Bylo selhání materiálu příčinou potopení Titaniku?

Bylo selhání materiálu příčinou potopení Titaniku? Tomáš Harnoch, Michal Talík TS Plzeň a.s. Katedra materiálů Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská České vysoké učení technické v Praze 15. 12.2010, Praha, Česká Republika

Úvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení

Úvod Program: Přehled kondenzované teorie:

Praktická část:

Materiál a jeho struktura

Vyhledání materiálu v normě

Zkoušení materiálu

Pozorování mikrostruktury

Metalografie

Provedení Charpyho zkoušky

Význam lomové mechaniky

Prohlídka lomových ploch

Smysl fraktografické analýzy Jak to bylo s tím Titanikem?

Vyhodnocení: Vyhodnocení zkoušky Diskuze výsledků Publikace Příprava prezentace 2/43

Radek MichalMušálek Talík

Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Úvod Katedra materiálů, FJFI, ČVUT v Praze Hlavní disciplíny : Aplikovaná mechanika Počítačová mechanika Elastomechanika a teorie plasticity Lomová mechanika Fyzika kovů Fyzikální metalurgie Studium pevných látek v mikroobjemu Aplikovaná statistika Experimentální metody 3/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Úvod

Kovy

Organické látky

Keramika

Kompozity

Polymery

Nanomateriály 4/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Materiál a jeho struktura Látky amorfní (skla, pryskyřice, ...) Látky krystalické monokrystaly (minerály, výroba čipů, elektronika, ...) polykrystaly (konstrukční materiály, ...)

lokalita Naica, Mexiko Krystaly sádrovce, délka až 10 m, tloušťka až 2 m Radek MichalMušálek Talík

Fyztyd 2007

počítačový model polykrystalu 18. – 15.12.2010 19. června 2007

5/43


Materiál a jeho struktura - Ideální krystal – „každý bod má stejné a stejně orientované okolí“ - pouze myšlenkový model (každý krystal má alespoň stěny) - Poruchy v krystalech - 1D – bodové (vakance, intersticiály, substituce, ...) - 2D – plošné (dislokace, stěny krystalů, ...) - 3D – objemové (dutiny, póry, trhliny, vměstky, nečistoty, ...) vakance

substituční atom


intersticiál

intersticiál téhož druhu

hranová dislokace

šroubová dislokace 6/43

Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Materiál a jeho struktura William Hanry Bragg (1862 – 1942) William Lawrence Bragg (1890 – 1971) Nobelova cena za fyziku (1915) za studium struktur krystalů pomocí difrakce RTG záření Fyzikální analogie – bublinový model struktury krystalu (1947)

přístroj na výrobu bublinových vrstev

„dokonalá krystalová vrstva bublin“ 7/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007



„vakance“

„příměsový atom“

„hranice zrn“

„mikrostruktura - zrna“ 8/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007



„hranová dislokace“ 9/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007



počítačová vizualizace povrchu materiálu získaná pomocí mikroskopie atomové síly transmisní elektronová mikroskopie s atomárním rozlišením precipitace ve slitině Al–1.54 at.% Cu Radek MichalMušálek Talík

Fyztyd 2007

10/43

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Materiál a jeho struktura - Chemický prvek (např. Au, Fe) - Chemická látka – sloučenina (např. H20, NaCl, Al2O3, Fe2O3)

molekula vody

- Tuhý roztok – slitina (např. ocel, dural) Pd

H2

atom uhlíku H atom železa

rozpouštění uhlíku v železe

rozpouštění vodíku v palladiu 11/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Materiál a jeho struktura Fáze soubor všech oblastí látky ohraničených výrazným rozhraním, které mají všech svých částech stejné chemické složení a stejné fyzikální vlastnosti Fázové diagramy

kapalná voda led

pára

Fázový diagram vody

H20 + NaCl

Diagram Fe-C 12/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007



Mikrostruktura popisuje tvar a velikost zrn různých fází, jejich orientaci a zastoupení Materiály téhož složení mohou mít různou strukturu, tedy i různé vlastnosti Mikrostruktura materiálu je dána podmínkami a technologií výroby příklad: ocel je „chameleón“ – různé složení + strukturní složky = různé vlastnosti 13/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007

Úvod Materiál Modelování Zkoušení Metalografie LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení


Příklady technologií používaných při zpracování kovů - kování Radek MichalMušálek Talík

Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007

16/43


Materiál a jeho struktura Roztavený kov

Forma

Odlitek

Příklady technologií používaných při zpracování kovů – válcování a odlévání Radek MichalMušálek Talík

Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007

17/43



Příklady technologií používaných při zpracování kovů – sváření, obrábění Radek MichalMušálek Talík

Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007

18/43



19/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Metalografie

20/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Metalografie Optická mikroskopie:

Řádkovací elektronová mikroskopie:

21/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Zkoušení materiálů – Tahová zkouška σ = F / S0

ε = ∆L / L0

22/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Zkoušení materiálů – Tahová zkouška σ = F / S0

Jednoduchý příklad:

ε = ∆L / L0

mějme ocelový hřebík Mez kluzu: Rp0,2 = 250 MPa Mez pevnosti: Rm = 300 MPa Průměr d = 2 mm

Maximální jednoosé zatížení do trvalé deformace F = Rp0,2 S0 = Rp0,2 π r2 = 250 000 000 x 3,14 x 0,0012 = 785 N ~ 80 kg Maximální jednoosé zatížení do přetržení F = Rm S0 = Rm π r2 = 300 000 000 x 3.14 x 0,0012 = 942 N ~ 96 kg Ve skutečnosti je třeba uvažovat faktor bezpečnosti, příčinou je mnoho faktorů: rozptyl hodnot mech. vlastností, defekty, vruby, koroze … Radek MichalMušálek Talík

Fyztyd 2007

23/43

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Zkoušení materiálů – Charpyho zkouška Chování materiálu v konstrukci může být výrazně ovlivněno přítomností technologických prvků (vruby, svary, nýty...) či defektů struktury (nehomogenita, trhliny, ...). Klasická tahová zkouška je kvazistatická. Charpyho zkouška umožňuje zkoušení vzorků s vrubem při tzv. rázovém zatížení (vyšší rychlost deformace), což lépe odpovídá některým typů namáhání (např. crash-test, náraz ledovce, ...).

24/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Zkoušení materiálů – Charpyho zkouška

Přechodová teplota

Nárazová práce [J]

Přechodové chování – typické pro některé typy ocelí

Křehké chování

Houževnaté chování

Teplota [°C]

25/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Zkoušení materiálů – Charpyho zkouška Přechodová křivka vybraných vysokopevnostních ocelí -2

KCV [J.cm ]

120 100 80 60 40 KCV = a + b . tanh[c . (T - d)]

20 0 -200

-175

-150

-125

Docol 1200 M

-100

-75

MP 1200

-50

-25

0 25 Teplota [°C]

BTR 165 26/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Zkoušení materiálů – Charpyho zkouška

-190°C -155°C -145°C -100°C

-65°C

20°C

Změna v mechanismu porušování vede k rozdílnému vzhledu lomové plochy. 27/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Lomová mechanika U řady konstrukčních prvků není možno se zcela vyvarovat výskytu trhlin či jiných ostrých defektů – např. tlaková nádoba jaderného reaktoru, křídlo letounu,... Tyto defekty není možno postihnout pomocí klasické konstrukční filosofie. Např. trhlina je velmi účinným koncentrátorem napětí. V okolí jejího čela dochází k výrazným změnám pole napětí a deformací. Lomová mechanika se uplatňuje při výběru optimálního materiálu, dimenzování konstrukcí v nichž mohou být přítomny trhliny, posuzování bezpečnosti provozu různých zařízení, odhadu jejich životnosti, plánování harmonogramu prohlídek a oprav a pod. Příklady výskytu lomů: • Lomy při jednorázovém přetížení konstrukce • Únavové lomy při cyklickém namáhání • Lomy v důsledku přítomnosti defektů • Lomy v důsledku korozního napadení • Lomy v důsledku přechodového chování Radek MichalMušálek Talík

Fyztyd 2007

28/43

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Lomová mechanika a fraktografie

31/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Lomová mechanika a fraktografie

32/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Titanik

33/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Titanik Sesterské lodi: RMS Olympic – více než 500 plaveb mezi New Yorkem a Southamptonem. Během první světové války převážela vojáky z USA na evropské bojiště. Potopila útočící německou ponorku U-103. V roce 1919 přestavěna na dieselový pohon. 15. 5. 1934 potopila neútočící majákovou loď Nantucket. Sloužila do roku 1935. RMS Titanic – 15. 4. 1912 se potopila při panenské plavbě ve 2:20 ráno jižně od New Foundlandu. RMS Britannic – po zkáze Titaniku zesílena konstrukce, během první světové války přestavěna na nemocniční loď. Potopila se po střetu s minou 21. 11. 1916 v Egejském moři.

34/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Titanik Náklady: 7 500 000 USD Délka: 269,02 m Šířka: 28,25 m Váha: 46 328 tun Výtlak: 52 310 tun Kapacita: 2559 cestujících, 903 posádka Kapacita záchranných člunů: 1178 osob!!! Vodotěsných přepážek: 16 „s přelivem“!!!

Max. rychlost: 24 – 25 uzlů (44,4 až 46,3 km/h) Pohon: 2 čtyřválcové parní stroje, 1 nízkotlaká parní nereverzibilní turbína Výkon: 51 000 koňských sil (odhad) Kotlů: 29 Topenišť: 159 Spotřeba: 650 tun uhlí/den ručně přikládaných

35/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Titanik 14. 4. 1912 ve 23:40 po 4 dnech plavby ve 23:40 narazil do ledovce s hmotností 3 až 6-krát větší, než hmotnost samotné lodi. Za cca 10 vteřin rozpáral bok lodi v délce cca 100 m. Zatopeno bylo 6 ze 16 oddělení trupu. Během potápění přídě došlo k přelévání vody do nepoškozených oddílů trupu a k selhání nýtů. Celková plocha trhlin byla pouze 1,171 m2 (odhad). Za 2 hodiny 40 minut se nepotopitelná loď potopila. Teplota vody: cca -2 °C. Počet mrtvých: 1513.

36/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Titanik Vrak objeven 1. 9. 1985 v hloubce 3700 m. Trup se rozpadl na dvě části. Obě části objeveny ve vzdálenosti 600 m od sebe. Mezi nimi pole trosek (kusy trupu, vytržené nýty, příbory, porcelán, vybavení kabin…) Vrstva bahna až 10 metrů - není možné vidět trhliny. Dochovaly se pouze trvanlivé kovové a keramické předměty,výjimečně organické materiály (boty, kufry, vaky na poštu…)

37/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Titanik Z trosek Titaniku byly vyzvednuty vzorky oceli. C

Mn

P

S

Si

Cu

O

N

Mn:S

Titanik

0,21

0,47

0,045

0,069

0,017

0,024

0,013

0,0035

6,8:1

ASTM A36

0,20

0,55

0,012

0,037

0,007

0,01

0,079

0,0032

14,9:1

Srovnání chemického složení (v hm. %) oceli plátování z Titaniku a modernější oceli.

Metalografie oceli z Titaniku: zrna feritu a kolonie perlitu, částice MnS, patrné uspořádání zrn díky válcování

38/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Titanik Pláty oceli z Titaniku: Původní tloušťka 1,875 cm resp. 1,25 cm Koroze v mořské vodě – zmenšení tloušťky Tahová zkouška: průměr tyče 0,625 cm měřená délka: 2,5 cm

Ocel odebraná z vraku Titaniku Mez kluzu

193,1 MPa

Mez pevnosti

417,1 MPa

Poměrné prodloužení

29 %

Příčná kontrakce průřezu

57,1 %

39/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Titanik Charpyho zkouška: Vrubová houževnatost vzorků odebraných z Titaniku závisela na orientaci vůči směru válcování plechu. U podélně orientovaných vzorků (L) byla výrazně vyšší, než u příčně orientovaných (T). U všech zkoušených souborů bylo pozorováno přechodové chování. Přechodová teplota oceli z Titaniku byla 32°C (L) resp. 56°C (T). Modernější typ oceli A36 měl přechodovou teplotu – 27 °C. Je zřejmé, že v Titaniku použitý typ oceli nebyl vhodný pro provoz za snížených teplot (v okamžiku srážky byla teplota okolní vody cca -2 °C). Naměřenému poklesu vrubové houževnatosti odpovídala změna vzhledu lomových ploch zkoušených vzorků.

Směr válcování

40/43

Michal Talík

15.12.2010


Titanik Závěr: Konstrukce trupu neodolala nárazu vinou zkřehnutí materiálu plátování. Tento typ lomu ocelí s přechodovým chováním je typický pokud je dostatečně nízká teplota, vysoká rychlost deformace a v oceli je velký obsah příměsí snižujících vrubovou houževnatost. Všechny tyto tři předpoklady byly v případě potopení Titaniku splněny. Během nárazu patrně došlo jak k šíření trhlin v plátování, tak k selhání nýtů, čímž došlo ke zvětšení trhlin v plášti. Počet obětí mohl být menší, pokud by nedošlo k odstranění druhé řady záchranných člunů kvůli estetičtějšímu vzhledu lodi. Přes poměrně pokročilou technologii stavby lodi byl použit nevhodný materiál pro její stavbu.

41/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Titanik Důsledky katastrofy: Vládami USA a Británie byla přijata závazná bezpečnostní opatření, aby se do budoucna zabránilo podobné katastrofě. Došlo k úpravám konstrukcí některých v té době stavěných či již provozovaných lodí (byly zvýšeny přepážky mezi vodotěsnými odděleními, zesílena konstrukce, zdvojen plášť, ...). Byla přijata opatření v pravidlech námořního provozu (zvýšení kapacity záchranných člunů tak, aby odpovídal počtu lidí na palubě; zvýšení počtu jeřábů na spouštění záchranných člunů; vybavení záchranných člunů vesly, kompasem, signálními prostředky či jídlem a vodou; povinnost vybavení bezdrátovým spojením, u velkých lodí povinnost motorového pohonu u alespoň dvou záchranných člunů; …).

42/43


Fyztyd 2007

18. – 15.12.2010 19. června 2007


Odkazy Fyzikální týden na Jaderce – www. fyztyd.fjfi.cvut.cz

www.google.com www.matter.org.uk www.tescan.org www.steeluniversity.com http://www.encyclopedia-titanica.org/ http://www.gmh.de/englisch/s868.html http://www.gmh.de/englisch/s871.html http://www.titanicworld.cz/ http://www.writing.eng.vt.edu/uer/bassett.html http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/9801/Felkins-9801.html Feynman et al.: Feynmanovy přednášky z fyziky, Fragment 2001. 43/43

Michal Talík

15.12.2010

Bylo selhání materiálu příčinou potopení Titaniku?

Recommend Documents