فاجعه کشتی‌های لیبرتی و تولد علم شکست در متالورژی
فاجعه کشتی‌های لیبرتی (Liberty Ships Disaster)

چکیده
در طول جنگ جهانی دوم، پروژه کشتی‌های لیبرتی به‌عنوان بزرگ‌ترین برنامه ساخت سازه‌های فولادی تاریخ تا آن زمان اجرا شد. اگرچه این پروژه از نظر لجستیکی موفقیت‌آمیز بود، اما بروز شکست‌های ناگهانی، گسترده و گاه فاجعه‌بار در بدنه کشتی‌ها نشان داد که دانش متالورژی و رفتار شکست فولاد در آن زمان هنوز به بلوغ نرسیده است. بررسی این حادثه منجر به شکل‌گیری علم مکانیک شکست، استانداردسازی آزمون‌های چقرمگی و تغییر بنیادین فلسفه طراحی مهندسی شد.

واژگان کلیدی: Liberty Ships، شکست ترد، جوشکاری، DBTT، مکانیک شکست، فولاد سازه‌ای

 

تاریخچه
کشتی‌های لیبرتی ( Liberty ships) کلاسی از کشتی‌های باربری بودند که در جریان جنگ جهانی دوم در ایالات متحده آمریکا ساخته شدند. با وجود داشتن کانسپتی بریتانیایی، طراحی این کشتی به دلیل سادگی و ساخت ارزان‌قیمتش توسط ایالات متحده انجام شد. کشتی لیبرتی با تولید انبوه در مقیاسی بی‌سابقه، برای نشان دادن قدرت صنعتی ایالات متحده در زمان جنگ، ساخته شد.
این کلاس به این دلیل ساخته شد تا سفارشات حمل و نقل بریتانیایی‌ها را برآورده کند تا به عنوان جایگزینی برای کشتی‌هایی باشد که از دست رفته بودند. 18 کارخانه کشتی‌سازی آمریکایی ،۲۷۱۰ کشتی لیبرتی را بین سالهای ۱۹۴۱ تا ۱۹۴۵ ساختند (به‌طور متوسط در هر دو روز ۳ کشتی لیبرتی) که به راحتی تبدیل به بیشترین تعداد از کشتی‌های تولید شده از طراحی یکسان بود.
این تولیدات آنها مشابه (البته در مقیاسی بسیار بزرگتر) تولید "Hog Islander" و همچنین کشتی‌های مشابه استاندارد شده در دوران جنگ جهانی اول بود.
ازدیاد تلاش‌ها، تعداد کشتی‌های ساخته شده، نقش کارگران زن در ساخت آنها و سالم ماندن بعضی از آنها بسیار بیشتر از عمر طراحی شده ۵ ساله‌شان، دست به دست یکدیگر دادند تا آنها را به سرمایه‌گذاری طولانی تبدیل کند.

1- ضرورت تاریخی ساخت کشتی‌های لیبرتی
با شروع جنگ دریایی در اقیانوس اطلس، زیردریایی‌های آلمانی (U-Boats) روزانه ده‌ها کشتی تجاری متفقین را غرق می‌کردند. پاسخ آمریکا، طراحی کشتی‌ای بود که:
•    سریع ساخته شود
•    هزینه پایینی داشته باشد
•    نیازمند نیروی کار با مهارت بالا نباشد
نتیجه این تفکر، کشتی‌های Liberty  بود؛ سازه‌هایی فولادی با طراحی ساده که قابلیت تولید انبوه داشتند.

 

2- تغییرات بنیادین در فناوری ساخت
2-1- گذار از پرچ‌کاری به جوشکاری
کشتی‌ها از بخش‌هایی ساخته شده بودند که به هم جوش داده می‌شدند. این شبیه به روشی است که پالمرز در جارو، مکانی در شمال شرقی انگلستان، استفاده می‌کرد، اما به جای جوشکاری از پرچ‌کاری بهره برد. ساخت کشتی‌هایی که به روش پرچ‌کاری ساخته می‌شدند، چندین ماه طول می‌کشید. نیروی کار، تازه آموزش دیده بود—هیچ‌کس قبلاً کشتی‌هایی با روش جوشکاری نساخته بود. پروژه لیبرتی اولین استفاده گسترده از بدنه تمام‌جوشی بود.
این تغییر مزایای زیادی داشت:
•    کاهش وزن
•    افزایش سرعت ساخت
•    کاهش مصرف فولاد
اما پیامدهای متالورژیکی آن به‌درستی شناخته نشده بود.

این کشتی‌ها در ابتدا به دلیل ظاهرشان، وجهه عمومی ضعیفی داشتند. رئیس‌جمهور فرانکلین دی. روزولت در یک سخنرانی که برنامه کشتی سازی اضطراری را اعلام کرد، از این کشتی به عنوان "یک شیء دلهره‌آور" یاد کرد و مجله تایم آن را "جوجه اردک زشت" نامید. ۲۷ سپتامبر ۱۹۴۱، روز ناوگان کشتی لیبرتی نامگذاری شد تا اذهان عمومی را آرام کند، چرا که ۱۴ کشتی برای اولین بار به‌طور "اورژانسی" در آن روز به آب انداخته شدند. اولین آنها اس اس پاتریک هنری بود که توسط رئیس‌جمهور روزولت به آب انداخته‌شد. در سخنانی در مراسم به آب اندازی، رئیس‌جمهور روزولت به سخنرانی پاتریک هنری در سال ۱۷۷۵ اشاره کرد که با عبارت "به من آزادی بده یا مرگ را" به پایان می‌رسید. روزولت گفت که این دسته جدید از کشتی‌ها آزادی را به اروپا می‌آورند که باعث خلق و گسترش نام کشتی لیبرتی شد.
ساخت اولین کشتی‌ها حدود ۲۳۰ روز طول می‌کشید (ساخت پاتریک هنری ۲۴۴ روز طول کشید)، اما میانگین آن در نهایت به ۴۲ روز کاهش یافت. رکورد زمان ساخت توسط SS Robert E. Peary  شکسته شد، این کشتی ۴ روز و ۱۵٫۵ ساعت پس از گذاشتن صفحات حمل‌کننده اصلی به آب انداخته شد، اگرچه این شگرد تبلیغاتی تکرار نشد: با این وجود که بسیاری از کارهای نصب تجهیزات و کارهای دیگر انجام نشده‌بود، Peary به آب انداخته شد. کشتی‌ها به سبک خط تولید، از بخش‌های از پیش ساخته شده، ساخته می‌شدند. در سال ۱۹۴۳، روزانه سه کشتی لیبرتی تکمیل می‌شدند. آنها معمولاً به نام آمریکایی‌های مشهور نامگذاری می‌شدند و فرایند نام‌گذاری با اسامی امضا کنندگان اعلامیه استقلال شروع شد. ۱۷ کشتی لیبرتی به افتخار آفریقایی-آمریکایی‌های برجسته نامگذاری شدند. اولین مورد، به افتخار بوکر تی. واشینگتن، توسط ماریان اندرسون در سال ۱۹۴۲ نام‌گذاری شد، و اس اس هاریت تابمن، که شناساگر تنها زنی که در لیست حضور داشت بود، در ۳ ژوئن ۱۹۴۴ نام‌گذاری شد.

 

3- نخستین نشانه‌های فاجعه
از سال 1943 گزارش‌هایی از ترک‌های طولانی در بدنه کشتی‌ها ثبت شد. کشتی‌های لیبرتی اولیه از ایجاد ترک‌هایی در بدنه و عرشه رنج می‌بردند و تعداد کمی از آن‌ها به دلیل چنین نقص‌های ساختاری از بین رفتند. در طول جنگ جهانی دوم نزدیک به ۱۵۰۰ مورد شکستگی ترد در این کشتی‌ها ایجاد شد. دوازده کشتی، از جمله سه کشتی از ۲۷۱۰ کشتی لیبرتی ساخته شده، بدون هیچگونه زنگ خطری به دو نیمه تقسیم شدند، از جمله SS John P. Gaines، که در ۲۴ نوامبر ۱۹۴۳ با از دست دادن ۱۰ نفر از خدمه غرق شد. در ابتدا ظن این مشکلات به گردن کارخانه‌های کشتی‌سازی افتاد، با این ادعا که اغلب آنها از کارگران بی‌تجربه و همچنین تکنیک‌های جدید جوشکاری برای تولید تعداد زیادی کشتی، با عجله و سرعت بالا استفاده می‌کنند.
برخی ویژگی‌های این شکست‌ها:
•    رشد ترک در مدت چند ثانیه
•    شکست کامل بدون هشدار قبلی
•    وقوع شکست حتی در بندر و بدون بار کامل
در مواردی، کشتی دقیقاً از وسط به دو نیم تقسیم می‌شد.

بررسی ها
وزارت حمل و نقل جنگ، Empire Duke  ساخت بریتانیا را برای اهداف آزمایشی قرض گرفت. کنستانس تیپر از دانشگاه کمبریج به وضوح بیان کرد که شکستگی‌ها از محل‌های جوش‌کاری شروع نشده‌اند، بلکه ناشی از تردی فولاد مورد استفاده در دمای پایین بوده‌اند؛ وهمینطور بیان کرد که همان نوع فولادی که در ساخت‌وساز کشتی به روش پرچ‌کاری استفاده می‌شود این مشکل را ندارد. او کشف کرد که کشتی‌های قرار گرفته در اقیانوس اطلس شمالی در معرض دماهایی قرار می‌گیرند که می‌توانند به زیر نقطه بحرانی‌ای برسد که در آن فولاد از خاصیت شکل‌پذیری و نرمی خود به خاصیت تردی تغییر خاصیت می‌دهد و به ترک‌ها اجازه می‌دهد به راحتی شروع شوند و جوانه بزنند. ساختار بدنه که عمدتاً با روش جوش‌کاری ساخته شده بود، به ترک‌های کوچک اجازه می‌داد تا بدون هیچ مانعی پخش شوند و رشد کنند، و این برخلاف بدنه‌ای بود که از صفحات جداگانه پرچ‌شده به هم، ساخته شده بود. یکی از انواع رایج ترک‌ها، در گوشه مربعی دریچه که با یک درز جوش داده شده منطبق می‌شد، متمرکز می‌شد که هر دوی گوشه دریچه و درز جوش داده شده را به محلی برای تمرکز تنش تبدیل می‌کرد. علاوه بر این، کشتی‌ها، اغلب به‌شدت و بیشتر از حد مجاز بارگیری می‌شدند و این موضوع تنش‌ها را افزایش می‌داد و برخی از مشکلات در هنگام وقوع یا پس از طوفان‌های شدید در دریا رخ می‌داد که این دو موضوع هر کشتی‌ای را در معرض خطر قرار می‌داد. اصلاحات جزئی در دریچه‌ها و تقویت‌کننده‌های مختلفی در کشتی‌های لیبرتی برای رفع مشکل ترک‌خوردگی اعمال شدند. کشتی جانشین آن یعنی ویکتوری، از همان فولاد با طراحی بهبود یافته برای کاهش خستگی احتمالی استفاده کرد.
تحلیل و دسته بندی مشکلات کشتی های لیبرتی به مشکلات زیر مرتبط شد

4- تحلیل دقیق متالورژیکی فولاد مصرفی
4-1-ترکیب شیمیایی نامناسب
فولادهای مصرفی معمولاً دارای:
•    گوگرد (S) بالا
•    فسفر (P) بالا
•    کنترل ضعیف اکسیژن و نیتروژن
بودند که این عناصر باعث کاهش شدید چقرمگی، به‌ویژه در دماهای پایین می‌شدند.

4-2-دمای تبدیل تردی به نرمی  (DBTT)
امروزه می‌دانیم فولادها در دماهای پایین از رفتار چقرمه به رفتار ترد تغییر می‌کنند. فولاد کشتی‌های لیبرتی دارای DBTT  بالا بود.
دمای آب اقیانوس اطلس شمالی:
•    بین -1 تا +5 درجه سانتی‌گراد
در این شرایط فولاد عملاً بدون تغییر شکل پلاستیک می‌شکست.

5-نقش بحرانی جوشکاری
5-1- تنش‌های پسماند
جوشکاری گسترده باعث ایجاد تنش‌های کششی پسماند در بدنه شد؛ تنش‌هایی که بدون بار خارجی نیز وجود داشتند.

5-2- نواحی متاثر از حرارت (HAZ)
ریزساختار نواحی HAZ شامل:
•    دانه‌های درشت
•    فازهای شکننده
•    کاهش چقرمگی ضربه‌ای
در آن زمان کنترل ریزساختار جوش هنوز علمی نشده بود.

6- تمرکز تنش و طراحی هندسی
طراحی کشتی شامل:
•    دریچه‌های مربعی
•    گوشه‌های تیز
•    تغییرات ناگهانی ضخامت ورق
این هندسه‌ها باعث تمرکز تنش شدید و آغاز ترک می‌شدند.

7- نبود درک از پدیده رشد ترک
در دهه 1940:
•    ترک به‌عنوان عیب بحرانی شناخته نمی‌شد
•    مهندسان بر اساس تنش متوسط طراحی می‌کردند
•    مفهوم طول ترک بحرانی وجود نداشت
در حالی که فولاد می‌توانست با تنش کم ولی وجود ترک، دچار شکست ناگهانی شود.

8- اقدامات اصلاحی انجام‌شده

8-1- اصلاح فولاد
•    کاهش فسفر و گوگرد
•    بهبود چقرمگی

8-2-اصلاح طراحی
•    گرد کردن گوشه‌ها
•    افزودن Crack Arresters
•    افزایش ضخامت موضعی

8-3-اصلاح کنترل کیفیت
•    استفاده از آزمون ضربه شارپی
•    بازرسی دقیق جوش‌ها

9-تولد علم مکانیک شکست
فاجعه لیبرتی‌ها منجر به توسعه:
•    معیارهای چقرمگی شکست (K_IC)
•    نظریه گریفیت اصلاح‌شده
•    طراحی بر مبنای وجود ترک
این حادثه پایه‌گذار نگرش مدرن طراحی ایمن شد.

جمع‌بندی نهایی
فاجعه کشتی‌های لیبرتی نشان داد که پیشرفت سریع فناوری بدون درک عمیق رفتار مواد، می‌تواند پیامدهای فاجعه‌بار داشته باشد. این حادثه، نقطه آغاز مهندسی شکست و بلوغ واقعی علم متالورژی در طراحی صنعتی بود.