SSL 189
J. J. W. Nibbering Rijksuniversiteit Gent en Technische Hogeschoc! Detti
I
I
Breuken in schepen
uit
42e jaargang, nr. lO, 1974, Cat, nr. 327
uuL
J. J. W; Nibbering Rijksuniversitelt Gent en Technische Hogeschool Deilt
TJL ,,Men kan hot !jzer broken, als hat koud is".
ï?eukén
'
cpen'dìé tijdens de Tweede
'îldoorlog gobouwd zijn, brahten in die tIJd een
omvangrljk onderzoek op gang naar de oorzaken van dit mystQrieuze verschijnsel. Al gauw bleek dat de overgang van' klinken naar lassen in de scheepsbouw niet zondor scheepsscheu ron wa verlopen. Men heeft hot probleom toen pnel onder controle gekregen, alhoewel de optossing nog jaren op zich heeft (atén wachten. Bij de foto: De plotselinge en lulcIruolItigO DreUkifi hat s.s. Schenectady, liggend san de kade op lo januarl 1943, vormdß In fehe hei startseln voor een omvangrl$ke bpstudering vanhet brosse-breUk-probleem In de scheepabouw. V
2
::
I.
Breuken zijn interessante verschijnselen. In het dagelijks leven heeft men daar niet zo veel oog voor omdat breuken vaak ongewenst zijn. Wanneer glas springt, een sleepkabei breekt of een schoenveter bezwijkt, berokkent dat ergernis. Toch zijn er ook breuken die doelbewust veroorzaakt Worden en zeifs voldoening geven, zoals bet kioven van diamant, het doorbijten
van pepermunt, het hakken van hout en het knippen van papier. In al die gevallen wordt de breuk of scheur veroorzaakt door óverbelasten van het materiaal. Dit kan in de hand gewerkt zijn door slijtage en corrosie. De breuken zijn als het ware 'verklaarbaar'. Er ontstaat pas onbehagen, wanneer construeties bezWijken, waarvan men dat in het geheel niet verwachtte. Een beroemd voorbeeld is de zgn. Vierendeelbrug over bet Albertkanaal in Hasselt, dié bezweek één jaar nadat hij in gebruik genomen was. Dit gebeurde in 1938. De
brug was bijzonder goed ontworpen en zorgvuldig gebouwd. Het was een van de eerste staten bruggen in Europa, die niet gekionken maar
gelast waren. Het ongeluk gebeurde bij koud weer toen de brug slechts licht belast was. Andere bruggen van hetzelfde type hadden zieh tot dan toe uitstekend gehouden. Naarmate de tijd voortschreed, verdWeen de aanvankelijke grote bezorgdheid. Blijkbaar was de gebeurtenis toch een uitzondering en, zoals dit zo vaak gebeurt bu rampen, een gevolg van het toevailige samengaan van een aantal ongun-
stige omstandigheden en factoren. Maar deze keer was men toch te optimistisch want gedurende de koude januarimaand van 1940 ontwikkelden zieh grote scheuren in twee andere Vierendeeibruggen. Het mysterieuze karakter van de zgn. brosse breuken kwam bij een van deze bruggen extra tot uiting toen enige uren ná het ontstaan van de scheuren een locomotief over de brug reed zonder dat dezebezweek. Door deze gebeurtenissen was het vertrouwen in het lassen als verbindingstechniek voor stalen constructies ernstig geschokt. Het heeft ertoe geleid dat in België een sterke voorkeur ontstond voor betonconstructies boyen staal. Dit is tot op de huidige dag nog het geval. Niet lang na deze plaatselijke en toentertijd door de oorlog niet erg bekend geworden bruggenkwaal ontstond er een ware epidemie van breuken in schepen. De slachtoffers Waren voor-
al de zgn. Liberties en T2-tankers die tijdens de oorlog in de VS in serie werden gebouwd. De massafabricage van deze schepen was mogelijk gemaakt door te lassen in plaats van te 4
klinken, wat een flinke tijdwinst gaf. Nog belangrijker was dat lassen weinig lichamelijke kracht vergt en veci plezieriger is dan klinken. Daardoor konden ook vrouwen tijdens de oorlog op de Amerikaanse scheepswerven worden ingezet.
Toen de eerste scheuren en breuken in de Liberties ontstonden, schreef men die toe aan de oorlogssituatie. Veci schepen werden dieper geladen dan normaal en moesten vaak op volle kracht in siecht weer in konvooi varen. Op het eind van 1942 waren van de 500 in de vaart zijnde Liberty-schepen er tien ernstig gescheurd of gebroken. Het eerder gebruikte woord epidemie moet dus niet te letteriijk worden genomen. Op 10 januari 1943 werd de scheepsbouwwe-
reid opgeschrikt door een raadselachtige gebeurtenis. Een T2-tanker die nog nooit op zee geweest was en rustig aan de kade lag, brak in tweeën (zie pag. 4/5). De knal was tot op enkele kilometers ver te horen en was het startschot voor onderzoekingen van een omvang zoals voordien nog niet vertoond was. Tientallen
miljoenen dollars werden besteed aan de bestudering van bet brosse-breuk-probieem. Men heeft bet verschijnsei daardoor binnen één à twee jaar redeiijk onder controle kunnen krijgen. Eén ding stond ais een paal boyen water: het lassen moest de bron van aile eilende zijn omdat in gekionken schepen maar zelden breuken voorkwamen. Een leek ziet waarschijnlijk alteen maar voor-
delen van het iàssen in vergelijking met klinken. Immers in een gelast schip heeft men geen
eindeloze rijen gaten die de constructie verzwakken en de waterdichtheid bedreigen. Een las is echter minder hornogeen dan bu eruit ziet. Hij is wel waterdicht, maar kan toch vele defecten herbergen, zoals koud- en warm(stollings)scheuren, onvoliedige dooriassingen, aanhechtingsfouten en gas- en slakinsluitingen.
Scheurtjes ontstaan buy, door lassen bu koud en vochtig weer wanneer vecI waterstof in de las kan worden opgenomen, De lassers waren zieh hiervan nauweiijks bewust. Zu moesten trouwens wet doorwerken bu slecht weer, orndat de produktie niet mocht stagneren. Het siechte Amerikaanse laswerk was mede een gevolg van de siechte iasbaarheid van bet gebruikte scheepsstaal. Het bevatte te veci kool-
stof: 0,24% in plaats van de 0,18% die in Europa min of meer gebruikelijk was. Veci scheurtjes ontstonden tijdens en vooral ná het lassen in de aan de tas grenzende overgangszone. Later is ingezien dat het materiaal juist
Detail breukvlak
Gal Vermoelingsscheurtje Splljtbreukje Schult breuk Fig.
1.
In deze pleat is eerst metaalmoe-
held opgelreden. Na de daardoor ontstane scheurtjes deden zich splijtbreuken voor. Dit ziin de twee halve-maanvormlge gebiedjes. Links en rechts dearvan ziln
Plaatdikte 12 mm
schuifbreuken zichtbaar, waarbli in tegenstelling tot bi) de splljtbreuken de
samenhang van het materiaet door een te grole atschuiving werd verbroken.
in de directe omgeving van defecten van lagere kwaliteit kan zijn dan elders. Wanneer een de
fect dan ook nog scherp is, vormt het een ideale beginplaats voor een, brosse breuk.
Zgn. lasspanningen blijken eveneens een rol te speien. Dit zijn spanningen die worden veroorzaakt dòor het krimpen van de las tijdens het stollen en afkoelen. Zu zijn direct verantwoordelijk -voor-vele kleine krimpscheurtjes_in_las en overgangszone, maar spelen ook een rol bij bet ontstaan en voortplanten van brosse breuken' Aiweer een element dat 'bu gekionken constructies niet voorkomt. Het belangrijkste verschil tussen gelaste en geklonken schepen in verband met bros breken, is overigens nog niet genoemd Een gelast schip vormt een ononderbroken geheel, terwiji een geklonken schip uit 'losjes' aan eikaar verbon-
den platen en profielen bestaat. tri een gelast schip kan een eenmaal ontstane breuk zich onbelemmerd voortplanten. In een geklonken schip komt de breuk in negen van de tien gevallen tot stilstand aan de rand van de plaat waarin hij is ontstaan. 'Overspringen' naar een volgende plaat vereist veci energie, die zolang de breuk geen grote lengte heeft bereikt, niet voorhanden is. Toen men dit besefte, is men in Natuur en Techniek, 42, 10 (1874) - Cat, nr.
327
gelaste schepen 'crack arresters' gaan inbouwen
die bet voortplanten van een breuk tegenhouden en die eenvoudig bestonden uit gekionken platen Zu Werden vooral bu de aansnijdingen van dek- en zijbepiating en zu- en bodembeplating aangebracht. Kerimerken van brosse breuken Bu staal wordt het woord bros dikwijis gebezigd wanneer het uiterlijk van de breuk gun-
sterend, kristallijn is. In Fig. i geldt dat voor de twee halvemaanvörmige gebiedjes. Men behoort dan van ceo splijtvlak te spreken; dit in
tot een schui/breuk. De eerste breuk ontstaat wanneer ijzerkristallen ais het ware van elkaar worden gespieten (Fig. 2). Bij schuifbreuken wordt de samenhang van het materiaal door (te grote) afschuiving verbroken. Het uiterlijk is dan do! en vezelachtig en het breukviak maakt veeial een hock van ongeveer 450 met de langsrichting (Fig. 4). In Fig. i zijn de donkere gedeelten van bet breukviak door afschûiving ontstaan. In het element koolstof vindt men extreme voorbeelden van tegensteiiing
splijt- en schuifbreuken, namelijk bu resp. diamant en grafiet.
5
Wanneer men de niet mooie úitdrukking 'ver
Boyen: FIg. 2 Bi] een sp!IjtbrOUk worden de ijzer
kristallen als het ware van elkaar gespleten. Een
schultbreuk ontstaal doordat kristalviakken langs elksar schuiven tot de samenhang wordt verbroken. De grljze viakken geven in bovenstaande figuren resp. hei gll)vlak van afschuiving (liñks) en het splijtviak (rechts) san. Onder: Fig. 3. In dit diagram zljn de trekkrommen weêrgegeven. die worden verkregén door g!adde ste-
ven In een trekbank stuk te trekken. In gebied A is de vervorming evenred!g met de belasting en gedraagt de staaf zich elastisch. Daarna treedt (gebled B) zgn. vloelen op en schuiven de kristallen tangs elkaar, zonder dat de samenhang wordt verbroken. Bij normaal
constructiestaal behoef t daar-
voor de belasting niet eens le worden verhoogd. Hierna verstevigt het rnateriaai en is wel een hogere belasting .nodig orn de staat verder te kunnen uitrekken (gebled' C). In gebied D neemt de belasting et, doordat zich een insnoering vorrnt waar uiteindelilk de breuk optreedt.
vormingsloze breûk' hoort, dan mag men dic terecht vervangen door 'brosse breuk'. We hebben al gezien dat hei omgekeerde in de spreek-
taal niet opgaat. Bros behoort te staan tegenover (oui, hoewel de gevoelsinhoud van taai ruimer is. lets Wat zWak is (stopverf), zal men niet gemakkelijk taai noemen. We moeten verder bij taai niet in de eerste plaats denken aan veerkrachtig; rubber is eigenlijk niet taai, maar taai-taai wel en staal evenzeer.
Dit wordt toegelicht in Fig. 3. Dit diagram wordt verkregen door een gladde stalen staaf in een trekbank stuk te trekken. .Aanvankelijk gedraagt de staaf zich e1astisch. De vervorming is evenredig met de belasting (gebied A). Daar-
na gaat de staaf 'vloeien', dat is dus plastisch
/ iI
o ww
a)
'o
C
G)
C C C w o-
o
E
o O)
1reksterkte
O)
cc'
4o
E=
Breukpunt
G)
o
lnsnoering
>
'o
i"
IllflII
Staat vlak voor de breuk
0.13°/o
1°/e
200/o
Rek
6
30°/o
't
Schulibreuk (dof, vezelig)
Splljlbreuk (glinsterend, kristallijn)
4. Boyen een tweetal fotos en rechs een toelichtende tekening van het breukvlak van een trekstaaf zoals dat dlkwlJls te zien is. Het breukvlak kan 00k geheel kristallijn of geheel vezelig zlJn. De temperatuur speelt hierbij een grote rol. Fig
vervorrnen De kristallen schuiven langs elkaar, zonder dat de samenhang wordt verbroken (als
in Fig. 2). Bij zgn. vloeistaal - het meest gebruikte constructiestaal - gaat dit schuiven in bet begin_zQ gemakkelijk dat de belasting niet behoeft te worden verhoogd (gebied B). Daarna verstevigt het materiaal en moet de belasting stijgen orn de staaf verder te kunnen uit-
rekken (gebied C). Op een bepaald ogenblik merken we dat de belasting op de staaf afneemt terwijÏ het rekken doorgaat. De staaf ontwikkelt dan op ¿én plaats een zgn. insnoering en breekt tenslotte (gebied D). Het uiterlijk van de breuk is dikwijls als in Fig. 4 weergegeven, maar kan ook vrijwel geheel kristallijn of geheel vezelig zijn. De ternperatuur speelt hierbij een belangrijke rol. Maar zeifs bij een overwegend kristallijn uiter-
lijk kan de rek tot breuk nog best best 20 tot 30% bedragen. De breuk is didelijk taai, in tegenstelling tot die bu een geheel ander materiaal, glas dat terecht bros wordt genoernd, Nat uur en Technlek, 42, 10 (1974)
hoewel het nooit kan splijten. Dit komt dòordat het geen kristalstructuur bezit Het meest verradèrlijke aspect van de kiassieke brosse breuken was dat zu konden ont-
staan en voortlen bijlagebelasting. Men sprak daarom van 'laagspanningsbreuken'. Al even vreemd was dat bet jarenlang niet gelukt is dergelijke breuken in laboratoria te laten ontstaan. Na voorbereidend werk van onder meer Soete in België en Mylonas in de VS is het tenslotte in 1956 Wells en Greene in Engeland gelukt laagspanningsbreuken bij normale temperaturen in gelaste platen te veroorzaken Een laagspanningsbreuk is uiteraard altijd een brosse breuk in de zin van vervörmingsloze breuk. Maar men noemde de klassieke breuken toch vooral bros omdat zij zich bijna explosief met enorme snelheid voortplantten (tot 2 km/sec.!). Het uiterlijk van die breuken was nauwelijks kristallijn. Het meest karakteristiek waren de oneffenheden, die in de richting van
de oorsprong van de breuk wezen (Fig. 5) 7
Voor de onderzoekers betekende dit een groot gemak omdat de breukvlakken dikwijls ver-
I
roest waren en de breuken gecompliceerd (Fig.
7). Het verschil tussen deze breukvlakken en de mooie gelijkmatige kristallijne breukvlakken wordt voor een deel bepaald door de temperatuur. Roe hoger de temperatuur, hoe meer een breuk neiging heeft orn te stoppen. De 'bijna'stopplaatsen zijn de zgn. chevrons. Vandaar de naam chevronbreuken. Voor de volledigheid wordt nog iets over ver-
moeiingsscheuren gezegd. Deze zouden ook bros genoemd kunnen worden. Maar dit wordt nooit gedaan, hoewel vermoeiingsscheuren zich ontwikkelen bu betrekkelijk lage spanningen en zonder meetbare vervorming. Het verschil
is dat een grote brosse breuk zich bij één bepaalde belasting in minder dan 0,01 sec ontwikkelen kan, terwiji een klein vermoeiingsscheurtje pas na vele duizenden tot miijoenen wisselingen van de belasting ontstaat. Het uiterlijk van een verrnoeiingsscheur is rneestal wat zijdeachtig glad (zie in Fig. i de vlakjes ter
weerszijden van het gat). Vaak ontstaan zij vanuit een lokaal defect en vertonen dan cirkel- of ellipsachtige kringen rondom de oorsprong (Fig. 6).
Hierboven: FIg. 5. Een foto van een brosse breuk
met chevrons in de zilbeplating van een tanker. Rechtsboven: Fig. 6. Opname van een breuk over een dwarslas in de bodemconslructie van een schip, veroorzaakl
door vermoeien met een
1000-tons
trek-
drukbank. De 'visogen zijn breukgedeelten die zich vanuit lasdefecten hebben ontwikkeld onder afsluiting van de bultenlucht.
Links: FIg. 7. Een opname van glasachtige breuken in de beplating van de tanker van FIg. 5.
8
t
L
Fysische en mechanische aspecten
De in Fig. 3 gegeven trekkromrne toont dat staal een uitgesproken taai materiaal is. Hoe komt het dan dat het zieh in constructies bijna even bros kan gedragen als gietijzer? Er zijn verschillende factoren in het spel. In de eerste plaats noemen we de tempera!uur. Verlaging van de beproevingstemperatuur heeft
tot gevolg dat de trekkromme verandert in de richting van een hogere vloeigrens en treksterk-
te en een lagere breukrek. Voor gewoon constructiestaal moet men wel naar 150 oc gaan orn de breukrek tot op de helft van die bij O °C terug te kunnen brengen. Bij nog lagere waarden wordt een overgangsgebied bereikt, waarin de breukrek bijna sprongsgewijs daalt met de
temperatuur. Bu 180 °c kan de rek gedaald zijn tot op 1%. We spreken voor het gemak meestal van overgangstemperatuur in plaats van -gebied en bedoelen daar buy, mee de temperatuur die halverwege dat overgangsgebied ugt. Natuur en Techniek, 42, 10 (1974)
Een tweede factor is de belasiingssnelheid waarvan de invloed pas goed merkbaar wordt bij zeer hoge waarden. Bu een trekproef maakt het voor de vloeigrens en de rek weinig uit of
deze in een minuut of in een seconde wordt uitgevoerd. In situaties, waarbij gevaar bestaat voor brosse breuk (lage temperatuur, scherpe kerven) is zelfs 0,01 sec nog niet alarmerend. Pas bu sneiheden die alleen door schokken of explosies kunnen worden bereikt, daalt de breukrek van staal drastisch. Een voorwaarde is wel dat het materiaal beneden een bepaalde overgangstemperatuur wordt beproefd. Dit is weer een andere temperatuur dan die voor statische belastingen, die 50 á ioo oc lager ligt.
Dit verschil verklaart waarom een brosse breuk, ontstaan tengevolge van een min of meer statische belasting, op een plaats waar de materiaalkwaliteit slecht is, moeilijk kan stoppen, ook al is het omringende materiaal beter. De breuk bereikt onmiddellijk na zijn begin een hoge voortloopsnelheid die voor het nog niet gebroken materiaal een hoge belastingssnelheid 9
betekent. Wanneer de bij die belastingssnelheid behorende overgangsternperatuur hoger is dan de temperatuur van de constructie za! de breuk ongehinderd doorlopen. Voor het Amerikaanse oorlogsstaál bedroeg die temperatuur (ook wel stoptemperatuur genoemd) 20 á 40 oc.
Deze kan bu scherpe kerven buy. waarden in de orde van 10 bereiken: hoe scherper en die-
per de kerl is, des te groter is c. Toch is dit niet de eigenlijke oorzaak van het gevaar van kerven in staal. Staa! kan in principe zó goed plastisch vervormen, dat het zelfs bu kerven niet gemakke!ijk zal scheuren, wanneer tenmin-
De derde factor is hei drie-dimensionale karak ter van de spanningstoestand Wat hierme-
de bedoeld wordt, is te zien in Fig. 8. Wanneer de spanningen in de drie richtingen aan elkaar gelijk zijn, zijn er geen schúifspanningen aanwezig. Het materiaal kan dan niet plastisch yervormen. Van de trekkromme in Fig. 3
blijft in principe slechts de lun A over. Het eindpunt van die lun ligt alleen vele malen hoger dan in Fig. 3. Wanneer de drie spanningen niet aan e!kaar gelijk zijn, geldt dat naarmate de spanningstoestand meer op a!zijdige
trek lijkt, de vloeigrens en de treksterkte hoger zijn en de rek lager. Een constructiedeel zal maar zelden vanuit drie onderling loodrechte richtingeñ worden belast. De wand van een bolvormig gasreservoir
wordt bi. slechts twee-assig getrokken. Toch komen drie-assige trekspanningstoestanden vee!
voor en wel aan de tip van kerven 'en scheuren Een kerf in een éénassig belaste plaat verstoort het gelijkmatige spanningsbeeld (zie Fig. 9). In de nabijheid van de kerf treedt een concentratie van spanning op. De verhouding van
de spanning aan de kerftip tot de zgn. nominale spanning beet spanningsconcentratiefactor: c
0kerf (
a
o)
ste de spanningstoestand aan de kerftip éénassig is. Helaas is het !aatste alleen bet geval bu zeer dünne platen, die in de scheepsbouw niet worden toegepast. Hoe de spanningstoe-
stand eruit ziet aan de tip van een kerl of scheur in een dikke plaat toont Fig. 9. Naast de Iangsspanning Okerf = a werken er spanningen 02 en 03 resp. in de dikte- en in de breedterichting van de plaat. Deze ontstaan als gevo!g van het feit dat materiaal dat wordt
uitgerekt dunner wi! worden. Dit geldt ook voor de kerftip. Wañneer de plaat buiten de kerfzone een bedrag At dunner wordt, zoti dit
ter plaatse van de kerftip c.At moeten zijn. Er zou dan plaatselijk een putje ontstaan. Dit kan niet want het materiaa! aan de tip sit opgesloten in het omringende materiaal en za! maar weinig meer dan At kunnen krimpen. 'Het kerfiipmateriaal wordt dus vastgehouden,
dat wil zeggen uitgerekt van (t - c.At) naar jets minder dan (t - At). De bijbehorende trekspanning 02 blijkt bu dikke platen ongeveer gelijk te zijn aan 1/3 01 In de breedterichting
van de plaat ontstaat analoog de trekspanning
03.
De vloeigrens van het kerftipmateriaal is in deze toestand 'gelijk aañ 1,7 maal 'de waarde voor de dénassige spanningstoestand. Ondanks
Fié. '8. SchematIsche woergave van hei begrip alzij. digo trekspanning. De kubus wordt beisst door trekspanningen die loodrecht op elkaar atoan. De waarden o stellen de kracht per oppervlakte-eenheid voor.
ip
Lokale contractie
Fig. 9. Aan de tip van kerven en scheuren komen meestái drie-assige trekspanningstoestanden voor. Alleen bij zeer dünne
platen is dit niet het gavai. in deze f iguur wordt de spanningstoestand aan de
tip van een kart of scheur in een dikke
piaat weergegeven. Behaive de iangsspanning ei werken er de spanningen 02 en 03
in de dikte- en breedterichting van de
piaat. Wanneer de pleat buiten de kèrft dunner wordt. zou dit blJ de kerftip cAt moeten ziln, zodat een putje zou ontstäan. Er kan echter weinig meer zone
dan At gekrompen worden. De daarbil behorende trekspanning is in de dikterichting (02) ongeveer geiijk aan 1/30.
t
t t t o-
tt
t
Spanningen tengevolge van de uitwendige beiasting
deze verboging zal dat materiaai ai bij lage belasting gaan vioeien omdat c veci hoger is dan 1,7. Zodra het vloeien is begonnen, neemt het gevaar voor brosse breuk toe. Immers zolang het vloeigebied klein is, biijft bet materiaai ingesioten in het omringende, alleen elastisch vervormende materiaal. Het kan dan niet veci vervormen zonder te breken.
Wanneer de andere condities gunstig zijn, bi. een lage belastingssnelheid en niet te lage ternperatuur, dan kan het rnateriaal aan de
zal het materiaal sterk kunnen vervormen voor-
dat breuk ontstaat. Hiermede is verklaard dat bij brosse breukonderzoek òf breuken ontstaan na weinig vervorming òf na grote vervorming. Tussenwaarden zijn schaars. Tevens zal nu dui-
deiijk zijn waarom kerven in dikke platen ge-
vaariijker zijn dan in dunne. Dit wordt nog cens toegelicht in Fig. 11. Wanneer de dwarskrimp (dwarscontractie) zich vrij zou künnen ontwikkelen, zou S2/t2 gelijk zijn aan S1/t1. In werkelijkheid is de afstand d hiervoor te klein.
kerftip zoveei vervormen dat een piastische zo-
ne ontstaat die evengroot of groter is dan de plaatdikte (Fig. 10). Het materiaal aän de kerftip kan dan weer vrij krimpen. Doordat de spanningstoestand niet meer drie-assig is, Natuur en Techniek, 42, 10 (1974)
De behandelingen verstevigen, harden, g!oeien en ook bet verouderen van het materiaai behoren als vierde factor strikt genomen niet bu de voorgaande drie De behandelingen veranderen 11
Kleine plastische zone; het rnateriaal aan de scheurtip kan niet vn) knimpen, doordat hot opgesloten zit In ornringend niet-plastisch malenlaal
)
Grote plastische zone (>t); hei materiaal aan de kerflip kan vrij krimpen tot t1
Scheur
Viakke rek (plane strain)
Fig. 10. Het materlaal in oen plaat met een schour
Vlakspanning (plane Stress)
bolasting aanvankelijk
geyser voor brosso breuk. Blijft do plaat heel, dan kan do situatio gunstiger worden als de spannings-
moellljk vloeien (kleine plastische zone). Bi) lage ternperatuur en/of hoge belastlngssnelheid dreigt dan
toestand van eon drle-asalgo In eon twee-assigo verandort (grote plaslische zone).
het uitgangsmateriaai grondig. Chemisch ge-
vele malen erger dan bu kamertemperatuur.
beurt er weinig, maar fysisch des te meer. Staal dat gehard wordt door gloeien boyen
Verouderen kan optreden bu lassen. De krimp-
910 oc en snel afkoelen is gewoon een ànder staal geworden. Het is min of meer een oververzadigde opiòssing van koolstof in ijzer geworden. De in het kristatrooster in de knel geraakte koolstofatomen (zie Fig. 2) verstoren de regelmatige bouw van dat rooster en bemoeiiijken de aangegeven guiding (afschuiving). Het stasi is sterker en harder geworden, maar in principe ook brosser.
spanningsconcentraties, plastische vervormingen
of
kerl kan
bi)
oplopende
Verstevigen van staat is een verschijnsël dat goed bekend is aan de 'paperclipbuigers'. Sterke vervorming doct de vioeigrens stijgen en de
spanningen kunnen, voorai op plaatsen van veroorzaken. Wells heeft aangetoond dat dit de belangrijkste oorzaak van de klassieke brosse breuken was.
Gloeien van staat boyen 1050 °C heeft een sterke korrelgroei tot gevoig. Dit is bijzonder ongunstig; omdat de brosheid van staat mede bepaald wordt door de korrelgrootte. Het meest
te luden van dit glacien hebben de moderne fijnkorrelstalen die zeer lage percentages niobium of vanadium bevatten. Zij zijn in de le-
rek. afnemen. Dit bleek al duidelijk uit Fig. 3 Wanneer bet plastisch vervormen gebeurt bu verhoógde temperatuur (100 à 400 °C), dan
veringstoestand van buitengewone kwaiiteit en goed lasbaar. Maar wanneer gelast wordt met gróte Warmtetoevoer, kunnen zu in de zone naast de tas (overgangszone, warmte-beïnvloe-
veroudert het materiaal. De verbrossing is dan
de zone) sterk in kwaliteit achteruitgaan. De
11. In deze flguur wordt nog eons toegellcht waarom kerven In dikke platen gevaarllJker zljn dan die in dunne. Wanneer de dwarskrlmp zlch vn) zou kunnen ontwikkelon, zou daze (Si) In eon dikke plaat veel grater mooten zijn dan In een dunno pleat (Si). De breedte van do kerlapleet Is hiorvoor echter te klolñ. Er ontslsan trekspannlngen In do dikterichting (zio 00k Fig. 9).
Rechts: Detall van eon bodomdeol van eon schlp dat vlak naast eon waterdlcht dwarsachot is gobroken. Do brosse breuk In de verticale langsversterking Is bovenaan bi) do afdichtlngsles tusson hot schot en hot bulbvormlgo uitoinde van do verstorking begonnen. Dit ¡s te zlen aan do chevrons. Do breuk Is gestopt in de bodomplaat on daarna Övorgogaan in eon schulfbreuk. De rostbreuk (rechtsonder) is moor bros.
Onder: FIg.
t = Plaatdlkte d = Breedte van de korfspleet s = Dwarsdoorsnede aan do korftlp
--
d
Kerl In een dünne plaat
12
4s
Kerl in eon dikke pleat
±1500°C
±1200°C
±1170°C
±1080°C
±1120°C
PIEKIEMPERATÚUR
ISmeLtLijn 1.5
2
2.5
4i5__Ø,
3
AESTAND TOT DE SMELTL5JN (mm)
overgangstemperatuur kan wel met loo °C stijgen. Dit gebeurt in een gebiedje dat maar enkele millimeters breed is (Fig. 12). Onderzoek in Delft heeft uitgewezen dat brosse breuken
lopen. Bovendien hebben zu weliswaar aan het ontstaan van veel scheuren bijgedragen, maar
zeker even vaak het breukpad dusdanig be-
zelfs in zo'n smaile zone kunnen doorlopen. De lasspanningen zijn niet bu machte orn het
invloed dat de scheuren konden stoppen. Toch was het wel degelijk zo, dat de schepen direct na de bouw door hun lage kwaliteit
breukpad dusdanig te beïnvloeden, dat de breuk
en
terechtkomt in gezond materiaal en kan stoppen.
De oplossing ugt voor de hand, maar is economisch niet aantrekkelijk. Een grote warmtetoevoer betekent snel lassen en snel produceren en dat is voor de scheepsbouw van levensbelang. Conclusie
de aanwezigheid van lasspanningen op springen stonden. Het feit dat niet veel meer schepen gebroken zijn, heeft twee achtergronden. In de eerste plaats kwamen de meeste schepen niet onmiddellijk na de bouw in koud weer terecht. Wanneer zij eerst bu normale temperatuur een storm hadden doorstaan, werden de lasspanningen voor een deel tenietgedaan. Dit gebeurde wanneer de som van lasspanningen en spanningen tengevolge van de uitwendige belasting plaatselijk boyen de vloei-
Met het voorgaande in gedachten is het ontstaan van breuken in de tijdens de oorlog gebouwde schepen als voigt te verkiaren: Het staal was siecht lasbaar. Het bevatte te
veel koolstof en werd in de kwaliteit 'onrustig' of 'haifrustig' geleverd, dat wil zeggen in niet- of siecht gedesoxydeerde toestand.
De lassers waren vaak amateurs die ook in siecht weer moesten doorwerken. Dit gevoegd bu a., maakte dat in de lassen veel defecten en scheurtjes aanwezig waren (lokale kerven). De constructies waren slecht. De luikhoofdhoeken waren buy. rechthoekig in plaats van afgerond, waardoor zu als grote kerven in het schip werkten. De meeste breuken zijn vanuit deze luikhoofdhoeken ontstaan. Oorspronkelijk waren het vooral de overblijvende lasspanningen die als zondebok fungeer-
den. Maar men zou die spanningen beter kunnen zien als druppels die de emmer deden over14
grens kwam en het materiaal plastisch ging vervormen.
De tweede achtergrond heeft eveneens met de lasspanningen te maken. Hoe lager de kwaliteit van scheepsconstructie en -materiaal was
en hoe hoger de lasspanningen waren, des te lager waren de spanningen waarbij de breuken ontstonden. Uit onderzoekingen van Robertson in Groot Brittannië is gebleken dat het voortplanten van brosse breuken niet alleen afhankelijk is van de temperatuur, maar ook van de
spanning in de constructie. Dit blijkt uit Fig. 13. Wanneer die spanning lager is dan ongeveer 80 N/mm2, komt een brosse breuk tot stilstand. Op de plaats waar de breuk eindigt, bevindt zich beter materiaal dan op de plaats van de oorsprong van de breuk. Een opnieuw op gang komen van de breuk is dan zeer onwaarschijnlijk. Het schip mèt scheur is veiliger dan in de toestand zonder scheur, mede doordat de scheurtip zich buiten het gebied van de lasspanningen zal bevinden.
Links: Fig. 12. Een opname van een oververhitte zone
van staal dat gelast werd met een hoge warmtetoevoer. De korreis links waren in hot preparaat nog met hei biote 00g te zion. Hoe groter de korret is, hoe minder is de kwaiiteit van hei sisal (vergrotingca. 5x). Rechts: Fig. 13. Bij hei lassen wordi veel warmte toegevoerd. Het staat kan dan in de overgangszone naast de las sterk in kwaiiteil achteruitgaan. Doze zone is hoogstens enkela millimeters breed maar loch kunnen brosse breuken bij bepaaide spanningen en temperaturen in deze zone doorlopen.
Oergangstemperatuur
Breuken topen door s?
80 N/mm
Onder: Fig. 14. Een foto van eon 1000-tons trek-druk-
-. Temperatuur
bank zoals die staat opgesteid in het Laboratorium voor Scheepsconstructies van de TH te DeIft.
Het thema brosse breuk is hiermede nog lang niet uitgeput. Zo kon in het bestek van dit arti-
kel weinig, aandacht worden besteed aan de dramatische en fascinerende geschiedenis van het wetenschappelijk onderzoek. Bij dit onderzoek heeft de breukmechanica zich in nog geen
twintig jaar tot een zeifstandige en omyangrijke tak van wetenschap ontwikkeld. Misschien dat bu gebleken belangstelling aan dat vakgebied en äan de metaalfysische aspecten van breuken nog eens later in dit tijdschrift een bespreking kan worden gewijd
f 'p Breukefl '
Ll(eratuur: Parker Earl R., Brittle Behaviour of Engineering Structures. Chapman & Halt, Ltd., London (1957).
Jaeger H. E en Nibbering J. J. W., Scientific
Activities of the Dell t Ship Structures Laboratory, Technische Hogeschool Detti (1968).
Hall W. J., Kihara H., Soete W. en Wells A. A., Brittle fractùre of welded plate, Prentice Hait Inc., Englewood Cliffs (1967).
Folos: Studio Verkoren. Den Haag (peg. 9 en 13). 4/5). National Research Council. Washington (pag. Overige foto's: TH, Deitt.
s
Natuur en Techniek, 42; 10 (1974)
15
