系列问题七：材料学角度聊聊泰坦尼克号沉没之谜？

aaron01

系列问题之七

aaron01

泰坦尼克号号称永不沉没，其沉没之谜，历史上有各种版本，我们不讨论其他，只是从材料学角度来讨论好啦。存在几个问题：
1、船体用的钢冶炼质量不佳，有很多硫化物杂质，
2、当时的船体钢板过于注重强度，忽视韧性，尤其是低温韧性差，在冰冷的海水里受到冲击，脆而易断
3、船头用的铆接钢板用的铆钉没有按规定用钢制的，用的是锻铁的，强度不够，受冲击后铆钉断裂造成船头钢板散架。

aaron01

老孤搞错了，不是木制的船，有图为证

孤鸿踏雪

aaron01 发表于 2013-6-14 08:21
老孤搞错了，不是木制的船，有图为证

       据说泰坦尼克号是因为撞击冰山而沉没的

aaron01

孤鸿踏雪 发表于 2013-6-14 08:28
据说泰坦尼克号是因为撞击冰山而沉没的

撞击冰山自然是外因，泰坦尼克当时可是号称永不沉没的巨轮，那么不经撞，首航就出了大海难？ 其本身没有一定的内因因素吗？

孤鸿踏雪

aaron01 发表于 2013-6-14 08:36
撞击冰山自然是外因，泰坦尼克当时可是号称永不沉没的巨轮，那么不经撞，首航就出了打海难，其本身没有一 ...

      据有关信息爆料，泰坦尼克号是带着极大的设计和制造缺陷下海的，其总设计师原本高调公开要登船参加远航的，实际上根本没有登船

upposition

泰坦尼克号的致命伤在于船右侧与冰山尖锐棱角刮蹭到导致伤口太长，多个舱灌水。超出船能承受的极限。但如果正面撞上就算撞的在猛烈也仅仅是最前面的第一个舱被毁，顶多就是船头毁容，船开到纽约之后船长颜面扫地。绝对不至于沉没。

夏日凉风

可能：材质不纯净，低温冲击性能较差。
可能：航速过快，船长安全意识不强，过于掉以轻心。

aaron01

由于船舶工作环境恶劣，船体壳要受海水的化学腐蚀、电化学腐蚀和海生物、微生物的腐蚀；船体承受较大的风浪冲击和交变负荷；船舶形状使其加工方法复杂等因素、所以对船体结构用钢要求严格。首先良好的韧性是最关键的要求，此外，要求有较高的强度，良好的耐腐蚀性能、焊接性能，加工成型性能以及表面质量。为保质量和保证有足够的韧性，要求化学成分的Mn/C在2.5以上，对碳当量也有严格要求，并由船检部门认可的钢厂生产。船体用结构钢按照其最小屈服点划分强度级别为：一般强度结构钢和高强度结构钢。船体用结构钢分一般强度和高强度钢两种，一般强度钢按质量分A、B、D和E四个等级；高强度钢又分两个强度级别和三个质量等级；AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36。

而在1912年，冶金和材料学的发展受历史限制，人们根本没有认识到韧性的重要。

aaron01

假如泰坦尼克号铆接的钢板能够承受6次冲击，就不会发生这样的惨案。不幸的是，冰山重量约为80万吨，4.6万吨的泰坦尼克号以极大的速度冲向冰山，产生的冲击力远远超过了钢板的韧性要求。整条船有2000块25.4mm厚度的钢板，使用了铆钉连接。钢板是苏格兰的Motherwell地区的Dalzell Works工厂制造。由高炉和酸性平炉冶炼，工厂有7个平炉，一个重要的原因是酸性平炉不能去除磷和硫杂质，科学家在1996年得到了泰坦尼克号的钢板试样，对比了化学成分，见下表：

                            C           Mn           P              S                Si            Cu           Ni           Cr
泰坦尼克号          0.21        0.47        0.045        0.069        0.017        0.02               
现代钢板1999      0.09        0.51        0.013        0.013        0.280        0.28        0.18        0.19

aaron01

泰坦尼克号的硫含量和现代钢板相比太高了，那个时代硫含量的控制主要是依赖低硫铁矿石，上个世纪早期英国冶炼使用的铁矿来源于瑞典，这是因为瑞典铁矿的硫含量较低。然而瑞典的铁矿由于高达15％的氧化钛夹杂物，在高炉冶炼时将其去除是极为困难的，高炉冶炼的温度不足以去除这类夹杂物，所以造成其后的冶炼和轧制的中板带有较高的含钛非金属夹杂物。Harbord在1905写了一本书，名字是《钢的冶炼》，称瑞典的铁矿为“含钛铁矿”，从而反证了泰坦尼克号沉没的原因之一是由于钢中含有玻璃相的杂质，造成了性能下降。
泰坦尼克号当时使用钢板与现在的钢板对比见下表：

                        屈服极限        抗张极限        延伸率        面积缩减率
泰坦尼克号        193 Mpa        417Mpa        29.0％        57.1％
现代1999年        338Mpa        441Mpa        27.0％        66.0％

文献表明了当时设计者Harland和Wolff要求钢的强度为234-310Mpa，但是钢板的屈服强度只有193Mpa，低于设计要求数值。抗张极限与现代差不多，尽管现代钢板碳含量偏低，但是硅含量和其他的元素含量高于泰坦尼克号，所以屈服极限大大增加。

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 08:13
泰坦尼克号号称永不沉没，其沉没之谜，历史上有各种版本，我们不讨论其他，只是从材料学角度来讨论好啦。存 ...

娃娃有几点要请教：
1. 何谓锻铁；
2. 首航即沉，可能意外因素是主要原因。从提供的数据看，绝非不堪一击。

aaron01

吉祥如意 发表于 2013-6-14 09:11
娃娃有几点要请教：
1. 何谓锻铁；
2. 首航即沉，可能意外因素是主要原因。从提供的数据看，绝非不堪一击 ...

锻铁又称熟铁，含碳量极低的碳钢。
用生铁精炼而成的比较纯的铁。含碳量在0.02%以下，又叫锻铁、纯铁。熟铁质地很软，塑性好，延展性好，可以拉成丝，强度和硬度均较低，容易锻造和焊接。

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 09:21
锻铁又称熟铁，含碳量极低的碳钢。
用生铁精炼而成的比较纯的铁。含碳量在0.02%以下，又叫锻铁、纯铁。熟 ...

噢，明白了，是低碳钢，不知道设计师的理念是什么。
但是，当时的工业技术应该采用中碳钢热铆接的方式呀。

aaron01

吉祥如意 发表于 2013-6-14 09:11
娃娃有几点要请教：
1. 何谓锻铁；
2. 首航即沉，可能意外因素是主要原因。从提供的数据看，绝非不堪一击 ...

别急啊，前面只说了硫含量的因素，以及屈服强度的问题，后面还有呢，关键的韧性问题还没开讲呢，搬把凳子且听铁匠讲故事。

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 09:27
别急啊，前面只说了硫含量的因素，以及屈服强度的问题，后面还有呢，关键的韧性问题还没开讲呢，搬把凳子 ...

好吧，娃娃今天要坐在铁匠对面唱戏。

aaron01

另一个重要的参数是冲击韧性。夏比试验测量不同温度下试验冲击后吸收的能量，钢的缺口敏感性和在瞬时承受冲击能力与温度之间的关系在那个时代设计者是不知道这个概念的。夏比试验是Grorges Charpy进行了冲击试验，在1910-1911年是不可能接受这个思想的，就是在泰坦尼克号沉没20多年后的1933年在ASTM标准中才给出。下图表明了泰坦尼克号的钢板试样在-2℃条件下纵向和横向低冲只有4焦耳。相同温度下现代的钢板冲击功能够达到纵向325焦耳和横向100焦耳。这非常明显看出来泰坦尼克号是不能在低温下承受这个冲击的。

aaron01

娃娃，看到没有，-2C的温度下，钢板的冲击功只有4焦耳！
那么厚的钢板，为什么冲击功会那么低呢？

落水残阳

1.铆钉材料？2.钢板材料？3. 焊缝？4.海市蜃楼？5.望远镜？6.阴谋论？7.煤的隐燃？8.韧脆转变温度？9.操作不当？……
残阳一直没弄清楚，当时造这个船的时候，使用焊接没有？还是通体铆接的？

aaron01

落水残阳 发表于 2013-6-14 09:37
1.铆钉材料？2.钢板材料？3. 焊缝？4.海市蜃楼？5.望远镜？6.阴谋论？7.煤的隐燃？8.韧脆转变温度？9.操作 ...

据记载，泰坦尼克号上3/4的铆钉使用高强度钢质材料，船首和船尾采用了锻铁材料的铆钉。
原因是船头部分巨大的铆钉机过不去，因此船头部分的铆钉是手工安装的。为了便于手工安装，船头使用了没有钢铁铆钉结实的锻铁铆钉。
我说了，其他因素不讨论，这里只从材料学角度出发讨论问题。

落水残阳

aaron01 发表于 2013-6-14 09:40
据记载，泰坦尼克号上3/4的铆钉使用高强度钢质材料，船首和船尾采用了可锻铸铁材料的铆钉。
原因是船头部 ...

艾伦说的我晕了。这船头船尾铆钉到底是什么材料？
可锻铸铁，终究是铸铁，韧性不好，强度硬度应该不错。但是你前面说锻铁，碳含量极低的材料。这貌似不一样啊。

我说的那9点，因为今年年初给非材料专业的人培训时拿这个船来说事，就到处看资料，有这9点说法，拿出来晒晒的。呵呵，咱们说材料。

aaron01

落水残阳 发表于 2013-6-14 09:45
艾伦说的我晕了。这船头船尾铆钉到底是什么材料？
可锻铸铁，终究是铸铁，韧性不好，强度硬度应该不错。 ...

船头和船尾是用的锻铁，就是熟铁的铆钉，你可以理解成纯铁的，为了安装方便。

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 09:40
据记载，泰坦尼克号上3/4的铆钉使用高强度钢质材料，船首和船尾采用了可锻铸铁材料的铆钉。
原因是船头部 ...

铁匠是否是笔误。
可锻铸铁与上面说的锻铁可不是一回事。
现代意义上的可锻铸铁可是高强度的铸铁，是不能锻的。做铆钉用不合适的。
这里有点晕。

aaron01

吉祥如意 发表于 2013-6-14 09:49
铁匠是否是笔误。
可锻铸铁与上面说的锻铁可不是一回事。
现代意义上的可锻铸铁可是高强度的铸铁，是不能 ...

铁匠用的是当时的炼钢术语，
当时称生铁和熟铁，铁矿石熔炼出生铁，将生铁再精炼去碳后，得到熟铁（锻铁），你就理解成纯铁好啦。

aaron01

沈括《梦溪笔谈》载：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之团钢。”

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 09:55
沈括《梦溪笔谈》载：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之团钢 ...

这个问题不纠缠了。
大船是怎么沉的，是从用锻铁的地方开始破裂的？

hta

就觉得可能磷的害处在当年更大，有冷脆效应，硫在北冰洋那块可能害处不明显

aaron01

扯远了，话题回来谈船板的韧性问题吧。
为什么这么厚的钢板如此脆，已经知道了钢板中的硫含量和磷含量高，不仅仅是这两个杂质的影响，从1996年检验的泰坦尼克号钢板试样发现有大量的线状硫化锰夹杂，而且有相当大的体积量的裹渣夹杂物。见下图。


夹杂的形态见下图扫描电镜照片，

注意到夹杂物是复合型夹杂，主要有三个组成部分，为了弄清楚夹杂物的成分，使用电子探针分析，

X射线检验结果，分析夹杂里面的Mn、Si、Fe、O、S和Ti。第一类是簇状的夹杂物，成分为硅锰玻璃相；第二类是氧化钛夹杂物；第三类是硫化锰夹杂。钛是从瑞典的钛铁矿里面而来。非常有意思的发现，在1907年伦敦出版的E.F. Law文章里面就有渣夹杂物的分析，Law检验许多钢，他发现实验中断裂是由于夹杂或者杂质存在引起，而且尺寸十分大，钢材在一定的条件下使用这些裹渣和大颗粒夹杂对事故发生都扮演着极为重要的影响。研究表明了金相分析的特别重要性，可惜当时都没有给予理睬。在那个时代虽然进行了阐述，当时钢板的生产工厂冶金工作者们没有使用这种质量控制的工具。显然在当今的钢材生产中，对产品的高倍检验就非常仔细，并且有严格的标准对照。在1907-1912年间，对钢中裹渣和夹杂的知识非常少，而且没有可以实际使用的对照标准和规范来去除这些夹杂和裹渣。钢包内的钢水连同顶渣一起浇铸在钢锭内。

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 10:02
扯远了，话题回来谈船板的韧性问题吧。
为什么这么厚的钢板如此脆，已经知道了钢板中的硫含量和磷含量高， ...

这一点非常重要。冶炼质量的低劣已经远远大于个别有害元素的影响，和选材不当的危害了。

aaron01

吉祥如意 发表于 2013-6-14 10:10
这一点非常重要。冶炼质量的低劣已经远远大于个别有害元素的影响，和选材不当的危害了。 ...

娃娃是说炼钢时缺了一道现代的去渣工艺，对吧？

aaron01

说了钢板，再说铆钉吧。
泰坦尼克号撞击开裂另外一个因素是铆钉本身。3/4的铆钉使用高强度钢质材料，船首和船尾采用了锻铁材料的铆钉，锻铁碳含量相对较低，含有较多的线状夹渣，这种材料加热后具有一定的展性，铆钉加工成型较易。调查了约40个锻铁铆钉，发现许多铆钉夹渣过多，恶化了铆钉的性能。锻铁铆钉使用的数量相对于整个船体来说是不大的。在第5和第6锅炉房第2和第3货舱使用的钢铆钉。铆钉不是造成船体6个密封舱钢板开裂的主要原因，因为船头已经扎入海泥15m，没有发现像使用同样钢板材料的姐妹船RMS Olympic和HMS Hawke号撞击可见的开裂现象。从冶金学的调查上看，是铆钉材质问题和钢板的脆性结合在一起，造成了钢板如此容易开裂。

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 10:15
说了钢板，再说铆钉吧。
泰坦尼克号撞击开裂另外一个因素是铆钉本身。3/4的铆钉使用高强度钢质材料，船首和 ...

铁匠用计算机模拟一下，如果重新进行用材选择，在相同的条件下，撞击冰山会是怎样的效果？

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 10:12
娃娃是说炼钢时缺了一道现代的去渣工艺，对吧？

目的是，找出主要问题的所在。

aaron01

泰坦尼克号的沉没对近代造船设计，航海技术的采用，冶金质量的提高都产生了深远的影响，站在冶金的角度上，应当了解100年前冶金状况，同时可以看出随着时代的进步，冶金工业不断发展，钢材的质量得到飞跃提高。
人们总是不断从错误中吸取教训，并且逐渐强大起来的，从这个角度来看问题，我们应该感谢泰坦尼克号！

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 10:21
泰坦尼克号的沉没对近代造船设计，航海技术的采用，冶金质量的提高都产生了深远的影响，站在冶金的角度上， ...

也从某种意义上，说明科学是严肃的，来不得半点夸张和冒进。当时的人们思想上有些狂妄。

aaron01

吉祥如意 发表于 2013-6-14 10:33
也从某种意义上，说明科学是严肃的，来不得半点夸张和冒进。当时的人们思想上有些狂妄。 ...

狂妄也许谈不上，铁匠觉得是认知上还有所不足，毕竟在过去100年里，科技有了飞速的发展，回过头去看看，100年前，当然会觉得他们怎么连这个都不懂？

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 10:35
狂妄也许谈不上，铁匠觉得是认知上还有所不足，毕竟在过去100年里，科技有了飞速的发展，回过头去看看，1 ...

娃娃只知道，电影上上船时的情景。当时造如此大的邮轮，各方面的论证没有得到肯定。匆匆下水远洋，不可思议。

aaron01

吉祥如意 发表于 2013-6-14 10:38
娃娃只知道，电影上上船时的情景。当时造如此大的邮轮，各方面的论证没有得到肯定。匆匆下水远洋，不可思 ...

从材料学角度来看，冲击韧性和冶炼方法这些东西，超出了当时人们的知识认知程度。

吉祥如意

aaron01 发表于 2013-6-14 10:56
从材料学角度来看，冲击韧性和冶炼方法这些东西，超出了当时人们的知识认知程度。 ...

换句话说：当时人们的享乐欲望超出了科学的水平？
冶金学家的知识水平满足不了人们的生活需求？
邮轮设计家计算不出船体所需的性能数据？
据娃娃所知：当时的科学发展应该是可以解答上述的疑问的。
为什么？也许也是个谜？

aaron01

吉祥如意 发表于 2013-6-14 11:04
换句话说：当时人们的享乐欲望超出了科学的水平？
冶金学家的知识水平满足不了人们的生活需求？
邮轮设计 ...

铁匠现有的水平，实在是无法回答这些问题，不过铁匠会继续学习，一定会搞明白的，等铁匠长大了，肯定知道得比现在更多

落水残阳

吉祥如意 发表于 2013-6-14 11:04
换句话说：当时人们的享乐欲望超出了科学的水平？
冶金学家的知识水平满足不了人们的生活需求？
邮轮设计 ...

应该说这个船设计时给的安全裕度不够，对可能的失效情况预判不足。如果不撞上冰山，一样可以到达大洋彼岸。如同现在的汽车，正常在路上开，只要不撞上别的车，一般不会出事，但是撞了之后，不同的车子就表现出不一般的安全裕度了。
当时也许问，这船能到大洋彼岸么？
答曰能。
撞到冰山会怎样？
谁撞谁知道，撞了才知道。或者说，正面相撞没事，撞到N吨以下的冰山没事。
好吧，航行吧，只要咱们不去撞冰山就好了。

吉祥如意

落水残阳 发表于 2013-6-14 11:19
应该说这个船设计时给的安全裕度不够，对可能的失效情况预判不足。如果不撞上冰山，一样可以到达大洋彼岸 ...

也许是巧合，也许是运气，也许是忽视。
是材料问题。不是热处理问题。

hta

吉祥如意 发表于 2013-6-14 11:24
也许是巧合，也许是运气，也许是忽视。
是材料问题。不是热处理问题。

结论我是部分同意的，但是应该说热处理作为一门学科出现，泰坦尼克是有一定促进作用的，在它之前，热处理都是经验性的，没什么理论，后来理论才大发展

吉祥如意

hta 发表于 2013-6-14 11:28
结论我是部分同意的，但是应该说热处理作为一门学科出现，泰坦尼克是有一定促进作用的，在它之前，热处理 ...

欢迎提出不同的观点。

qidian

和热处理无关导演这一幕的是人的欲望和冲动
看看郑和的表现怎么样

拿铁活

研究的好深啊，学习学习

吉祥如意

落水残阳 发表于 2013-6-14 11:19
应该说这个船设计时给的安全裕度不够，对可能的失效情况预判不足。如果不撞上冰山，一样可以到达大洋彼岸 ...

冰山是多晶的吧。要是单晶的，不知撞上是何景观？

浩然天地

钢铁的低温脆性及韧脆转变温度的概念在那时候是没有的，这是个重要原因吧。

microsoft

吉祥如意 发表于 2013-6-14 09:11
娃娃有几点要请教：
1. 何谓锻铁；
2. 首航即沉，可能意外因素是主要原因。从提供的数据看，绝非不堪一击 ...

焊接技术起源于1856年，当初这么不适用焊接呢？铆钉将钢板铆在一起不会漏水吗

qibao9891

铆接工艺中专门有一项叫做“密缝铆接”。
过去的蒸汽锅炉也有使用铆接密缝的，也能用。