Failure analysis in materials science

Nguyên nhân hư hỏng vật liệu

Các bản tin tức trên truyền hình luôn tập trung đề cập đến các sự kiện mô tả thảm họa thảm khốc. Những thảm họa này có thể xảy ra ở bất cứ đâu, từ tai nạn máy bay, các tòa nhà sụp đổ và bất kỳ hỏng hóc nào khác dẫn đến thiệt hại về nhân mạng và tài sản. Nói chung, điều mà người xem không hiểu rõ là yếu tố nào gây ra những điều khủng khiếp này. Các nhà khoa học và kỹ sư vật liệu sử dụng một quá trình được gọi là phân tích thất bại (Failure Analysis) để giải đáp những bí ẩn này.

Hỏng hóc được định nghĩa là bất kỳ sự thay đổi nào về kích thước, hình dạng hoặc đặc tính vật liệu của cấu trúc, máy móc hoặc bộ phận máy móc. Hay nói cách khác, một bộ phận không thể thực hiện một cách thỏa đáng chức năng đã được thiết kế của nó.

Sự hư hỏng của hầu hết các vật liệu có thể được phân loại là do một trong bốn lý do cụ thể.

1) Thiết kế:

Thông thường, trong phân tích hư hỏng, người ta xác định rằng thiết kế kỹ thuật là yếu tố chính dẫn đến thảm họa. Đôi khi vật liệu bị biến đổi đến mức không còn phục vụ mục đích thiết kế ban đầu của nó. Vật liệu có thể chịu ứng suất quá cao hoặc cường độ ứng suất quá cao rất dễ bị biến dạng so với thiết kế “trên giấy”.

2) Sản xuất:

Cách các vật liệu nhất định được xử lý và ghép lại với nhau cũng có thể tạo ra các lỗi hay khuyết tật. Ví dụ, các Weld là một khu vực dễ gặp sự cố đối với kết cấu kim loại, cũng như các đường hàn hoặc kết dính trong nhựa đúc. Ứng suất dư cao có thể là kết quả của quá trình tạo hình, xử lý nhiệt, hàn và gia công kim loại.

Tương tự, ứng suất cao trong các bộ phận bằng nhựa đúc thường góp phần gây ra hỏng hóc. Độ ẩm và lỗ rỗng phổ biến đối với các vật đúc kim loại và các bộ phận đúc bằng nhựa. Chúng đóng vai trò như tác nhân gây căng thẳng và giảm khả năng chịu tải.

3) Hoạt động:

Suy thoái do môi trường là một trong những nguyên nhân gây hỏng hóc khi đang hoạt động (in service) quan trọng nhất đối với kim loại và nhựa. Một trong các yếu tố môi trường chính là quá trình oxy hóa kim loại, thường được gọi là gỉ và ăn mòn. Loại lỗi liên quan đến dịch vụ này gây ra nhiều vấn đề, đặc biệt là ở các thành phần có tuổi thọ hoạt động cao.

Dưới đây là một ví dụ về kim loại bị oxi hóa. Loại hư hỏng này là do quá trình oxy hóa làm suy yếu đáng kể các tính chất cơ học bình thường của vật liệu.

Các yếu tố khác bao gồm quá trình xói mòn/mài mòn quá mức, hư hỏng do va đập, quá tải và phóng điện. Các yếu tố môi trường rất phổ biến trong thảm họa tàu con thoi Challenger. Người ta phát hiện ra rằng thời tiết lạnh giá bất thường khiến một chi tiết vòng chữ o không thể nở ra theo các thông số kỹ thuật đã thiết kế. Điều này dẫn đến rò rỉ nhiên liệu lỏng, gây ra vụ nổ khiến cả 7 phi hành gia trên tàu vũ trụ thiệt mạng.

4) Vật liệu:

Các vấn đề khác liên quan đến sản xuất và vật liệu có thể dẫn đến hỏng hóc bao gồm; quá trình cơ nhiệt bất lợi trong thời gian dài, cấu trúc vi mô kém, khuyết tật vật liệu và nhiễm bẩn từ các hóa chất lạ.

Ba lý do để thực hiện phân tích nguyên nhân thất bại

Vậy khi một sản phẩm bị lỗi, ai là người chịu trách nhiệm? Nhà thiết kế? Nhà sản xuất? Nhân viên bán hàng? Người dùng? Thứ nhất là tại bugi? Đừng vội vàng – thất bại thường là điều không ai muốn cả.

Phân tích lỗi là một quá trình mà một sản phẩm không đạt được kiểm tra để xác định nguyên nhân gây ra lỗi. Có nhiều phương pháp khác nhau mà các nhà phân tích lỗi sử dụng – ví dụ như sơ đồ “xương cá” của Ishikawa, các chế độ và phân tích hiệu ứng lỗi (FMEA) hoặc phân tích cây lỗi (FTA). Các phương pháp khác nhau trong cách tiếp cận, nhưng tất cả đều tìm cách xác định nguyên nhân gốc rễ của thất bại bằng cách xem xét các đặc điểm và manh mối để lại.

Vì vậy, giả sử bạn có một sản phẩm bị lỗi. Tại sao phải trải qua tất cả những rắc rối khi thực hiện phân tích thất bại? Có 3 lợi ích chính như sau:

Xác định nguyên nhân gốc rễ của thất bại

Bằng cách kiểm tra chặt chẽ sản phẩm, bề mặt đứt gãy và môi trường của sản phẩm, một nhà phân tích hư hỏng có kinh nghiệm có thể thu thập bằng chứng và quan sát cần thiết để đưa ra kết luận về (các) nguyên nhân gốc của hư hỏng.

Trong trường hợp hệ thống cơ bị lỗi, nhà phân tích lỗi thường sử dụng phương pháp kiểm tra trực quan bằng mắt, thiết bị nội soi, bằng kính hiển vi và các thử nghiệm luyện kim khác nhau (ví dụ: phân tích hóa học, kiểm tra độ cứng và độ bền kéo), kiểm tra không phá hủy để thu thập bằng chứng. Nhà phân tích thậm chí có thể cố gắng tạo lại lỗi trong một môi trường được kiểm soát.

Ngăn ngừa các lỗi sản phẩm tương tự trong tương lai

Khi đã xác định được nguyên nhân gốc rễ gây ra lỗi của sản phẩm, có thể xây dựng một kế hoạch hành động khắc phục để ngăn chặn sự tái diễn của cùng một chế độ hỏng hóc. Dưới đây là một số nguyên nhân gốc rễ phổ biến và các hành động khắc phục tương ứng của chúng:

• Thiết kế gây ra hỏng hóc → Kiểm tra lại tải trọng đang sử dụng và ảnh hưởng môi trường, sửa đổi thiết kế phù hợp
• Lỗi sản xuất gây ra hỏng hóc → Xem xét lại các quy trình sản xuất (ví dụ: đúc, rèn, gia công, xử lý nhiệt, sơn phủ, lắp ráp) để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu thiết kế cũng như tăng cường các biện pháp kiểm tra không phá hủy.
• Nguyên liệu bị lỗi gây ra hỏng hóc → Thực hiện kế hoạch kiểm soát chất lượng nguyên liệu thô
• Sử dụng sai hoặc lạm dụng gây ra hỏng hóc → Hướng dẫn người dùng cách lắp đặt, sử dụng, chăm sóc và bảo trì sản phẩm đúng cách
• Sản phẩm đã vượt quá thời hạn sử dụng → Hướng dẫn người dùng trong khoảng thời gian đại tu / thay thế phù hợp

Cải thiện các sản phẩm trong tương lai

Hiểu được nguyên nhân khiến một sản phẩm bị lỗi có thể cho phép cải thiện các phiên bản thế hệ tiếp theo của sản phẩm hoặc các sản phẩm khác. Khi thực hiện phân tích lỗi trên một sản phẩm, thường chúng ta tìm hiểu điều gì đó về quy trình thiết kế, quy trình sản xuất, đặc tính vật liệu hoặc điều kiện dịch vụ thực tế. Cái nhìn sâu sắc có giá trị này có thể cho phép chúng ta thấy trước và tránh những vấn đề tiềm ẩn trước khi chúng xảy ra trong tương lai.

“Một chuyên gia là người đã mắc tất cả những sai lầm có thể mắc phải trong một lĩnh vực rất hẹp.”

Niels Bohr (1885-1962)

Dịch vụ phân tích hư hỏng vật liệu

Phân tích hư hỏng vật liệu là một khía cạnh quan trọng của quá trình phát triển sản phẩm và cải tiến hệ thống, không chỉ giúp chúng ta học hỏi từ quá khứ mà còn giúp ngăn ngừa các lỗi trong tương lai.

Phân tích nguyên nhân lỗi hay nguyên nhân thất bại là một phương pháp tiếp cận tổng thể, nhiều khía cạnh để xác định cách thức và lý do tại sao một nguyên liệu hoặc sản phẩm không còn hoạt động tốt. Giai đoạn ban đầu của bất kỳ cuộc điều tra nào bao gồm giai đoạn tìm hiểu sâu về các tình huống xung quanh sự cố và bất kỳ thông tin cơ bản nào có liên quan, bao gồm các yếu tố môi trường, loại ứng dụng, tuổi thọ sử dụng và thông tin thiết kế phù hợp hợp. Các đơn vị phân tích thường áp dụng nhiều phương pháp và công cụ phân tích khác nhau để kiểm tra thành phần đã bị hư hỏng.

Làm việc để ngăn chặn hư hỏng vật liệu trong tương lai

Trong khi xác định nguyên nhân gốc rễ và trách nhiệm liên quan của bất kỳ lỗi nào là mục tiêu chính, việc nghiên cứu ngăn ngừa các lỗi và sự cố xảy ra trong tương lai là giá trị gia tăng cho hoạt động này. Dựa trên những phát hiện từ quá trình phân tích lỗi, các chuyên gia đưa ra các khuyến nghị và hợp tác chặt chẽ với khách hàng để tìm ra giải pháp cho các vấn đề cho nhiều loại sản phẩm và vật liệu khác nhau. Sự kết hợp giữa kiến ​​thức chuyên môn về vật liệu và kiến ​​thức về tác động của môi trường dịch vụ đối với vật liệu hoặc sản phẩm cho phép cung cấp nhanh chóng kết quả toàn diện để xác định các giải pháp và tránh các lỗi trong tương lai.

Phân tích chi tiết lỗi và phân tích hư hỏng vật liệu

Các chuyên gia trong ngành công nghiệp thường là những người đáng tin cậy nhất trong lĩnh vực đó, bao gồm đơn vị sản xuất, trung gian thương mại, người tiêu dùng, công ty bảo hiểm. Họ có nhiều thập kỷ kinh nghiệm thực hành trong việc thực hiện phân tích lỗi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả Hàng không vũ trụ ,Năng lượng ,Giao thông vận tải , Xây dựng, Thiết bị Y tế và Sản phẩm Tiêu dùng.

Các vật liệu có thể phân tích hư hỏng điển hình

Các dịch vụ phân tích hư hỏng điển hình

• Phân tích thành phần hóa học (XRF)
• Phân tích dư lượng vật liệu ngoại lai.
• Phân tích pha vật liệu tìm nguyên nhân ăn mòn (XRD)
• Corrosion Rating and Corrosion mapping
• Kiểm tra cấu trúc tế vi vật liệu với kính hiển vi điện tử
• Kiểm tra tiêu bản luyện kim vật liệu
• Phân tích cơ nhiệt (DSC, TMA, DMA, TGA)
• Kiểm tra lực tác động, kiểm tra phá hủy
• Non-destructive testing.
• Kiểm tra mỏi và nứt mỏi.
• Cơ học đứt gãy (Fractography)