أولا: تعريف وتصنيف فشل المواد المعدنية
يشير فشل المواد المعدنية إلى عملية الاستخدام، بسبب مجموعة متنوعة من العوامل، مما يؤدي إلى عدم قدرة المواد المعدنية على الاستمرار في تلبية وظيفة التصميم أو متطلبات الأداء للدولة. قد يكون سبب هذا الفشل مجموعة متنوعة من الأسباب، مثل تدهور الخصائص الفيزيائية للمادة، والتآكل الكيميائي، والضرر الميكانيكي، وما إلى ذلك.
كسر:وفقًا لحجم تشوه المادة، يمكن تقسيم الكسر إلى كسر مطيل وكسر هش. سيكون للكسر المطيل عملية تشوه كبيرة قبل حدوث الكسر الهش الذي يميل إلى الحدوث فجأة، ولا يوجد مقدار واضح من التشوه، وبالتالي يتسبب في قوة تدميرية أكبر. تشمل الأنواع الشائعة من الكسر أيضًا كسر التعب وكسر الحمل الساكن، حيث يكون كسر التعب ناتجًا عن كسر المادة تحت عمليات دورة إجهاد مطولة، بينما يحدث كسر الحمل الساكن تحت الحمل الساكن.
التآكل والتلف:يحدث التآكل والتلف بسبب الصب في ظروف التشغيل عالية السرعة والاهتزاز والحمل الزائد وغيرها من ظروف التشغيل، حيث يؤدي العمل بين الأسطح الميكانيكية إلى احتكاك بعضها ببعض ويؤدي إلى تآكل المواد، ومن ثم فشل المواد. يمكن تقسيم التآكل إلى أنواع مختلفة مثل التآكل الكاشط، والتآكل اللاصق، والتآكل الناتج عن التعب، والتآكل التآكلي أو التآكل الناتج عن الحركة الدقيقة. في الآلات، يعد التآكل الكاشط أحد أكثر أشكال التآكل شيوعًا.
تآكل:التآكل هو تفاعل كيميائي أو كهروكيميائي يحدث عندما تتلامس مادة معدنية مع الوسط المحيط، مما يؤدي إلى انخفاض خصائص المادة أو تدميرها. يمكن تقسيم التآكل إلى تآكل كلي وتآكل موضعي، حيث يكون التآكل الموضعي أكثر شيوعًا، بما في ذلك تآكل الإجهاد وتآكل المسام والتآكل بين الحبيبات والعديد من الأنواع الأخرى.
إن فشل المواد المعدنية لن يقلل من فعالية المنتج فحسب، بل قد يشكل أيضًا تهديدًا لسلامة الأفراد. لذلك، فإن تحليل فشل المواد المعدنية له أهمية كبيرة، حيث يمكنه تحديد أسباب الفشل واقتراح حلول فعالة لتحسين جودة المنتجات وقدرتها التنافسية.
ثانياً: أسباب فشل المواد المعدنية
1. عيوب داخلية مادية
الانكماش والترهل
التعريف: الانكماش هو انكماش المعدن في عملية التكثيف بسبب انكماش الحجم في قلب السبيكة أو الصب مما يؤدي إلى تكوين ثقوب أنبوبية (أو متوهجة) أو متناثرة. يحدث الانكماش في ظروف التبريد السريع، على الرغم من تجنب ثقوب الانكماش الكبيرة، إلا أن المعدن السائل والمعدن الصلب بين الاختلاف في الحجم لا يزال يؤدي إلى العديد من ثقوب الانكماش الصغيرة الموزعة في المعدن.
التأثيرات: يقلل بشكل كبير من الخصائص الميكانيكية للمادة، وقد يصبح مصدرًا للتعب مما يؤدي إلى الكسر، ويؤثر على مقاومة المادة للتآكل.
الفصل العنصري
التعريف: ظاهرة التركيب الكيميائي غير المتساوي في المسبوكات، والتي تنقسم إلى فصل مجهري (مثل الفصل داخل البلورات) وفصل عياني (مثل فصل الكثافة).
التأثير: يؤدي إلى أداء غير متساوٍ للصب، وفي الحالات الخطيرة قد يسبب الخردة.
الإدماج
التعريف: مادة معدنية أو غير معدنية ذات واجهة واضحة مع المصفوفة. وفقًا للطبيعة، يمكن تقسيمها إلى شوائب معدنية وشوائب غير معدنية.
التأثير: التأثير على الخصائص الميكانيكية للمادة، وزيادة خطر التشققات.
فقاعات
تعريف: المعدن في الحالة المنصهرة قادر على إذابة عدد كبير من الغازات، وفي عملية التكثيف بسبب انخفاض الذوبان وإطلاق الغاز في المعدن الداخلي يتم تكوين فقاعات غازية.
التأثيرات: يقلل من المقطع العرضي الفعال للصب المعدني، ويقلل من قوة المادة وقد يؤدي إلى حدوث تشققات.
عيوب التصميم
التصميم الإنشائي غير المعقول: مثل وجود مناطق تركيز الإجهاد في الأجزاء الحاملة للحمل، والفشل في التصميم بشكل صحيح مما يؤدي إلى الفشل.
الاختيار غير السليم للمواد: اختيار المواد ليس وفقا للمعايير المناسبة، أو عدم الفهم الكافي لأداء المواد، مما يؤدي إلى عدم قدرة المواد على تلبية متطلبات الاستخدام.
عيوب المعالجة
عيوب المعالجة الحرارية
مثل: إخماد الشقوق، وتلطيف الشقوق.
التأثير: تقليل قوة وصلابة المادة، وزيادة خطر الكسر.
عيوب صب المعالجة الباردة
مثل: عيوب الطحن، عيوب القطع، عيوب التشكيل البارد.
التأثير: يؤثر على جودة السطح ودقة أبعاد المادة، ويقلل من الأداء العام للمادة.
عيوب في عملية الاستخدام
الإجهاد الزائد: تتعرض المادة لإجهاد خارجي مفرط أثناء عملية الاستخدام، مما يؤدي إلى تشوهها أو كسرها.
التآكل: تتعرض المواد للتآكل في الرطوبة ودرجات الحرارة المرتفعة والأحماض والقلويات وغيرها من البيئات القاسية، مما يؤدي إلى تدهور الأداء.
التعب: المادة تحت تأثير الحمل المتناوب، بعد فترة معينة من الكسر بسبب التعب.
العوامل البيئية
درجة الحرارة: قد تؤدي بيئة درجة الحرارة المرتفعة إلى أكسدة المواد وتليينها وتقليل قوتها وصلابتها.
الوسط: قد تؤدي بيئة الوسائط المحددة إلى تسريع عملية تآكل المادة.
الرطوبة: يمكن أن تتسبب الرطوبة الزائدة في الهواء في امتصاص المواد للماء، مما يؤدي إلى التورم والتشوه وحتى نمو العفن أو الفطريات. يمكن أن يكون هذا ضارًا بشكل خاص بالمكونات الإلكترونية، حيث يمكن أن تتسبب الرطوبة في حدوث ماس كهربائي وتلف دائم.
التعرض للأشعة فوق البنفسجية: يمكن أن يؤدي التعرض المطول للأشعة فوق البنفسجية من أشعة الشمس إلى تدهور العديد من المواد، مما يجعلها هشة وتفقد لونها وسلامتها البنيوية. وينطبق هذا بشكل خاص على البلاستيك والدهانات والمنسوجات.
التعرض للمواد الكيميائية: قد يؤدي التلامس مع المواد الكيميائية العدوانية إلى مجموعة متنوعة من التفاعلات، بما في ذلك الذوبان وتغير اللون والتحلل الكيميائي للمادة. وهذه مشكلة شائعة في البيئات الصناعية حيث قد تتلامس المواد مع الأحماض أو القواعد أو المذيبات أو غيرها من المواد التفاعلية.
