کشتی های لیبرتی و تولد دانش مکانیک شکست

کشتی های لیبرتی و تولد دانش مکانیک شکست

در طی جنگ دوم جهانی ایالات متحده آمریکا از جایگاه برتری در زمینه دسترسی به سوخت، مواد اولیه و غذا برخوردار بود. در طی این دوره 2710 فروند کشتی باری از کلاس لیبرتی (Liberty cargo ships) در ایالات متحده تولید انبوه شد تا به متحدین اروپایی این کشور غذا و مواد لازم برای ادامه جنگ ارسال شود.

برخی از نمونه های اولیه این کشتی ها پس از پیدایش و رشد ترکهایی در عرشه و بدنه خود دچار تخریب ساختاری ناگهانی می شدند. سه تا از این کشتی ها بطور فاجعه آمیزی پس از شکل گیری،‌رشد و گسترش ترکها به دو نیم شدند. شکل زیر یکی از این کشتی ها را که تنها یک روز پس از به آب انداختن در سال 1943 دچار شکستگی شده، نشان می دهد.

بازرسی های بعدی عوامل زیر را در شکستهای ساختاری پدید آمده موثر دانستند:

برخی آلیاِهای فلزی که در شرایط عادی نرم و لوله شو هستند، در دمای نسبتا پایین ترد و شکننده می شوندٰ به عبارتی وقتی تا دمای بحرانی خاصی سرد می شوند یک گذار نرم به شکننده را تجربه می کنند. کشتی های لیبرتی از فولادی ساخته شده بودند که مستعد چنین تبدیلی بود. در دمای یخبندان اقیانوس اطلس شمالی فولاد بدنه آنها بشدت شکننده می شد. مواد نرم و لوله شو پس از تغییرشکلهای نسبتا بزرگ دچار شکست می شوند .و ترک در آنها آهسته انتشار می یابد. لیکن مواد شکننده و ترد تغییرشکل بسیار کوچکی را می توانند تحمل کنند و شکست در آنها بسیار ناگهانی روی می دهد.

گوشه های دریچه ها (مانند در و پنجره ها) تیز و مربعی شکل بود. این گوشه ها به صورت نقاط تمرکز تنش عمل کرده و ترکها در آنجا شکل می گرفت.

زیردریایی های آلمانی موسوم به U-boat کشتی های باری متفقین را سریعتر از زمان لازم برای جایگزینی آنها با فنون ساخت موجود غرق می کردند. در نتیجه لازم آمد که روشهای ساخت بطور اساسی متحول شده و کشتی های باری سریعتر و به تعداد بیشتری ساخته شوند. برای این کار از ورقهای فولادی پیش ساخته استفاده می شد که به جای روش زمان بر پرچکاری، از جوش برای اتصال آنها استفاده می شد. شوربختانه، ترکها در سازه های جوشکاری شده بدون اینکه به مانعی برخورند گسترش می یابند. لیکن در سازه های پرچکاری شده ترک به مجرد برخورد به لبه ورق (در محل اتصال دو ورق) از انتشار باز می ایستد.

استفاده از اپراتورهای ناوارد در جوشکاری باعث ایجاد نواقص جوش می شد که خود به اتشار ترکها کمک می رساندند.

برای رفع این مشکلات از اقدامات اصلاحی زیر استفاده شد:

با کاهش میزان ناخالصی های گوگرد و فسفر در آلیاِ فولادی دمای تغییرشکل از حالت نرم به ترد کاهش داده شد.

گوشه های دریچه ها با جوشکاری یک تکه ورق مناسب، گرد شد تا از تمرکز تنش جلوگیری شود.

در محلهای مناسبی روی ورقها از نوارهای پرچکاری شده استفاده شد که به منزله مانع انتشار ترک عمل می کنند.

آموزش جوشکاری ارتقا داده شد و کدهای فنی جوشکاری تدوین شدند.

با وجود این موارد شکست، برنامه تولید کشتی های لیبرتی در تامین نیازهای جنگی متفقین یک موفقیت بشمار می رود. تحلیل مفصل این شکست ها منجر به پیدایش دانش جدید مکانیک شکست (Fracture Mechanics) گردید.

منبع:

MATERIALS SCIENCE and ENGINEERING, An Introduction,  William D. Callister, Jr., David G. Rethwisch