揭开钢材韧性的神秘面纱

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。

上图：“泰坦尼克”号因撞击冰山而沉没。影视截图

作者：李泽晖

来源:解放军报

文章来源：《钢铁》 网址: http://www.gtbjb.cn/zonghexinwen/2021/0421/935.html