Почему затонул Титаник?

10 апреля 1912 года британский королевский лайнер «Титаник» отправился в свой первый и последний рейс между двумя континентами через Атлантический океан. В ночь с 14 на 15 апреля он столкнулся с айсбергом и затонул в Северной Атлантике меньше чем за три часа. Погибло больше 1500 человек.

Историю вы и так знаете, фильм все смотрели, а я сегодня разберу металловедческую сторону вопроса и расскажу, почему столкновение с айсбергом привело к такому быстрому затоплению огромного судна. Хотя, возможно, вы и это уже знаете.

1. Судно из стекла

Это был уже не XVIII век с деревянными кораблями, а XX-й. Корпус «Титаника» сделали из стали. Обычно требования к материалу зависят от того, где и как ему предстоит работать. Сейчас при сдаче продукции заказчику (если речь идет о конструкционных материалах) контролируют две главные вещи: химический состав и механические свойства металла. Структуру и чистоту тоже проверяют, но не всегда.

Небольшое отступление

Основные испытания для измерения механических свойств металла — это растяжение и удар. В первом случае берут образец и растягивают, пока он не порвется (не руками, конечно, а на специальной машине). Замеряют приложенную нагрузку — и с учетом площади сечения получают прочность материала. Во втором случае делают образец с надрезом (чтобы легче разрушался) и бьют по нему маятниковым молотом, измеряя затраченную энергию. Чем она выше, тем вязче металл: молот в нем как будто застревает. Низкая энергия говорит о хрупкости — трещина легко распространяется на большие расстояния. Примерно это выглядит так, как на рисунках ниже.

Спустя десятилетия, в 1991 году, со дна подняли первые фрагменты корпуса и изготовили из них образцы для описанных испытаний. Ударные тесты показали, что при температуре образования льда в океане сталь разрушалась полностью хрупко. При низких температурах атомы становятся менее подвижными, дислокации (микроскопические дефекты кристаллической решетки, отвечающие за пластичность, о которых я говорил здесь) скользят по металлу неохотно, пластическая деформация затрудняется, и возникают хрупкие трещины, которые мгновенно расползаются на большие расстояния. У каждой стали это происходит при своей температуре и зависит от многих факторов. Чтобы определить температуру хрупко-вязкого перехода (то есть когда металл становится хрупким), строят график зависимости энергии разрушения при ударе от температуры испытания (кривая хладноломкости). На рисунке ниже — такие кривые для современной стали и для стали корпуса «Титаника».

Один из самых распространенных в документации способов — найти температуру, при которой энергия удара составляет 27 Дж. Для понимания: 27 Дж — это энергия падения килограммовой гири с высоты около 2,5 метров. Не знаю, кто придумал эту цифру, но я и мои коллеги относимся к ней довольно критически. Потому что 27 Дж или 30 — по таким тестам означает, что материал одинаково хрупкий, хотя формально 30 уже допускают к эксплуатации.

Так вот, по этому критерию, как видно из графика, температура хрупко-вязкого перехода для фрагментов корпуса «Титаника» — примерно 40–70 °С. Это означает, что даже при плюс сорока градусах сталь вела бы себя как стекло — а в ледяной воде и подавно. То есть судно уже отчалило в свое путешествие с заведомо хрупким корпусом. Так появилась первая версия, почему так быстро затонул «Титаник»: при ударе об айсберг в обшивке образовалась 90-метровая хрупкая трещина, давшая огромную пробоину.

Дальше разберем, что в металле делает его хрупким.

2. Грязная сталь

В 1996 году достали еще немного фрагментов обшивки — и снова обнаружили высокую температуру хрупкости. Но на этот раз материала хватило, чтобы исследовать химический состав и микроструктуру. В таблице ниже — содержание основных элементов в стали корпуса «Титаника» и в современной стали. На всякий случай напомню: сталь — это сплав железа с углеродом, в который из руды и на разных этапах производства неизбежно попадают разные примеси: марганец, сера, фосфор, кремний и так далее.

Сера и фосфор — вредные примеси для стали, они повышают хрупкость. В корпусе «Титаника» их было намного больше, чем в современных сталях. Неудивительно: времена были другие, технологии выплавки, которые убирают эти примеси, тогда еще не были развиты. За целый век металлургия неизбежно шагнула вперед.

Второй фактор — низкое содержание марганца. Обычно марганец в кристаллической решетке железа повышает вязкость разрушения. Но когда серы много, марганцу очень хочется соединиться с ней с образованием сульфида MnS. Эти сульфиды (по сути, инородные тела в стали) тоже вредны и могут становиться центрами зарождения трещин.

Итак, в стали корпуса «Титаника» сошлись два негативных фактора. Из-за большого количества серы и малого количества марганца, весь марганец ушел из кристаллической решетки железа (ослабив связи и снизив вязкость) и соединился с серой, образовав много крупных включений MnS — центров зарождения хрупких трещин.

Когда посмотрели на излом образцов обшивки под микроскопом (это называется фрактография), увидели, что на 95% они выглядят как разбитое стекло с множеством участков скола. А в некоторых местах, в очагах трещин, нашли те самые частицы MnS.

3. Препятствия для трещины

Еще одно небольшое отступление

Если присматривались к сахару-рафинаду, то видели: он состоит из мелких сахаринок. Так вот большинство металлов из обычной жизни (не считая специфических отраслей) устроены примерно так же. Они состоят из множества металлических частиц, соединенных между собой, но имеющих четкие границы. Эти частицы мы называем зернами. Логично предположить, что чем крупнее зерна, тем их меньше в объеме металла и тем короче путь проходит трещина. Хрупкая трещина быстро бежит внутри одного зерна, но тормозится и меняет направление, когда переходит через границу между зернами. Значит, чем больше границ и, соответственно, чем меньше зерна, тем сильнее трещина тормозится, петляет и проходит больший путь, а на разрушение тратится больше энергии.

Размер зерен в готовом изделии напрямую зависит от изготовления — от прокатки и термообработки. В металле обшивки «Титаника» зерна были примерно в 4 раза крупнее, чем в аналогичной современной стали. Это значит, что горячую прокатку листа вели очень медленно, и он успевал сильно остыть. Скорее всего, опять же пережиток технологий тех лет.

4. Роковые заклепки

Позже со дна подняли заклепки, которыми скрепляли обшивку, — и появилась вторая версия быстрого затопления судна.

Оказалось, заклепки тоже не блещут качеством. Правда, детально удалось изучить только две из трех миллионов на корпусе (статистика так себе, но что есть, то есть). Выяснилось, что они были очень «грязными» с точки зрения металлургии. Крупные неметаллические включения в сталях того времени считались нормой (они возникали при выплавке, при определенных процедурах очистки, и оставались в металле), но для ответственных деталей все же существовали ограничения по их размеру и количеству. В заклепках «Титаника» их максимально допустимое количество было превышено в три раза. При низких температурах эти включения, как и сульфиды марганца, служили центрами образования трещин. На рисунке ниже — поднятая со дна заклепка и ее микроструктура с огромным количеством шлаковых силикатных включений (черного цвета) – по сути, инородных частиц, которые мешают металлу работать как единое целое».

Кроме того, заклепки запрессовывали в корпус горячими. Когда они остывали, то хотели уменьшиться в объеме, но металл вокруг не давал этого сделать. Так они оставались в напряженном состоянии, как сжатая пружина, которая хочет выстрелить при малейшем толчке. Это, конечно, сказалось при ударе. Две извлеченные заклепки лишились своих шляпок — судя по всему, как и почти все заклепки в носовой части корабля, они вылетели при столкновении с айсбергом. То же самое видели на предшественнике «Титаника» — лайнере «Олимпик», когда тот столкнулся с крейсером Королевского флота «Хоук». Там при детальном изучении фотографий со дна оказалось, что от удара вылетело множество заклепок (скорее всего, от одного поставщика). То есть разрушение было не единичным случаем. Поэтому самая вероятная версия быстрого затопления огромного судна — буквальное расхождение корабля по швам из-за разрушившихся и вылетевших заклепок.

Итог

В начале XX века металлургия еще не умела очищать металл так, как сегодня. Производство стали довольно среднего качества приводило ко многим трагедиям — и «Титаник» стал одной из них. 

Из-за обилия шлаковых включений заклепки стали хрупкими на холоде, и швы корабля просто разошлись, а огромный лайнер мгновенно заливало водой. Листовая сталь обшивки имела неудачный химический состав, который породил другие неметаллические включения — центры зарождения трещин. Вдобавок, несовершенные режимы прокатки дали крупное зерно, облегчающее разрушение. В итоге в океане уже находился корабль из полностью хрупкой стали, и при ударе трещина мгновенно расползлась по корпусу на десятки метров.

Здесь я опущу действия персонала корабля, который несся на огромной скорости прямо на айсберг, это уже давно обсудили без меня. Мне интересна металловедческая сторона вопроса, и я ею с вами поделился.

Что именно повлияло на выбор такого металла при строительстве — экономия, халатность или особенности технологий того времени, — мы уже не узнаем. Скорее всего, «Титаник» все равно затонул бы после такого мощного удара о гигантский айсберг. Но будь металл заклепок и корпуса не таким хрупким, возможно, успела бы прибыть помощь, и удалось бы спасти больше жизней.