نویسنده: بهنام انصاری "لیسانس رشته مواد و متالورژی دانشگاه صنعتی اصفهان"
"مقدمه"
شکسته شدن کشتی تایتانیک به دلیل ترکیبی از عوامل مختلف بود، اما یکی از مهمترین عوامل از دیدگاه علم متالورژی، نوع فولادی بود که در ساخت آن استفاده شده بود و همچنین نحوهٔ پرچکاری که بر روی آن انجام شده بود. فولادی که در تایتانیک به کار رفته بود، یک نوع فولاد با ساختار BCC (Body-Centered Cubic) بود که در دمای پایین، خاصیت شکنندگی پیدا میکند. همچنین، پرچهای فولادی که برای اتصال صفحات بدنه استفاده شده بودند، در اثر سردی آب و برخورد با کوه یخ دچار شکست شده و منجر به باز شدن درزهای بدنه و نفوذ آب به داخل آن شدند.
"عوامل غرق شدن تایتانیک"
فاجعه غرق شدن کشتی تایتانیک، همیشه یادآور اشتباهات انسانی و محدودیتهای تکنولوژی زمان خود بوده است. اما فراتر از خطاهای کاپیتان و مدیران، یک عامل مهم و پنهان در این حادثه دلخراش، به رشته مواد و متالورژی گره خورده است: پدیده تبدیل رفتار نرم به ترد فولاد!
در زمان ساخت تایتانیک و حتی دههها پس از آن، مهندسان از این پدیده حیاتی بیخبر بودند. فولاد در دماهای پایین (مانند آبهای اقیانوس اطلس در آوریل) میتوانست بهجای اینکه در برابر ضربه خم شود یا تغییر شکل دهد، به شکل ترد و شکننده عمل کند. این یعنی برخورد با کوه یخ، بهجای ایجاد یک فرورفتگی قابل ترمیم، باعث شکافی عظیم و فاجعهبار در بدنه کشتی شد.
اما بیایید نگاهی عمیقتر به سایر عوامل موثر در غرق تایتانیک بیندازیم:
"اشتباهات انسانی: سلسلهای از تصمیمات فاجعهبار"
کاپیتان اسمیت و جاهطلبی بازنشستگی: او که در سفر بازنشستگیاش بود، برای ثبت رکورد سرعت، پنج اخطار مشاهده کوه یخ را نادیده گرفت. اگر فقط سرعت کشتی را کاهش میداد، شاید سرنوشت تایتانیک کاملاً تغییر میکرد.
فشار مدیر اجرایی شرکت (بروس آیزمی): در اوج رقابتهای کشتیرانی، بروس آیزمی برای نمایش توانایی شرکت "ستاره سفید" در عبور شش روزه از اقیانوس، کاپیتان را تحت فشار قرار داد تا تایتانیک را با حداکثر سرعت به حرکت درآورد.
خطای محاسباتی توماس اندروز (سرپرست طراحان): اگرچه تایتانیک به ۱۶ قسمت ضد آب تقسیم شده بود، اما ارتفاع دیوارههای این بخشها کافی نبود. شرکت سازنده نمیخواست این دیوارهها بلندتر باشند، زیرا فضای اختصاص یافته به قسمت درجه یک کاهش مییافت. اگر این دیوارهها بلندتر بودند، هوای محبوس در آنها میتوانست مانع غرق شدن کشتی شود.
تصمیم لحظهای ناخدا یکم مورداک: او با دیدن کوه یخ، دستور به معکوس کردن موتورها و چرخش به چپ داد. این تصمیم باعث شد سمت راست بدنه با کوه یخ برخورد کند و شکافی عظیم ایجاد شود. کارشناسان معتقدند اگر او دستور میداد کشتی مستقیم به راه خود ادامه دهد و با دماغه (که بسیار محکمتر بود) به کوه یخ برخورد کند، احتمالاً فقط قسمت جلویی کشتی آسیب میدید و غرق نمیشد.
"و اما نقش "فولاد" در این فاجعه..."
جدا از تمام اشتباهات انسانی، نقطه تاریک ماجرا به خواص مکانیکی فولاد برمیگردد. فولاد به کار رفته در تایتانیک، در دماهای پایین، خواص ترد از خود نشان داد. این یعنی علم مواد در آن زمان، هنوز به اندازهای پیشرفت نکرده بود که مهندسان بتوانند این پدیده را پیشبینی و کنترل کنند. این فاجعه تلنگری شد برای تحقیقات گستردهتر در زمینه رفتار مواد در دماهای مختلف و اهمیت متالورژی در طراحی سازههای حساس.
دماي گذار نرم به ترد (DBTT) در فولاد: چرا این پدیده برای مهندسان مواد حیاتی است؟
در دنیای مهندسی مواد، رفتار مکانیکی مواد تحت دماهای مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از مهمترین پدیدهها در این زمینه، بهویژه در مورد فولادها، دمای تبدیل رفتار نرم به ترد (Ductile-to-Brittle Transition Temperature - DBTT) است. این پدیده توضیح میدهد که چرا سازههای فولادی، بهویژه در محیطهای سرد، میتوانند ناگهان و بدون هشدار دچار شکست شوند.
"تأثیر دما بر رفتار مکانیکی فلزات"
بهطور کلی، با افزایش دما در فلزات، فعالیت نابجاییها بیشتر شده و در نتیجه استحکام تسلیم کاهش مییابد. اما نکته کلیدی اینجاست که همه فلزات رفتار یکسانی ندارند:
فلزات با ساختار مکعبی با وجوه پر (FCC)، مانند آلومینیوم، در تمام دماها دارای شکست نرم (Ductile Fracture) هستند. شکست نرم به آرامی و پس از تغییر شکل پلاستیکی زیاد و تحت تنشی بالاتر از استحکام کششی رخ میدهد.
اما فلزات با ساختار مکعبی مرکز پر (BCC) (مانند فولادها) و ساختار منشوری فشرده (HCP) و آلیاژهای آنها، در دماهای پایین (معمولاً پایینتر از دمای محیط) و بهطور ناگهانی دچار شکست ترد (Brittle Fracture) میشوند. این گروه از فلزات با کاهش دما، رفتار خود را از نرم به ترد تغییر میدهند. در شکست ترد، معمولاً تغییر شکل پلاستیکی قابل توجهی در منطقه شکست مشاهده نمیشود.
"پدیده DBTT در فولادهای کمکربن"
فولادهای کمکربن در نرخهای کرنش پایین و در تمام دماهای بالای حدود 170- درجه سانتیگراد، رفتاری نرم از خود نشان میدهند. اما وقتی همین فولادها در معرض بارهای ضربهای قرار میگیرند، در دامنهای از دما نزدیک به صفر درجه سانتیگراد، نوع شکست از حالت رشتهای و چقرمه به حالت ترد تغییر میکند.
این پدیده، به این معنی است که حتی تفاوت چند درجهای در دمای محیط میتواند تفاوت بین شکست نرم و ترد را تعیین کند.
"درس تلخ تایتانیک و اهمیت DBTT"
یکی از دلایل اصلی فاجعه غرق شدن کشتی تایتانیک، همین پدیده بود. در زمان ساخت تایتانیک و تا دههها پس از آن، این تغییر رفتار فولاد در دماهای پایین برای مهندسان ناشناخته بود.
از کارافتادگی سازههای فولادی در اثر شکست ترد، از همان آغاز مصرف این فولادها بروز کرده بود، اما تنها در دههی 1940 بود که این مسئله بهوضوح مطرح و مورد توجه قرار گرفت. این دوران همزمان با ساخت اولین کشتیهای با بدنه تمام جوشکاری شده بود. پیش از آن، اگر در یکی از ورقهای کشتی شکستی رخ میداد، ترک معمولاً در انتهای صفحه یا در یک ردیف پرچ متوقف میشد. اما در یک کشتی تمام جوشکاری شده، بدنه عملاً یک ورق پیوسته است؛ بنابراین، اگر شکست ترد شروع شود، میتواند بهسرعت و بهطور ناگهانی در کل سازه منتشر شود و فاجعهای مانند تایتانیک را رقم بزند.
درک دقیق DBTT و تأثير دما بر خواص مکانيکی مواد، برای مهندسان مواد و متالورژی حیاتی است تا بتوانند سازههای ایمنتر و مقاومتر، بهویژه در محیطهای با دمای پایین، طراحی کنند.
