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标  题: [身边的力学]冰海沉船的启示——周道祥
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 15:50:02 2005), 站内

冰海沉船的启示

周道祥
 

   说到冰海沉船人们很自然地会想起英国白星航运公司的豪华邮轮“泰坦尼克号”触冰山而沉没的悲惨一幕，更由于《冰海沉船》这部电影的生动描述，使当年的悲壮场面令人终生难忘。

    “泰坦尼克号”是当时最大、最豪华的邮轮，排水量为4600吨，有海上都城之称。在它从英国南安普敦到美国纽约的处女航中已顺利地走完了差不多5／6的航程。1912年4月14日夜晚“泰坦尼克号”在加拿大纽芬兰岛大滩以南约150千米的海面上与冰山相撞，船的右舷撕开了长91．5米的口子，船上约2200名船员在猛烈的震动中惊醒。人们不会忘记随船的一位设计该轮的工程师从容然而不无沮丧地向人们解释的镜头。他在船侧视图的水线以下部分从头至中间偏后的部位重重地画了一条黑线，沉重地说：“有5个水密舵进水，船将在两个小时内沉没。”这个令人绝望的结论刺激了并未完全绝望的人们。在一场生死考验面前有的壮烈，有的卑怯，而那位工程师却伴随着他的作品沉入海底。1513人在这一场灾难中丧生，生还者尚不到全部乘员的1／4。

    人们从这次悲惨的事件中得出不少有益的教训，关于勤于了望和电报员值班之类的措施早已写入有关的条例中，现在人们已经可以通过雷达或其他技术手段不间断地观察航道周围的环境和轮船航行的状态，这无疑会对防止海难事故或及时救助遇险人员起重要作用。然而我们也应该深入地研究一下，为什么与冰山的一次冲撞竟会产生90多米长的大裂纹？有没有办法保证即使撞上冰山也不会导致轮船沉没呢？这一答案是30多年后才被找到的。

    冰海沉船绝不仅仅是“泰坦尼克号”，真正引出教训的却是第二次世界大战沉入冰海的近300艘轮船。

    在第二次世界大战正激烈进行的时候，同盟国的运输船队在北大西洋航线上也异常活跃。有不少货轮走的正是“泰坦尼克号”走过的航线。在这条艰难的航线上，除德国潜艇的袭击之外，最大的威胁莫过于冰山和风暴了。在短短的几年内，仅美国制造的“自由号”货轮就损失100多艘。这并非德国潜艇所为，而是毁于船体结构及材料不佳，有的轮船甚至刚下水就裂为两截。美国在第二次世界大战期间建成2500艘“自由号”轮，其中145艘折为两段，近700艘受到严重破坏。

    一些货船沿着“泰坦尼克号”的航线，重蹈“泰坦尼克号”的覆辙毫不为怪，然而，许多货轮在北大西洋凛冽的狂风中突然断为两截却使人费解。人们开始怀疑寒冷把金属“冻坏”了。一批才华出众的专家、学者开始在实验室中研究钢材的低温性能。他们对大量的破坏了的船体钢板在曾经发生事故的温度下进行材料性能测试，继而发展到对同一种材料在不同温度下的性能进行比较，对在发生事故的温度下未发生破坏的钢材作分析。结论很快就清楚了，钢材在低温下会变脆，在极低的温度下甚至像陶磁那样经不起冲击和震动。材料抗冲击、抗断裂的能力称为韧性。衡量材料韧性的实验很多，其中带裂纹的试样测定材料韧性是最重要的实验方法之一，所测得材料韧性值δC称为断裂韧度。一种材料的断裂韧性是随温度变化的。

    实验表明，钢材的断裂韧性是随温度升高而增加的（如图1所示）。在某一个温度范围内，钢由脆性破坏很快地转为塑性破坏。人们把脆性破坏转变为塑性破坏时材料断裂韧性δC值所对应的温度称为韧性-脆性转变温度Ti，美英两国取δC＝0.076mm所对应的温度作为转变温度，当低于这一温度时钢材的断裂韧度很低，因此对裂纹的存在很敏感，在受力不大的情况下，便导至裂纹迅速扩展造成断裂事故，裂纹扩展的速度，相当于在该材料中声速的传播速度。通常裂纹导至脆性破坏大多在没有先兆的情况下突然发生的，其破坏力十分惊人。就船舶所采用的钢材来说，韧性-脆性转变温度大约在-40～0℃的范围内。限于当时的冶金水平，那时钢材的转变温度会更高一些，而“泰坦尼克号”和“自由号”轮正是在略低于转变温度的气温下内航行的，所以轮船一再发生断裂事故就不足为怪了。

    人们对钢材在不同温度下性能的了解为造船的选材提供了科学依据，选用转变温度远高于使用温度的材料可以有效地防止船舶发生低温脆断事故。

    事隔77年，前苏联大型游览客轮“马克西姆·高尔基号”载着953名乘员又走上了北大西洋布满冰山的凶险之路。这是德国汉堡船厂在1969年制造的长196米，吃水25000吨的巨轮，价值2350万美元。1989年6月19日是一个月黑风高之夜，“马克西姆·高尔基号”以35千米／小时的速度破浪前进，在挪威斯匹次卑尔根岛以西320千米的海面上突然与冰山相撞，船头顿时裂开一条6米长15厘米宽的裂缝。轮船步履蹒跚地向斯匹次卑尔根岛缓缓驶去。此次事故无一伤亡，真是有惊无险。人们平静下来之后是否会想到“马克西姆·高尔基号”幸运并非偶然呢？

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