالتجميع (وجود شوائب أو مواد حاكة، اجهادات داخلية متبقية، اختلاف الموائمة، شقوق دقيقة من التركيب).
-وجود عيب خطي ناتج عن اختلاف الخواص في المادة أثناء الحدادة.

اما السبب الثاني لانهيار المادة تحت تأثير اجهادات اقل من اجهادات التصميم فإن ذلك يرجع الى زياد الاجتهادات مرة أخرى ولكنها ليست اجهادات موضعية ولكنها اجهادات عامة على المادة كلها . ويرجع السبب في زيادة الاجتهادات على كامل المادة الى إزالة جزء من هذه المادة أثناء الاستعمال أما بالتحات الكيميائي أو بالحك أو نمو الشروخ والتصدعات . وتدني المادة تحت ظروف العمل يمكن أن تكون متأثرة بعوامل كيميائية أو ميكانيكية أو حرارية ويصعب جدا تحديد سلوك المادة تحت هذه العوامل ولا يوجد اختبار قياسي لذلك. والجدول التالي يعطي أسباب تدني خواص المواد تحت ظروف التشغيل .
أسباب تدني كفاءة المادة تحت ظروف العمل

-بلي (حك، عفصات، لصب “لازرجنة ” ، تجوفات )
-تحات كيميائي ( ويشمل التفاعلات الكيميائية ، التآكل الاجهادي ، كلال التحات الكيميائية ).
-إزالة الزنك ، الجرفته لحديد الزهر ، التلوث بالجو.
-الصيانة الخاطئة أو غير المناسبة (اللحام، تجليخ، وضع ثقوب، الفرد على البارد).
-تفكك أو تحلل المادة الناتج عن التفاعلات الكيميائية أو تآكل المادة بالفلز المصهور أو تغطية السطح عند درجات الحرارة العالية .
-التدمير أو التخريب الإشعاعي ، وتختلف باختلاف الوقت ودرجة الحرارة والظروف المحيطة ومقدار الأشعة الساقطة ( الجرعة ).
-ظروف غير عادية ، حوادث ( الارتفاع المفاجئ لدرجة حرارة التشغيل، اهتزازات عنيفة، اهتزازات صوتية ، صدمات أو تصدمات غير مرئية وغير متوقعة، صدمات حرارية..الخ).