Bylo selhání materiálu p inou potopení Titaniku?Řádkovací elektronová mikroskopie: Michal...

Bylo selhání materiálu příčinou potopení Titaniku?

Tomáš Harnoch , Michal Talík

15. 12.2010, Praha, Česká Republika

TS Plzeň a.s.Katedra materiálů

Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrskáČeské vysoké učení technické v Praze

Radek Mušálek Fyztyd 2007 18. – 19. června 2007

2/43

Úvod

Program:

Přehled kondenzované teorie:

Materiál a jeho struktura

Zkoušení materiálu

Metalografie

Význam lomové mechaniky

Smysl fraktografické analýzy

Jak to bylo s tím Titanikem?

Praktická část:

Vyhledání materiálu v normě

Pozorování mikrostruktury

Provedení Charpyho zkoušky

Prohlídka lomových ploch

Vyhodnocení:

Vyhodnocení zkoušky

Diskuze výsledků

Publikace

Příprava prezentace

Úvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení

Michal Talík 15.12.2010


3/43

Úvod

Katedra materiál ů, 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




4/43

Úvod

Kovy Keramika Polymery

Organické látky Kompozity Nanomateriály




5/43

Materiál a jeho strukturaLátky 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

počítačový model polykrystalu




6/43


- 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 intersticiál

substitu čníatom

intersticiál téhož druhu

hranová dislokace šroubová dislokace




7/43

Materiál a jeho strukturaWilliam Hanry Bragg (1862 – 1942)

William Lawrence Bragg (1890 – 1971)

Nobelova cena za fyziku (1915) za studium struktur krystalů pomocí difrakce RTG záření


přístroj na výrobu bublinových vrstev

Fyzikální analogie – bublinový model struktury krystalu (1947)

„dokonalá krystalová vrstva bublin“



8/43


„příměsový atom“

„hranice zrn“


„mikrostruktura - zrna“

„vakance“



9/43

Materiál a jeho strukturaÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení

„hranová dislokace“



10/43


počítačová vizualizace povrchu materiálu získaná pomocí mikroskopie atomové síly

transmisní elektronová mikroskopie s atomárním rozlišením

precipitace ve slitině Al–1.54 at.% Cu




11/43


- Chemický prvek (např. Au, Fe)

- Chemická látka – sloučenina (např. H20, NaCl, Al2O3, Fe2O3)

atom železa

atom uhlíku

rozpouštění uhlíku v železe rozpouštění vodíku v palladiu

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

molekula vody

Pd

H

H2




12/43


Fázové diagramy

Diagram Fe-CH20 + NaClFázový diagram vody

Fázesoubor všech oblastí látky ohraničených výrazným rozhraním, které mají všech svých částech stejnéchemické složení a stejné fyzikální vlastnosti

led

pára

kapalnávoda




13/43


Materiály téhož složení mohou mít různou strukturu, tedy i různé vlastnosti

Mikrostruktura materiálu je dána podmínkami a technologií výroby

Mikrostruktura popisuje tvar a velikost zrn různých fází, jejich orientaci a zastoupení

příklad: ocel je „chameleón“ – různé složení + strukturní složky = různé vlastnosti




16/43

Materiál a jeho strukturaÚvod Materiál Modelování Zkoušení Metalografie LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení

Příklady technologií používaných při zpracování kovů - kování



17/43


Příklady technologií používaných při zpracování kovů – válcování a odlévání

Forma

Odlitek

Roztavený kov



18/43


Příklady technologií používaných při zpracování kovů – sváření, obrábění



19/43

Materiál a jeho strukturaÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení



20/43

MetalografieÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení



21/43

MetalografieÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení

Optickámikroskopie:

Řádkovacíelektronová

mikroskopie:



22/43

Zkou šen í materiál ů – Tahov á zkou škaÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodno cení

σ = F / S0 ε = ∆L / L0



23/43

Zkou šen í materiál ů – Tahov á zkou škaÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodno cení

σ = F / S0 ε = ∆L / L0Jednoduchý příklad:

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 …



24/43

Zkou šen í materiál ů – Charpyho zkou škaÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodno cení

Klasická tahová zkouška je kvazistatická.

Charpyho zkouška umožňuje zkoušení vzorků s vrubem při tzv. rázovém zatížení (vyšší rychlost deformace), což lépe odpovídá některým typůnamáhání (např. crash-test, náraz ledovce, ...).

Chování materiálu v konstrukci může být výrazně ovlivněno přítomností technologických prvků (vruby, svary, nýty...) či defektů struktury

(nehomogenita, trhliny, ...).



25/43


Teplota [°C]

Nár

azov

ápr

áce

[J]

Pře

chod

ová

tepl

ota

Křehkéchování

Houževnatéchování

Přechodové chování – typické pro některé typy ocelí



26/43


0

20

40

60

80

100

120

-200 -175 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 25Teplota [°C]

KC

V [J

.cm

-2]

Docol 1200 M MP 1200 BTR 165

KCV = a + b . tanh[c . (T - d)]

Přechodová křivka vybraných vysokopevnostních ocelí



27/43


-190°C -155°C -145°C -100°C -65°C 20°C

Změna v mechanismu porušování vede k rozdílnému vzhledu lomové plochy.



Lomov á mechanikaÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení

28/43

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, dimenzováníkonstrukcí 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



Lomov á mechanika a fraktografieÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení

31/43



Lomov á mechanika a fraktografieÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktografie Titanik Experiment Vyhodnocení

32/43



TitanikÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktog rafie Titanik Experiment Vyhodnocení

33/43




34/43

Sesterské lodi:

RMS Olympic – více než 500 plaveb mezi NewYorkem a Southamptonem. Během první světovéválky 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 panensképlavbě 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.




35/43

Náklady: 7 500 000 USDDélka: 269,02 mŠířka: 28,25 mVáha: 46 328 tunVýtlak: 52 310 tunKapacita: 2559 cestujících, 903 posádkaKapacita 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 turbínaVýkon: 51 000 koňských sil (odhad)Kotlů: 29Topenišť: 159Spotřeba: 650 tun uhlí/den ručně přikládaných




36/43

14. 4. 1912 ve 23:40 po 4 dnech plavby ve 23:40narazil do ledovce s hmotností 3 až 6-krát větší, nežhmotnost 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.




37/43

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 keramicképředměty,výjimečně organické materiály (boty, kufry,vaky na poštu…)




38/43

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




39/43

Pláty oceli z Titaniku:Původní tloušťka 1,875 cm resp. 1,25 cmKoroze v mořské vodě – zmenšení tloušťky

Tahová zkouška:průměr tyče 0,625 cmměřená 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 %




40/43

Vrubová houževnatost vzorků odebraných z Titaniku závisela na orientaci vůči směru válcování plechu. U podélně orientovaných vzorků (L) byla výrazněvyšší, než u příčně orientovaných (T).U všech zkoušených souborů bylo pozorovánopřechodové 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 nebylvhodný pro provoz za snížených teplot (v okamžikusrážky byla teplota okolní vody cca -2 °C).Naměřenému poklesu vrubové houževnatostiodpovídala změna vzhledu lomových plochzkoušených vzorků.

Směr válcování

Charpyho zkouška:



41/43

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 velkýobsah 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 selhánínýtů, čímž došlo ke zvětšení trhlin v plášti.

Počet obětí mohl být menší, pokud by nedošlo k odstranění druhé řadyzáchranných člunů kvůli estetičtějšímu vzhledu lodi.Přes poměrně pokročilou technologii stavby lodi byl použit nevhodný materiál pro její stavbu.




42/43

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; …).


OdkazyÚvod Materiál Metalografie Zkoušení LLM Fraktog rafie Titanik Experiment Vyhodnocení

43/43

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.


Date post:	27-Mar-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	4 times
Download:	0 times

Bylo selhání materiálu p inou potopení Titaniku?Řádkovací elektronová mikroskopie: Michal...

Documents