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揭开钢材韧性的神秘面纱

来源:解放军报2021-04-21 11:09

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通过研究“泰坦尼克”号沉船上的金属残骸,科学家发现钢材韧性问题也是导致轮船沉没的原因之一——

揭开钢材韧性的神秘面纱

“泰坦尼克”号因撞击冰山而沉没。影视截图

  今年4月15日,是“泰坦尼克”号沉船109周年纪念日。

  109年前,“泰坦尼克”号沉没新闻一经公布,各国科学家不约而同地提出疑问:集当时先进工艺于一身,享有“永不沉没”美誉的“钢铁巨兽”,怎么会撞击冰山而沉没?

  在“泰坦尼克”号沉没79年后,通过研究船体金属残骸,科学家揭开了这个谜团:建造“泰坦尼克”号时,工程师选用船体钢材,一味重视强度,却忽视了钢材韧性。

  在钢质船舶诞生初期,世界各国科学家都坚信船体钢材越硬越好,他们通过各种方法提升钢材强度。

  令科学家没想到的是,这不仅没有使船舶更加坚固,反而变得更加“脆弱”,一个个沉船事故接踵而至——

  1943年,“斯克内克塔迪”号油轮停泊在纽约港。工程师在巡检时发现,甲板出现一道裂缝。谁知,裂缝顺着船体急速扩展,最终将轮船撕裂成两截。

  二战期间,美国建造的2700多艘“自由轮”号运输船投入使用后,竟有400多艘陆续发生断裂事故。

  1954年,英国邮轮“世界协和”号航行在爱尔兰寒风凛冽的海面上,船体中部突然出现裂缝,一声巨响后,邮轮裂成两截,迅速沉入海底。

  一系列重大事故引起造船界的高度关注。这些船舶严格按照传统造船设计要求,各项参数也完全符合规范标准。那么,发生断裂事故原因是什么呢?

  对此,科学家认为,这不是偶然因素,一定是传统设计理念忽略了什么。

  大量的调查研究数据,揭开了船体断裂的神秘“面纱”。

  在传统力学中,钢材被认为是均匀理想固体。但在制造、加工及使用过程中,科学家发现内部会产生各种裂纹。当外界施加作用力时,裂纹会发生扩展,钢材强度越高,扩展越容易,当扩展幅度达到临界值时,船体便会断裂。

  这是经典强度理论无法解决的问题。为了定性材料抵抗因裂纹导致断裂的能力,科学家提出了一个新的测量指标——韧性。

  20世纪初,法国科学家格里菲斯开展了关于韧性的研究。当时,他的研究对象是玻璃等脆性材料,没有得到船舶制造业的重视。直到20世纪中期,韧性研究工作取得一定进展,人们才对钢材裂纹有了深刻认识,并逐渐形成一门新的学科——断裂力学。

  断裂力学为现代船舶制造业提供了理论支持,帮助工程师完善船舶设计,提高机构安全性,消除断裂事故隐患。工程师对钢材需求从强度至上转变为对强度、韧性等多项质量指标的综合评估。船体钢材的新需求,倒逼船舶制造业不断改进钢材制造工艺。在实践中,科学家探索出钢材控制轧制和控制冷却技术,显著提高了钢材韧性。

  在民用船舶领域得到广泛应用后,高韧性钢材逐渐向军用舰船领域拓展。用高韧性钢材建造的军舰,可以抵抗来自炮弹的袭击,极大增强了舰船的生存能力。在航母上,用高韧性钢材铺设的飞行跑道,可以承受20-30吨舰载机起飞和降落的强大冲击力,确保舰载机飞行安全。(李泽晖)

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