1-مقدمة
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 .
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 :
1. 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 .
2. نتائج اقتصادية مكلفة كثيراً ويتجلى في :
1. تعطيل إنتاج المصنع أو المؤسسة ، وما يتبع ذلك من دفع أجور للعمال بدون عمل ، إضافة إلى التأخير في الالتزامات المطلوبة .
2. التعويضات المادية الكبيرة التي قد تطلب في حالة الوفاة أو الإصابات الناجمة عن أي خسائر بشرية سواء بالوفاة أو بالعجز الكامل أو الجزئي .
3. تكلفة إصلاح أو استبدال الأجزاء المطلوبة .
4. الفقد في الإنتاج في فترة الإصلاح .
3. التلوث الناتج في البيئة الذي قد يستمر لفترات طويلة .
4. 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 .
5. 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 :
1. 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 .
2. 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 :
1. 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 .
2. 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 :
1. خطأ التصميم .
2. الاختيار الخاطئ للمادة .
3. خطأ ناجم عن عمليات التشكيل والتصنيع .
4. 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).
وكما هو واضح من الانهيارات عند اجهادات اقل من مستوى اجهادات التصميم فإن هناك عدة عوامل يرجع الفشل فيه الى الإنسان نفسه المتعامل مع المادة إذا لم يكن ذو خبرة فنية واسعة وغير مدربة على ممارسة مثل تلك الأعمال ومنها :
1. عدم الاهتمام وعدم العناية في عملية توصيل الأجزاء معا .
2. إجراء الصيانة بطريقة خاطئة .
ومثل هذين العاملين لا يملك المصمم أو مهندس المواد حيالهما أي شئ. ولكي نحاول تجنب حدوث الانهيار اوفشل المادة فيجب أن تعرف كيفية حدوث الفشل ونحدده من النظر الى شكل الجزء المنهار.
3 – آلية الفشل
للتعرف على ميكانيكية أو آلية الفشل فإن ذلك يتطلب التعرف على الملامح الأساسية المصاحبة للفشل سواء بالفحص الماكروسكوبي أو الفحص الميكروسكوبي ولا بد من أن نذكر هنا انه يجب التفريق بين مسببات أو أسباب الفشل وكيفية حدوث الفشل ( آلية الفشل ) ، ولقد سبق توضيح الأسباب .
وفيما يلي نذكر آلية الفشل .
* انهيار قصيف .
* انهيار مطيل.
* كلال .
* زحف .
* انهيار الانضغاط (تحديب).
* الخضوع الكلي .
* التحات الكيميائي .
* إجهاد التحات الكيميائي
* كلال التحات الكيميائي .
* البلي .
وفي أحيان كثيرة يمكن أن يكون هناك اكثر من آلية في نفس الوقت أو أن يبدأ الفشل بكيفية محددة ثم تتغير هذه الكيفية الى نوع آخر . وعلى هذا فإن الفشل هو محصلة أو تاريخ : الإجهاد ، الزمن ، درجة الحرارة والجو المحيط . ولابد من معرفة النقاط التالية حتى نحدد آلية الفشل :
* طريقة وكيفية التحميل : حمل استاتي ، متذبذب ، حمل فجائي ( صدمات ) .
* نوع الإجهاد : شد ، انضغاط ، او قص .
* درجة حرارة العمل : درجة حرارة منخفضة ، درجة حرارة عادية ، درجة حرارة عالية .
* الظروف المحيطة : غازات ، سوائل أو أحماض أو غيرهم حيث أن ذلك يؤثر على معدل التآكل .
4 – تحديد نوع الكسر – آلية الكسر
قبل تحديد آلية الكسر لا بد من تحديد الملامح الأساسية للكسر والمظاهر المصاحبة له ، حيث أن شكل سطح الكسر ومظهره الخارجي يعطي خريطة طبوغرافية للسطح وتحوي معلومات فريدة في نوعها والتي في ذاتها تحديد الخطوات التي حدث خلالها الكسر . ويتم تقسيم الكسر . ويتم تقسيم الكسور إلى نوعين أساسيين .
4-1 كسور على حدود البلورات
هذا النوع من الكسور سهل التعرف عليه وتحديد نوعه حيث يكون الكسر في حدود الحبيبات ويظهر الكسر كأنه ذو أبعاد ثلاثة ، وفيها يوضح تحديد شكل الحبيبات . ويرتبط الكسور على حدود البورات لأنه غالباً من النوع القصيف حيث يحدث الكسور بدون أي تشكيل اللدن . وحيث هذا الكسر لأحد الأسباب الأربعة التالية :
1. التقصيف الهيدروجين ويتميز هذا الكسر بوجود خطوط شعرية في الحبيبات ومسام على حدود الحبيبات.
2. انعزال الشوائب القصيفة على حدود الحبيبات كما في حالة الفوسفور والزرنيخ في سبائك الفولاذ أو في وجود الكبريت في حالة عدم وجود نسبة كافية من المانجنيز في الفولاذ وتكون الحبيبات في هذه الحالة عديمة المعالم على الإطلاق .
3. ترسيب وجه آخر قصيف على حدود الحبيبات .
4. اجهاد التحات الكيميائي كنتيجة مشتركة للأجهادات الداخلية المتبقية في وجود عوامل تآكلية حول أو محيطة بالمادة . وهذا النوع يتميز بتفرعه ونموه في عدة اتجاهات في نفس الوقت .
ويمكن أن يكون كسر حدود البلورات من النوع المطيل ( حيث يحدث تشكيل مرن للمادة قبل كسرها ) وأهم ملامح الكسر في هذه الحالة وجود هزوم ناعمة على حدود الحبيبات نتيجة النمو المطيل واتصال الفجوات الصغيرة معاً ، ويمكن القول إن هذا الكسر يكون ناتجاً عن واحد من الأسباب التالية :
1. الزحف عند درجات الحرارة العالية وكسر الزحف الذي يحدث عند درجة حرارة مساوية أو أعلى من نصف درجة الأنصار .
2. عمليات الانفصال المرن في منطقة حدود الحبيبات عند درجة حرارة أعلى من نصف درجة الانصهار والتي تنمو فيها الفراغات الميكروسكوبية .
4-2 الكسور داخل الحبيبات
وهو يمثل النوع الثاني من الكسور وفيه يمر الكسر بداخل الحبيبات ويكون سطح الكسر مستوي أو مخروطي ولا تظهر حدود الحبيبات كما في النوع السابق . ويمكن تقسيم الكسور داخل الحبيبات إلى ثلاثة أنواع ، كسور مطلية ، وكسور شبه مطليلية ، كسور قصيفة .
وتتميز الكسور المطيلية بنسبة كبيرة من التشكل اللدن ويحدث الكسر بنمو الكسر البسيط في مراحل التشكيل اللدن حيث يتم انفصال تام . وشكل سطح القطع يكون ذو نسيج ليفي وينتهي شكل الكسر في مراحله النهائية بشفه . ويكون سطح المعدن مملوء بالهزوم . ويمكن التعرف على ثلاثة أنواع من هذا الكسر :
1. تطور كسر اجهاد الشد العادي ويكون كلا وجهي الكسر مغطى بالهزوم المدورة .
2. صيغة قص التي تؤدي في النهاية إلى استطالة .
3. نمو تمزقي ، ويكون السطح مملوء بالهزوم المستطالة .
أما الكسور شبه المطيلية فإنها تكون مصحوبة بنسبة صغيرة من التشكل اللدن ( لا يظهر على السطح الخارجي كما في الكسور المطيلية ) . ويكون ذلك الكسر مستوي وعمودي على اتجاه الإجهاد وتظهر بعض العلامات تعطي دلالة على أماكن أو بداية حدوث الكسر. . ومن أهم أنواع هذه الكسور كسر الكلال ، وكلال التحات الكيميائي والحك والتحات الميكانيكي .
أما الكسور القصيفة فهي تحدث بدون أو بكمية صغيرة جدا من التشكل اللدن ويحدث الكسر بالتفلج أو الانشقاق والتي تعطي سطح ميكروسكوبي سبيه بقاع النهر من التفرعات والشجيرات المختلفة. ومثل هذا النوع من الكسور يحدث بسرعة كبيرة جداً ويكون مصحوباً في نفس الوقت بانبعاث ضجة أو ضوضاء .
5–أنواع انهيارات الفلزات والسبائك
5-1الانهيار القصيف
هو ذلك النوع من الانهيار الذي لا توجد فيه دلالة على حدوث أي تمدد أو استطالة في المادة ، ويعني ذلك أن المادة قصيفة وغير مطليلية .ويحدث الانهيار في هذه الحالة فجائياً حيث يتم الانهيار من خلال الانفصال بين جزئي المادة . ومن أمثلة ذلك فشل المواد تحت تأثير الكلال ، وكلال التحات الكيميائي وكذلك تصدع التحتات الكيميائي . وكما ذكر فإن ذلك الانهيار يحدث في المواد القصيفة ولكن في بعض الأحيان يمكن أن تتغير المادة المطليلية وخاصة الفولاذ عند درجة حرارة معينة إلى مادة قصيفة كما يحدث عند اللحام أو المعاملة الحرارية .
5-2 انهيار الكلال
هو أحد أنواع الانهيار القصيف ، وكما سبق توضيحه فإن تعبير الكلال يعني انهيار المادة أو فشلها تحت الاجهادات الصغيرة المتكررة ، وتكرار هذه الاجهادات لعدد كبير من المرات يمكن أن يتسبب في تكون شدخ صغير غير منظور أو زلة أو فلقة والتي تزداد تدريجيا وتتطور إلى أن تكون شدخ أو شق داخل المادة . ويستمر تقدم الشدخ في المادة حتى تصبح المساحة السطحية الباقية من هذا المادة صغيرة وأضعف من أن تقاوم الحمل الخارجي وعندئذ يحدث الانهيار أو الفشل المفاجئ وغير المتوقع للمادة . ونقطة بدء الكسر يمكن أن تكون عيوب في السطح حيث يتم زيادة الاجهادات في تلك النقطة أو التركيز عندها. وعيب السطح كما سبق توضيحه يمكن أن يكون خطأ في التشكيل الميكانيكي أو في التصميم الميكانيكي كما في الأركان الحادة أو المنحنيات غير الصحيحة أو حتى وجود آثار من مبرد أو خرم أو آثار تحات كيميائي من تنقر أو خلافه .
5– 3 كلال التحات الكيميائي
أن مقدار الفلزات والسبائك على تحمل الاجهادات تقل كثيرا في وجود عوامل التآكل ، وأن تأثيرات الاجهادات وعوامل التحات الكيميائي أخطر بكثير جدا من تأثير كل عامل على حدة . ويمكن أن يفسر ذلك على أساس أن الفلزات في ظروف التآكل إما أن تتكون على سطحها طبقة واقية من الأكسيد ، وتكوين هذه الطبقة يعتبر من عوامل تركيز الاجهادات في نقطة على سطح الفلز وتكون بداية نقطة العيب أو الخلل التي تؤدي الى انهيار المادة . أو قد يكون التحات الكيميائي مصحوبا بالتنقر فإن تأثيره أخطر كما سبق توضيحه في انهيار الكلال .
5 - 4 تصدع اجهاد التحات الكيميائي
وهذا النوع من الانهيار شائع الحدوث في الفلزات وسبائكها ، وهو الانهيار الذي يتم تحت تأثير الاجهادات الثابتة في وجود عوامل تآكلية وعوامل التآكل في الظهور فقط عندما تبدأ الاجهادات في التأثير. وعلى سبيل المثال فإن الصودا الكاوية ذات التركيز المتوسط لا تؤثر على الفولاذ الطري في الظروف العادية ولكن عندما تبدأ الاجهادات في التأثير فإن ذلك الفولاذ يتصدع وينهار تحت تأثيري الاجهادات والصودا الكاوية ومظهر تصدع اجهاد التحات الكيميائي يظهر تحت الميكروسكوب الضوئي في الشكل تصدع بين الحبيبات.
5 – 5 التآكل الصدعي
وهذا النوع من الانهيارات هام نظراً لأنه خادع في مظهره وله آثار خطيرة عند حدوثه لأن الشكل الخارجي للمادة لا يتغير ويظل مظهرها الخارجي كما هو ولكن في واقع الأمر فإن مقاومة المادة للاجتهادات تتدنى كثيراً لدرجة أنه يمكن قطع لوح سميك من الفولاذ يعاني من ذلك التآكل باستخدام جلدة مطاطية . ويتم هذا النوع من الانهيار على سطح الفلزات والسبائك المغطاة بالحطام والأطلال أو تحت الحشية أو الحلقة ( وردة ) أو ما بين الألواح المتماثلة من الفلزات . وكما سبق توضيحه فإن التآكل يحدث نتيجة تكون الخلايا الجلفانية اعتمداً على اختلاف التركيز أو الأكسجين من موقع لآخر . فنسبة الأكسجين من موقع لآخر . فنسبة الأكسجين تكون عالية في المواضع المعرضة للهواء أعلى طبقة المحلول ، ويقل تركيزه في المناطق المحصورة بين فلز وأخر أو بين فلز ومطاط مثلا . ويكون تأثير المواد أكبر إذا كان الفلز يعتمد في مقاومة للتآكل على تكوين طبقة الأكسجين الرقيقة ، ففي حالة عدم توفر الأكسجين اللازم لذلك ، تبدأ عندئذ عملية التآكل ويزيد معدلها كثيراً نظراً لصغر مساحة الأنود مقارنة بمساحة الكاثود كما هو معروف . ومن الفلزات والسبائك التي تعاني من هذه الظاهرة الألومنيوم وسبائك الفولاذ الذي لا يصدا.
ولا بد أن نتذكر نقطة هامة عند التصميم وهي تجنب المناطق التي يمكن أن يتجمع فيها بخار الماء أو الرطوبة ويفضل استخدام وصلات اللحام المستوية وإذا كان الفلز المستخدم يتم غمسه في محلول ، فيجب التنظيف الدوري للسطح حتى يتم التخلص من أي حطام أو بقايا للمادة . كما يفضل تجنب الحشة أو الحلقة أو ما شابه ذلك ، حيث أن مثل تلك الوصلات تساعد على وجود رطوبة ملاصقة لجسم الفلز ، وإذا اضطرت ظروف التصميم لوجودها فلا بد من ملء الفراغ الموجود بينها وبين الفلز بطريقة محكمة بمادة مقاومة للكسر ولا تمتص بخار الماء وللأسف فإنه لا ينظر إلى المسمار أو المسمار الملولب وطرق التثبيت الأخرى على أنها مصادر خطر للتآكل التصدعي ، بينما في واقع الأمر هي سبب الأمثل لبداية هذه المشكلة. وبالطبع العلاج لهذه المشكلة هو سد الفجوة ما بين المعدنين بإحكام تام بمادة عازلة لا تمتص الرطوبة .
5-6 تآكل جلفاني
هو أشهر أنواع التأكيل وهو معلوم لدى جميع العاملين في مجال التحات الكيميائي ، وحتى لمحدودي الخبرة منهم . وينشأ هذا النوع من التآكل كما وضح سابقاً من توصيل الفلزات الثمينة ( أو ذو موضع متقدم في السلسلة الكهروكيميائية ) مع فلز آخر أقل منه في الجهد ، مثل اتصال الزنك مع النحاس أو إحدى سبائكه في وجود ماء البحر ( الذي يعمل هنا عمل الاكتروليت ) فتكون النتيجة هي تآكل فلز الزنك بمعدل عال . ويعتمد معدل التآكل على المساحة السطحية المعروضة من الفلزين ، فيقل معدل تآكل الزنك كما كانت مساحة سطح النحاس أقل من مساحة سطح الزنك ويحدث نفس التأثير كذلك إذا كان الاتصال بين الفزين غير محكم .
وبطبيعته الحال فإن الوقاية أو الحد من هذه المشكلة هو تجنب وصل الفلزات غير المتشابهة معاً عند تعرضها لبخار الماء وعند الحاجة الماسة لتوصيل فلزين معاً عند فيفضل أن يكون الفلزان متقاربي المواقع في السلسلة الكهروكيميائية أو محاولة عزل تلك المواد بعيداً عن أي محلول الكتروليت حتى ولو كانت مجرد الرطوبة .
6 - طريقة تحليل الانهيار
عند محاولة تحليل أسباب انهيار أو فشل أي جزء من المادة في عمله ، فإنه يفضل ويحبذ دائما الحصول على أكبر قدر من المعلومات من الجزء المنهار نفسه مع الحصول على معلومات كافية قدر المستطاع عن ظروف العمل التي استخدم فيها هذا الجزء وقت حدوث الانهيار . وهناك العديد من الأسئلة التي تطرح عندئذ والتي يتوجب الإجابة عليها أو على بعض منها على النحو التالي :
0. ما طول الفترة الزمنية التي ظل فيها هذا الجزء مستعملاً ؟
1. ما هي طبيعة الاجهادات التي كان هذا الجزء معرضاً لها وقت الانهيار ؟
2. هل كان ذلك الجزء معرضاً لحمل أكثر من المصمم له أساساً ؟
3. هل كان ذلك الجزء في موضعه الصحيح ؟
4. هل أسيء استخدام ذلك الجزء ؟
5. هل حدث أثناء الخدمة – تغير في الظروف المحيطة بهذا الجزء –سواء كان التغير في درجة الحرارة أو الجو المحيط أو الضغط أو غير ذلك ؟
6. هل تمت عملية الصيانة الدورية المطلوبة لهذا الجزء ؟
7. ما هو نوع المادة المستخدمة ؟
8. ما هي الخواص الطبيعية والميكانيكية والكيميائية لهذه المادة ؟
9. ما هي الطريقة التي اتبعت في تصنيع هذا الجزء؟
10. ما هي الخاصية التي تغيرت في هذه المادة بعد الاستعمال ؟
11. ما نوع الانهيار الحادث ؟
12. ودراسة سطح الجزء المكسور لابد أن يعطي الإجابة على الأسئلة التالية :
13. هل شكل الكسر يدل على أنه من نوع الكسر المطيلي أو الكسر القصيف أو هو خليط من النوعين ؟
14. هل بداية الانهيار كانت من السطح الخارجي أو من خلال جسم المادة ؟
15. هل بداية الفشل كانت مركزة في نقطة واحدة أم أنها كانت موزعة في نقط مختلفة من سطح العينة ؟
16. هل بدأ الكسر منذ فترة طويلة أم أنه حديث النشأة أي كسر مفاجئ ؟
17. هل الكسر من النوع الذي يحدث على حدود الحبيبات أو من الكسور التي تمر داخل الحبيبات ؟
ولابد من أن نعي جيداً حقيقة هامة ( لا يمكن وصف الحل المناسب لمشكلة انهيار أية مادة ما لم تتوفر معلومات وبيانات كافية ووافية عن أداء هذا الجزء وكذلك عن كيفية حدوث الفشل
وهناك خطوات هامة متبعة – وإن كان في بعض الأحيان يمكن التنازل أو التغاضي عن أحدها أو يمكن إجراؤها بغير التنظيم الذي ستذكر به ، والسبيل الأفضل والمتبع في دراسة أسباب الفشل وتحليل النتائج يكون في الخطوات الأربعة التالية :
6-1 الملاحظات الأولية أو المبدئية
* يتم التمعن والفحص البصري للجزء المكسور أو المنهار ، ويحسن أن يتم ذلك حال حدوث الانهيار أو بأسرع وقت ممكن .
* يتم تصوير فوتوغرافي تفصيلي بأكبر عدد من الصور ومن مواضع مختلفة حتى تكون مستند يتم الرجوع إليه فيما بعد ذلك ولمناقشة النتائج في وجوده .
* بدون تفسير وتوضيح لنوع التغير في شكل المادة ومظهر الكسر أو أية دلالات أخرى من الكسر .
6-2 تجميع المعلومات والبيانات ووضع صورة كاملة لظروف العمل
1. نوع المادة والتركيب الكيميائي .
2. المواصفات أو الرسومات التركيبية أو التصميمية .
3. طرق تصنيع المادة والمعاملات الحرارية .
4. الإصلاحات والصيانة أو خدمات أخري .
5. ظروف العمل من أحمال ودرجات حرارة والظروف المحيطة .
6. أية متغيرات طرأت على المادة .
6-3 الفحص والاختبار المعملي
يفضل أن تكون الفحوص من نوع غير المتلف ( أشعة سيئية ، الاختبارات فوق السمعية ، التيارات الدوامية …… الخ ) إضافة إلى الطرق التقليدية المعروفة من صلادة ، وتحليل كيميائي ، والهدف من هذه الاختبارات التوصل إلى :
1. التأكد من أن التركيب الكيميائي مطابق وموافق للمواصفات .
2. قياس الأبعاد وبقية الخواص الميكانيكية للجزء الفاشل لمعرفة مدى مطبقتها للمواصفات .
3. فحص البنية الداخلية للمادة ميكروسكوبياً بالميكروسكوب الضوئي أو الميكروسكوب الماسح للتعرف على وجود عيوب بالقرب من الجزء المنهار أو تغيرات في البنية الداخلية .
4. الفحص باستخدام الميكروسكوب الإلكتروني للتعرف على التركيب الكيميائي لأي ترسبات داخلية .
وهنا نقدم بعض الاحتياطات المهمة عند دراسة أسباب فشل المادة وهي على الوجه الأتي :
1. يجب الحذر والعناية بطريقة مناولة الجزء المراد فحصه حتى لا يؤدي سوء المناولة إلى تدمير أو تغيير أية ظواهر في هذا الجزء
2. لابد من تسجيل كل ما يتعلق بهذه المادة من الأوجه المختلفة :
3. تاريخ المادة نفسها وكيفية تصنيعها
4. ظروف العمل التي عملت فيها ( درجة حرارة أجواء مختلفة ، الأحمال ).
5. تصوير العينة ككل قبل أية إجراءات أخرى مثل قطع عينة منها أو نمشها .
6. لكي تكون الدراسة واضحة ومبنية على أسس سليمة فلا بد من التعرف على موقع هذه النقطة في النظام ككل ، ولو أمكن الحصول على عينة أو عينات من الأجزاء المماثلة في العمل ولم يحدث لها انهيار فإن ذلك سيساعد على تفسير أوضح .
7. في بعض الأحيان تكون بعض الأحداث التي لم يتم تسجيلها والتي قد تكون السبب في انهيار المادة مثل الأحمال الزائدة ، صدمات ، اهتزازات غير متوقعة ، وكل ذلك يمكن أن يساعد أو أن يتسبب في الانهيار.
6– 4 تحديد نوع الانهيار واسبابه
ويتم ذلك من :
* دراسة جميع المعلومات التي تم التحصل عليها سواء من الفحص المبدئي والاختبارات المعملية ، ولا يجب إهمال أي شئ من البيانات ، سواء الموجبة أو السالبة منها .
* الإجابة عن الأسئلة التي سبق تقديمها .
* من خلال ذلك يمكن الوصول إلى نوع الانهيار والأسباب المؤدية له.
* ربما يحتاج الأمر في بعض الأحيان إلى معلومات أخرى مثل اختبارات تشبيهية ، وفي هذه الحالة لابد من تغيير الظروف لسرعة الحصول على المعلومات أو إذا أمكن فحص عينة قياسية من نفس المادة وذلك بغرض المقارنة .
منقول
الرئيسية
البوابة
التسجيل
دخول
