היי-טק מכניקה | בחירת חומרים וכישלונות חומרים | עיבוד שבבי
בחירת חומרים וכישלונות חומרים

משחר ההיסטוריה ועד לימינו מהווה תחום החומרים נדבך מרכזי בפיתוח כלים, טכנולוגיות ומוצרים. הן בעיתות שלום והן בעיתות מלחמה. בשנים האחרונות קיימת התפתחות מואצת בתחום, היות ותעשיות רבות דורשות חשיבה מערכתית המדגישה את נחיצותם של מהנדסים בעלי ידע בתחום החומרים, כחלק אינטגראלי מצוות המהנדסים במפעל. הצלחת המוצר, החל משלב התכנון דרך רצפת הייצור ועד לתוצר המוגמר, חייבת להתבסס על תכונותיו של החומר בכדי להגיע לביצועים הטובים ביותר ובכדי למנוע כשלים עתידיים. תכונות החומר נשלטות על-ידי מבנה החומר וזה לכשעצמו נקבע בהתאם לבחירת חומרים נכונה ולתהליכי ייצור מתאימים.

קיים שוני בין "מדע החומרים" (Materials Science) ל"הנדסת חומרים" (Materials Engineering). מדע החומרים הינו תחום מדעי, העוסק ביחסי הגומלין בין מיקרו-המבנה לתכונותיו של החומר.
הנדסת חומרים הינו תחום הנדסי רחב יותר, העוסק בתכנון החומר במטרה להשיג את הביצועים האופטימליים ביותר. האחרון כולל את שלבי בחירת החומרים והתהליכים אשר ימקסמו את הביצועים בעזרת "הִניְדוּס" ושליטה על תכונות החומר.
תקופות היסטוריות נקראות בשמות החומרים המרכזיים שנבחרו לשימוש באותה התקופה. המעבר מתקופת האבן לתקופת הנחושת, מציין אבן דרך בתולדות האדם ומפריד בין תקופות פרה-היסטוריות לתקופות היסטוריות. תקופת הנחושת נמשכה זמן קצר היות והשלב הבא היה סגסוג עם בדיל ליצירת ברונזה. מדוע האדם עבר מהאבן לנחושת, אם הרי הנחושת חלשה יותר מהאבן, נגישה הרבה פחות והפקתה דורשת עמל רב? הסיבה לכך היא שבבחירת חומרים צריך להסתכל על מכלול התכונות ולא רק על תכונות החוזק.
בכדי לנצח במלחמה לא מספיק שתהיה לך את החרב החזקה ביותר, אלא חשוב גם שהחרב לא תיכשל במנגנון של התקדמות סדקים. גודלם של החוזק והדפורמציה האלסטית לא נקבעים רק לפי הערכים הללו בנקודת הכניעה, אלא גם לפי מגבלת חסינות השבר של החומר. תכונת החסינות מקבלת לאחרונה חשיבות ניכרת עם פיתוחו של מדע מכניקת השבר וקריטריוני תכנון מתקדמים (damage tolerance), אך מסתבר שכבר בעבר חרשי הברזל ייחסו לכך חשיבות. זו הסיבה שכמעט כל החרבות העתיקות בתקופת הברזל היו עשויות מחומרים מרוכבים או ממבנים מרוכבים. המבנים הללו משפרים את החסינות לשבר ומקנים חוזק ודפורמציה אלסטית מרבית.
 
בחירת חומרים כיום איננה דבר פשוט. בשנות ה-50 של המאה הקודמת פותחה טכנולוגיית ההתכה בוואקום המאפשרת הוספת כל יסוד לסגסוגת ללא מגבלה. נחבר לכך את התפתחות טכנולוגיות הייצור ולפנינו מסר אפשרויות בלתי מוגבל. יתרה מכך, כיום אנחנו נמצאים בעידן גלובלי של שוק תחרותי. כלומר, בחירת חומרים חייבת להתבסס על שני אלמנטים: הביצועים הטובים ביותר והמחיר הזול ביותר. 

על מנת שהמוצר יצליח, צריך להראות שיש לו את הביצועים הטובים ביותר עם העלויות הזולות ביותר. הסיבה העיקרית שחומרי המבנה הנפוצים ביותר הינם הפלדות היא לא רק בביצועים. ישנם חומרים חזקים יותר, קשיחים יותר, ועמידים יותר בסביבות אגרסיביות (כמו טמפ' גבוהות, סביבות קורוזיביות וכו'), אבל היחס בין התכונה למחיר מעמיד את הפלדות בראש מדרג החומרים. 

 

* חומרים מרוכבים: ניתנים להגדרה כשילוב מקרוסקופי של שני חומרים שונים או יותר, אשר קיימת התאמה בשטח הפנים שלהם. מכיוון שחומרים מרוכבים משמשים בעיקר ליישומים הנדסיים או מבניים, ניתן לצמצם את ההגדרה לחומרים המכילים משריינים כמו סיבים או חלקיקים, הנתמכים על ידי חומר מאגד


 

תוכנות מחשב רבות, המבוססות על אלמנטים סופיים, נמצאות כיום בשימוש המהנדס המכאני. אולם, התוכנות הללו אינן יודעות לבחור את החומר. המהנדס הוא זה שמזין את סוג החומר שעליו מתבצעות האנליזות. יתר-על-כן, מרבית התוכנות יוצאות מתוך ההנחה שהחומרים הינם איזוטרופיים, אולם בפועל למעלה מ-80% מהחומרים הינם אנאיזוטרופיים או בלתי-הומוגניים. חומר שעבר עיבוד פלסטי הינו אנאיזוטרופי, כמו שחומר לאחר תהליך יציקה הוא אינו הומוגני בתכונותיו. בפלדות שעברו טיפולים תרמיים להקשייה, כמו חיסום והרפייה, קיים פילוג קושיות בלתי-אחיד בין פני השטח לליבה, הנקבע בהתאם לקצבי הקירור השונים של כל נקודה בחתך החומר. יתרה מכך, כיום נכנסים לשירות יותר ויותר חומרים היברידיים, דהיינו, חומרים מרוכבים ומבנים מרוכבים. האחרון כולל בתוכו גם את החומרים המוקצפים, השכבתיים, חלות הדבש, הסריגים ועוד. המסקנה היא שבחירת חומרים היא מדע הנדסי בפני עצמו הדורש מחשבה מעמיקה בצפונותיו של החומר.

* איזוטרופיות היא אי תלות בכיוון ואנאיזוטרופיות היא תלות בכיוון.

ניתן לפשט את תהליך בחירת החומר לפי תהליך סכמתי פשוט: 
א) איסוף פרטים על תנאי השירות והגדרת הדרישות מהמוצר, 
ב) המרת הדרישות לתכונות החומר, 
ג) אופטימיזציה לפי חשיבות התכונות, 
ד) השוואה בין חומרים שונים, דיון ובחירת החומר. 
 

 

אבל הדבר מורכב עוד יותר: כאמור, תהליכי הייצור הם אלה שיקבעו את תכונות החומר, כמו-גם שהחומר קובע את תהליכי הייצור. לא כל חומר אפשר לצקת וכאשר כבר בחרנו חומר ליציקה אזי סוג היציקה תקבע את התכונות. למשל, תכונות האלומיניום ביציקות חול אינן דומות לאלו שביציקת לחץ, כמו שתכונות האלומיניום שיוצר באקסטרוזיה שונות לחלוטין מאלו של אותו הנתך באם יוצר בתהליך עירגול בטמפ' החדר. נסבך עוד יותר את המצב: תכונות האלומיניום אף משתנות בתוך אותו תהליך שנבחר, למשל, דרגת העיבוד הפלסטי בערגול תשפיע על החוזק, המשיכות, החסינות ועוד, וקצב ההתמצקות בתהליך היציקה (פינוי החום דרך הדפוס) ישפיע אף הוא על אותן התכונות אך בחוקיות שונה. בתיכון המכני צריך לקחת בחשבון בכל שלב את בחירת החומר והתהליך, משלב הרעיון דרך שלב הגילום ועד לשלב היישום. 

* אקסטרוזיה (בעברית: שיחול) היא סוג של עיצוב בו חומר בסיסי, לרוב מטיל מתכת באורך וחתך מסוימים, מאולץ, באמצעות דחיסה או ערגול, לעבור דרך גוף בעל שטח חתך קטן יותר. בדרך זו מתקבל שטח חתך חדש.

* ערגול הוא תהליך עיבוד של חומרים. בתהליך זה מעבירים את חומר, לרוב מתכת, דרך זוג (או  כמה זוגות) גלילים. התוצר הסופי של התהליך הוא יריעה או לוחית דקה מעובי החומר במקור
 

התיכון הוא כמו מידרג: מתחילים במספר גדול של תהליכים וחומרים ובכל שלב של התקדמות מצמצמים את המועמדים לבחירה. כמובן, נחוץ ידע רב בהכרת תכונות החומר וביציבות התכונות הללו במרחב ובזמן (למשל, התעייפות, זחילה, קורוזיית מאמצים). כמו כן, דרושה היכרות מעמיקה עם קבוצות החומרים השונות. מסתבר שהתרשים שתארנו לעיל אינו יעיל כל כך. 

* תיכוּן הוא תהליך הנדסי לפיתוח מוצר. תהליך התיכון והפיתוח של מוצר כולל סדרת צעדים
 
כיצד מתבצעת האופטימיזציה, הדירוג והסינון? וכיצד מתבצעת ההשוואה בין החומרים וההחלטה במי לבחור? הרי כיום ישנם למעלה ממיליון חומרים מבניים הנדסיים ועוד מספר אין-סופי של אפשרויות פוטנציאליות ביצירת הרכבים חדשים. ואכן, התדיינו הרבה בסוגיה הזו בעשרים השנים האחרונות. כיום מרבית ספרי הלימוד בחומרים מייחסים את פרק בחירת החומרים לשיטה אשר פותחה באוני' קמברידג' בידי פרופ' אשבי (Ashby) וצוותו. השיטה הזו נבנתה במיוחד למהנדס המכאני ומבוססת על מציאת "אינדקסי החומרים". האינדקסים הללו מחולצים מתוך משוואת פונקציית הביצועים אשר נבנית בהתאם לתכן המכאני. כלומר, כל בעיה מכאנית הנדסית ניתן להמיר לתוך פונקציה מתמטית שנקראת פונקציית הביצועים. הפונקציה הזו כוללת בתוכה את האילוצים, המטרות והמשתנים החופשיים של הבעיה, כאשר ניתן לסדר אותה באופן כזה שתכלול ביטויים עבור פרמטרים תפקודיים, פרמטרים גיאומטריים ופרמטרי החומר.
 
השלב הבא הוא להגדיר פונקציית מטרה שאליה אנחנו רוצים לחתור (למשל, מינימום מחיר, מינימום מסה וכו') וביצוע אופטימיזציה. אינדקס החומרים הוא ביטוי המכיל בתוכו אך ורק את תכונות החומר ומיקסומו ממקסם את הביצועים. כלומר, החומר בעל האינדקס הגבוה ביותר ייתן את הביצועים הטובים ביותר. 
 
השלב הבא הוא להשתמש במפות תכונות החומר שנבנו לצורך שיטה זו. האינדקס משורטט על גבי מפות ועוזר לנו בביצוע ההשוואה, הדירוג והסינון בין מספר רב של מועמדים. כיום ישנם בספרות אינדקסים מובנים הניתנים כפתרונות הנדסיים ליישומים נפוצים וכן מפות רבות של תכונות החומר. כמו כן, קיימת תוכנת מחשב אשר פותחה בקמברידג' לצורך השיטה.
 

בכל-אופן, בחירת חומרים חייבת להסתמך גם על תיעוד, כלומר נתונים ספרותיים ומסקנות מכישלונות קודמים. האחרון נקרא "חקר הכשל". תחום חקר כישלונות עוסק בקשר שבין הכשל המבני של חומרים לבין תהליכי הייצור והמקרו-מבנה הפנימי של החומר. חסינות לשבר נותנת אינדיקציה לגבי עמידות החומר לשבר. ככלל, חומרים קשיחים ובעלי משיכוּת נמוכה (חומרים פריכים) יהיו בעלי חסינות נמוכה לשבר. זכוכית היא חומר פריך אידיאלי, כלומר חומר בעל מאפיינים מובהקים של פריכות. לעומתה, גומי הוא חומר משיך אידיאלי. אולם, ההתנהגות המכנית של רוב החומרים אינה אידיאלית.


 

התחום העוסק בכשל חומרים בעקבות התקדמות סדקים קרוי מכניקת השבר. תחום זה בוחן באילו נסיבות ימשיכו סדקים להתקדם ולגרום לשבר, ובאיזה אופן ניתן לעצור ולמנוע התקדמות סדקים. כולנו מכירים סדקים מחיי היום-יום: סדקים באדמה שהתייבשה, כוס שנשברה, קיר שנסדק, שמשת מכונית שנסדקה בתאונה. במכניקת השבר נעזרים בשיטות ניסיוניות, בכלים מתמטיים ובסימולציות מחשב, על מנת לחזות את התקדמותם של סדקים. באמצעות חישוב המאמצים והתזוזות בקרבת הסדק, אפשר לצפות כיצד יתקדם סדק במבנה שפועלים עליו מאמצים, ולקבוע מהם התנאים שבהם יתרחש כישלון במבנה. 


 

תחום מכניקת השבר נולד בעקבות טביעתן של אוניות המטען האמריקניות הליברטי במהלך מלחמת העולם ה-II. בחלקן של אוניות הליברטי נתגלו סדקים כה חמורים עד כי היה צורך להוציאן מכלל שירות. אניות אלו נבנו בארצות-הברית בין השנים 1945-1941, תוך שימוש בטכנולוגיית ריתוך (בשיטת "הסרט הנע") שהייתה אז בתחילת דרכה, והרתכים שביצעו את העבודה לא היו אנשי מקצוע מנוסים. במהלך המלחמה נבנו למעלה מ-2,700 ספינות, מתוכן ניזוקו באופן חמור בתקופת המלחמה למעלה מ-1,500 ספינות. האסונות שקרו לרבות מספינות הליברטי התרחשו בים הצפוני, באזורים שבהם הטמפרטורות נמוכות מאוד, ולא הייתה כל התראה לגבי הכישלון הצפוי. אופיים של הכישלונות היה סדקים פריכים בפלדה. כשל אוניות הליברטי העלה מחדש את השאלה מדוע טבעה הטיטאניק.


 

סיפור טביעתה של הטיטאניק לא נשכח מאז טביעתה בשנת 1912, בין היתר משום שבעת בנייתה נחשבה לשיא טכנולוגי, ומתכנניה העידו עליה שהיא חסינת טביעה. באפריל 1912, שלושה ימים בלבד לאחר שיצאה להפלגת הבכורה שלה, התנגשה אניית הפאר טיטאניק בקרחון בים הצפוני. שעתיים וארבעים דקות לאחר שנפגעה, שקעה הטיטאניק אל מצולות הים, וכ-1,500 מנוסעיה טבעו. מספרם הגדול של הנספים הפך את האירוע לאסון הכבד ביותר שידעה התחבורה הימית. כדי למצוא את שרידי הטיטאניק במצולות נדרשו 73 שנות המתנה (עד שנת 1985), ולשם כך נדרשו מיטב הישגי הטכנולוגיה. מניתוח אסון הטיטאניק עולה כי בטמפרטורות נמוכות התרחש בחומרים מַעבר משיך-פריך, שגרם להתקדמות סדקים ולכשל קטלני. בשנים האחרונות התקבלה המסקנה, כי תכולה גבוהה של גפרית וזרחן בפלדה היא האחראית להפיכת החומר לפריך בטמפרטורות נמוכות. כמו כן התברר כי טביעתה של האוניה קשורה לעובדה כי חלק מהמסמרות שמהן נבנתה הספינה יוצרו בשיטות מסורתיות מברזל שהכיל בתוכו שאריות של חומרים פריכם שנשארו בחומר מתהליך ההפקה.

השאלה האם אסון דומה לאסון הטיטאניק יכול להתרחש כיום היא שאלה מורכבת ומעניינת. היום ישנם אמצעי ניווט וקשר מתקדמים, כך שאפשר להבחין בקרחונים ממרחקים גדולים ולמנוע התנגשות. אילו בכל זאת הייתה מתרחשת כיום התנגשות שכזאת, סביר להניח שהנזק היה מועט יותר, משום שתכנון ספינות נעשה כיום ביתר קפידה, תוך שימוש בכלי תוכנה הנדסיים, בתקנים מחמירים, וחומרים מתקדמים. כמו כן אנו מבינים בצורה הרבה יותר מעמיקה את הקשר בין מבנה החומר והרכבו, לבין תכונותיו והסיכוי שלו לכשל.


 

הפלדות שבהן אנו משתמשים כיום הן משיכות בהרבה בהשוואה לפלדה שממנה נבנתה הטיטאניק, והמעבר משיך-פריך שלהן מתרחש בטמפרטורות נמוכות בהרבה, מה שמקטין את הסיכוי לכשל פתאומי. אולם למרות זאת גם כיום מתרחשים כשלים בחומרים, וככל שהטכנולוגיות מתקדמות יותר כך יש יותר מקום לבחירת חומרים חכמים ומתקדמים, ולביצוע בדיקות חומרים מחמירות יותר. 


 

מה צופן לנו העתיד? בשנת 1981 פותח במעבדות IBM מיקרוסקופ המינהור האטומי (פרס נובל לפיזקה ב- 1986) המאפשר לראשונה לראות אטומים. מעט לאחר מכן פותחו טכנולוגיות נוספות המאפשרות להזיז אטומים. הטכנולוגיה הזו מכניסה אותנו לעידן חדש- עידן הננוטכנולוגיה ובעקבותיו ה"ננו-חומרים". בקרוב יהיה אפשרי לבנות מכונות אלקטרו- מכניות זעירות (NEMS), בסקלות אטומיות, המורכבות ממולקולות ומניעות את עצמן באמצעות הכוחות הבין-מלקולריים.

​מבחינת בחירת החומרים, נוכל ליצור איזו תכונה שנחפוץ ומאיזה אטומים שנרצה. למעשה, בעידן ה"ננו"- 'השמים הם הגבול'- מדע החומרים יצבור תאוצה ויהפוך לתחום מדעי משפיע ביותר על התעשייה כולה.

 


 

מאמר זה נכתב בעקבות ההרצאות שנתנו בערב העיון שהתקיים בנובמבר 2010 בבית המהנדס מטעם הענף להנדסת חומרים באגודת מהנדסי המכונות בלשכת המהנדסים.
 


 
 
ניתן לשלוח שרטוטי עיבוד שבבי לתמחור ישירות לדוא"ל: info@hitechm.co.il

היי-טק מכניקה, מפעל עיבוד שבבי. רחב האומן 15, ירושלים. טל': 02-5455914 או 052-7507776 דוא"ל: info@hitechm.co.il
© 2016 כל הזכויות שמורות להיי-טק מכניקה