uit
SSL 189
J. J. W. Nibbering Rijksuniversiteit Gent
en Technische Hogeschoc! Detti
I
I
Breuken
in
schepen
uuL
,,Men kan hot !jzer broken, als hat koud is".
TJL
V
J. J. W; Nibbering
Rijksuniversitelt Gent
en Technische Hogeschool Deilt
ï?eukén
cpen'dìé tijdens de Tweede
'
'îldoorlog
gobouwd zijn, brahten in die tIJd een
omvangrljk onderzoek op gang naar de oorzaken van dit
mystQrieuze verschijnsel. Al gauw bleek dat de overgang van'
klinken naar lassen in de scheepsbouw niet zondor
scheepsscheu ron wa verlopen.
Men heeft hot probleom toen pnel onder controle gekregen,
alhoewel de optossing nog jaren op zich heeft (atén wachten.
Bij de foto: De plotselinge en lulcIruolItigO DreUkifi hat s.s. Schenectady, liggend san de kade op lo januarl 1943, vormdß In fehe hei startseln voor eenomvangrl$ke bpstudering vanhet brosse-breUk-probleem In de scheepabouw.
Breuken zijn interessante verschijnselen. In het dagelijks leven heeft men daar niet zo veel oog voor omdat breuken vaak ongewenst zijn. Wanneer glas springt, een sleepkabei breekt of een schoenveter bezwijkt, berokkent dat erger-nis. Toch zijn er ook breuken die doelbewust
veroorzaakt Worden en zeifs voldoening geven,
zoals bet kioven van diamant, het doorbijten
van pepermunt, het hakken van hout en het
knippen van papier. In al die gevallen wordt de breuk of scheur veroorzaakt door
óverbe-lasten van het materiaal. Dit kan in de hand
gewerkt zijn door slijtage en corrosie. De
breu-ken zijn als het ware 'verklaarbaar'.
Er ontstaat pas onbehagen, wanneer
construe-ties bezWijken, waarvan men dat in het geheel niet verwachtte. Een beroemd voorbeeld is de zgn. Vierendeelbrug over bet Albertkanaal in Hasselt, dié bezweek één jaar nadat hij in ge-bruik genomen was. Dit gebeurde in 1938. De brug was bijzonder goed ontworpen en
zorg-vuldig gebouwd. Het was een van de eerste sta-ten bruggen in Europa, die niet gekionken maar
gelast waren. Het ongeluk gebeurde bij koud weer toen de brug slechts licht belast was. An-dere bruggen van hetzelfde type hadden zieh tot dan toe uitstekend gehouden.
Naarmate de tijd voortschreed, verdWeen de
aanvankelijke grote bezorgdheid. Blijkbaar was
de gebeurtenis toch een uitzondering en, zoals dit zo vaak gebeurt bu rampen, een gevolg van
het toevailige samengaan van een aantal
ongun-stige omstandigheden en factoren. Maar deze keer was men toch te optimistisch want
gedu-rende de koude januarimaand van 1940
ont-wikkelden zieh grote scheuren in twee andere Vierendeeibruggen. Het mysterieuze karakter van de zgn. brosse breuken kwam bij een van deze bruggen extra tot uiting toen enige uren ná het ontstaan van de scheuren een
locomo-tief over de brug reed zonder dat dezebezweek.
Door deze gebeurtenissen was het vertrou-wen in het lassen als verbindingstechniek voor stalen constructies ernstig geschokt. Het heeft ertoe geleid dat in België een sterke voorkeur ontstond voor betonconstructies boyen staal. Dit is tot op de huidige dag nog het geval.
Niet lang na deze plaatselijke en toentertijd
door de oorlog niet erg bekend geworden
brug-genkwaal ontstond er een ware epidemie van
breuken in schepen. De slachtoffers Waren
voor-al de zgn. Liberties en T2-tankers die tijdens de oorlog in de VS in serie werden gebouwd. De massafabricage van deze schepen was mo-gelijk gemaakt door te lassen in plaats van te
klinken, wat een flinke tijdwinst gaf. Nog be-langrijker was dat lassen weinig lichamelijke kracht vergt en veci plezieriger is dan klinken. Daardoor konden ook vrouwen tijdens de oor-log op de Amerikaanse scheepswerven worden
ingezet.
Toen de eerste scheuren en breuken in de
Liberties ontstonden, schreef men die toe aan de oorlogssituatie. Veci schepen werden dieper geladen dan normaal en moesten vaak op volle kracht in siecht weer in konvooi varen. Op het
eind van 1942 waren van de 500 in de vaart
zijnde Liberty-schepen er tien ernstig gescheurd
of gebroken. Het eerder gebruikte woord
epide-mie moet dus niet te letteriijk worden genomen. Op 10 januari 1943 werd de
scheepsbouwwe-reid opgeschrikt door een raadselachtige
ge-beurtenis. Een T2-tanker die nog nooit op zee geweest was en rustig aan de kade lag, brak in
tweeën (zie pag. 4/5). De knal was tot op
en-kele kilometers ver te horen en was het
start-schot voor onderzoekingen van een omvang
zo-als voordien nog niet vertoond was. Tientallen
miljoenen dollars werden besteed aan de
be-studering van bet brosse-breuk-probieem. Men
heeft bet verschijnsei daardoor binnen één à
twee jaar redeiijk onder controle kunnen krij-gen. Eén ding stond ais een paal boyen water: het lassen moest de bron van aile eilende zijn omdat in gekionken schepen maar zelden breu-ken voorkwamen.
Een leek ziet waarschijnlijk alteen maar
voor-delen van het iàssen in vergelijking met
klin-ken. Immers in een gelast schip heeft men geen
eindeloze rijen gaten die de constructie
ver-zwakken en de waterdichtheid bedreigen. Een
las is echter minder hornogeen dan bu eruit
ziet. Hij is wel waterdicht, maar kan toch vele defecten herbergen, zoals koud- en warm(stol-lings)scheuren, onvoliedige dooriassingen,
aan-hechtingsfouten en gas- en slakinsluitingen.
Scheurtjes ontstaan buy, door lassen bu koud
en vochtig weer wanneer vecI waterstof in de las kan worden opgenomen, De lassers waren zieh hiervan nauweiijks bewust. Zu moesten
trouwens wet doorwerken bu slecht weer, orn-dat de produktie niet mocht stagneren.
Het siechte Amerikaanse laswerk was mede een gevolg van de siechte iasbaarheid van bet
gebruikte scheepsstaal. Het bevatte te veci
kool-stof: 0,24% in plaats van de 0,18% die in
Europa min of meer gebruikelijk was. Veci
scheurtjes ontstonden tijdens en vooral ná het
lassen in de aan de tas grenzende overgangs-zone. Later is ingezien dat het materiaal juist
Plaatdikte 12 mm Detail breukvlak Gal Vermoelingsscheurtje Splljtbreukje Schult breuk
in de directe omgeving van defecten van lagere kwaliteit kan zijn dan elders. Wanneer een de
fect dan ook nog scherp
is, vormt het eenideale beginplaats voor een, brosse breuk. Zgn. lasspanningen blijken eveneens een rol te speien. Dit zijn spanningen die worden
veroor-zaakt dòor het krimpen van de las tijdens het
stollen en afkoelen. Zu zijn direct verantwoor-delijk -voor-vele kleine krimpscheurtjes_in_las en overgangszone, maar spelen ook een rol bij bet ontstaan en voortplanten van brosse
breu-ken' Aiweer een element dat 'bu gekionken
con-structies niet voorkomt.
Het belangrijkste verschil tussen gelaste en geklonken schepen in verband met bros breken, is overigens nog niet genoemd Een gelast schip
vormt een ononderbroken geheel, terwiji een
geklonken schip uit 'losjes' aan eikaar
verbon-den platen en profielen bestaat. tri een gelast
schip kan een eenmaal ontstane breuk zich on-belemmerd voortplanten. In een geklonken
schip komt de breuk in negen van de tien ge-vallen tot stilstand aan de rand van de plaat
waarin hij is ontstaan. 'Overspringen' naar een volgende plaat vereist veci energie, die zolang
de breuk geen grote lengte heeft bereikt, niet
voorhanden is. Toen men dit besefte, is men in
Natuur en Techniek, 42, 10 (1874) -Cat, nr.327
gelaste schepen 'crack arresters' gaan inbouwen
die bet voortplanten van een breuk tegenhou-den en die eenvoudig bestontegenhou-den uit gekionken platen Zu Werden vooral bu de aansnijdingen
van dek- en zijbepiating en zu- en
bodembe-plating aangebracht.
Kerimerken van brosse breuken
Bu staal wordt het woord bros dikwijis
ge-bezigd wanneer het uiterlijk van de breuk gun-sterend, kristallijn is. In Fig. i geldt dat voor
de twee halvemaanvörmige gebiedjes. Men
be-hoort dan van ceosplijtvlak te spreken; dit in
tegensteiiing
tot een
schui/breuk. De eerste breuk ontstaat wanneer ijzerkristallen ais het ware van elkaar worden gespieten (Fig. 2). Bijschuifbreuken wordt de samenhang van het
materiaal door (te grote) afschuiving verbro-ken. Het uiterlijk is dan do! en vezelachtig en het breukviak maakt veeial een hock van
on-geveer 450 met de langsrichting (Fig. 4). In
Fig. i zijn de donkere gedeelten van bet breuk-viak door afschûiving ontstaan. In het element koolstof vindt men extreme voorbeelden van
splijt- en schuifbreuken, namelijk bu resp. dia-mant en grafiet.
5
Fig. 1. In deze pleat is eerst
metaalmoe-held opgelreden. Na de daardoor
ont-stane scheurtjes deden zich splijtbreuken voor. Dit ziin de twee halve-maanvormlge
gebiedjes. Links en rechts dearvan ziln
schuifbreuken zichtbaar, waarbli in te-genstelling tot bi) de splljtbreuken de
samenhang van het materiaet door een te grole atschuiving werd verbroken.
Boyen: FIg. 2 Bi] een sp!IjtbrOUk worden de ijzer kristallen als het ware van elkaar gespleten. Een schultbreuk ontstaal doordat kristalviakken langs el-ksar schuiven tot de samenhang wordt verbroken. De grljze viakken geven in bovenstaande figuren resp. hei gll)vlak van afschuiving (liñks) en het splijt-viak (rechts) san.
Onder: Fig. 3. In dit diagram zljn de trekkrommen
weêrgegeven. die worden verkregén door g!adde ste-ven In een trekbank stuk te trekken. In gebied A is de vervorming evenred!g met de belasting en ge-draagt de staaf zich elastisch. Daarna treedt
(ge-bled B) zgn. vloelen op en schuiven de kristallen tangs elkaar, zonder dat de samenhang wordt ver-broken. Bij normaal constructiestaal behoef t daar-voor de belasting niet eens le worden verhoogd. Hierna verstevigt het rnateriaai en is wel een hogere belasting .nodig orn de staat verder te kunnen uit-rekken (gebled' C). In gebied D neemt de belasting et, doordat zich een insnoering vorrnt waar uitein-delilk de breuk optreedt.
Wanneer men de niet mooie úitdrukking 'ver
vormingsloze breûk' hoort, dan mag men dic
terecht vervangen door 'brosse breuk'. We heb-ben al gezien dat hei omgekeerde in de
spreek-taal niet opgaat. Bros behoort te staan tegen-over (oui, hoewel de gevoelsinhoud van taai ruimer is. lets Wat zWak is (stopverf), zal men niet gemakkelijk taai noemen. We moeten ver-der bij taai niet in de eerste plaats denken aan veerkrachtig; rubber is eigenlijk niet taai, maar taai-taai wel en staal evenzeer.
Dit wordt toegelicht in Fig. 3. Dit diagram wordt verkregen door een gladde stalen staaf in een trekbank stuk te trekken. .Aanvankelijk
gedraagt de staaf zich e1astisch. De vervorming is evenredig met de belasting (gebied A).
Daar-na gaat de staaf 'vloeien', dat is dus plastisch
/
0.13°/o 1°/e 200/o
Rek
E = Breukpunt lnsnoering
i"
IllflII
Staat vlak voor de breuk
30°/o o w w o 'o C
iI
1reksterkte a) o E cc' o O) C G) O)4
C C w o-G) o > 'oFig 4. Boyen een tweetal fotos en rechs een toe-lichtende tekening van het breukvlak van een trek-staaf zoals dat dlkwlJls te zien is. Het breukvlak kan 00k geheel kristallijn of geheel vezelig zlJn. De temperatuur speelt hierbij een grote rol.
vervorrnen De kristallen schuiven langs elkaar, zonder dat de samenhang wordt verbroken (als
in Fig. 2). Bij zgn. vloeistaal - het meest ge-bruikte constructiestaal - gaat dit schuiven in
bet begin_zQ gemakkelijk dat de belasting niet behoeft te worden verhoogd (gebied B). Daar-na verstevigt het materiaal en moet de belas-ting stijgen orn de staaf verder te kunnen
uit-rekken (gebied C). Op een bepaald ogenblik merken we dat de belasting op de staaf af-neemt terwijÏ het rekken doorgaat. De staaf
ontwikkelt dan op ¿én plaats een zgn. insnoe-ring en breekt tenslotte (gebied D).
Het uiterlijk van de breuk is dikwijls als in
Fig. 4 weergegeven, maar kan ook vrijwel ge-heel kristallijn of gege-heel vezelig zijn. De
tern-peratuur speelt hierbij een belangrijke rol.
Maar zeifs bij een overwegend kristallijn
uiter-lijk kan de rek tot breuk nog best best 20 tot 30% bedragen. De breuk is didelijk taai, in
tegenstelling tot die bu een geheel ander
ma-teriaal, glas dat terecht bros wordt genoernd,
't
Schulibreuk (dof, vezelig)
Splljlbreuk (glinsterend, kristallijn)
hoewel het nooit kan splijten. Dit komt dòor-dat het geen kristalstructuur bezit
Het meest verradèrlijke aspect van de kias-sieke brosse breuken was dat zu konden
ont-staan en voortlen bijlagebelasting. Men
sprak daarom van 'laagspanningsbreuken'. Al even vreemd was dat bet jarenlang niet gelukt
is dergelijke breuken in laboratoria te laten
ontstaan. Na voorbereidend werk van onder
meer Soete in België en Mylonas in de VS is
het tenslotte in 1956 Wells en Greene in
Enge-land gelukt laagspanningsbreuken bij normale temperaturen in gelaste platen te veroorzaken
Een laagspanningsbreuk is uiteraard altijd
een brosse breuk in de zin van
vervörmingslo-ze breuk. Maar men noemde de klassieke
breu-ken toch vooral bros omdat zij zich bijna ex-plosief met enorme snelheid voortplantten (tot 2 km/sec.!). Het uiterlijk van die breuken was nauwelijks kristallijn. Het meest karakteristiek waren de oneffenheden, die in de richting van
de oorsprong van de breuk wezen (Fig. 5)
Voor de onderzoekers betekende dit een groot gemak omdat de breukvlakken dikwijls
ver-roest waren en de breuken gecompliceerd (Fig.
7). Het verschil tussen deze breukvlakken en
de mooie gelijkmatige kristallijne breukvlakken
wordt voor een deel bepaald door de tempera-tuur. Roe hoger de temperatuur, hoe meer een breuk neiging heeft orn te stoppen. De
'bijna'-stopplaatsen zijn de zgn. chevrons. Vandaar de naam chevronbreuken.
Voor de volledigheid wordt nog iets over
ver-moeiingsscheuren gezegd. Deze zouden ook bros genoemd kunnen worden. Maar dit wordt
nooit gedaan, hoewel vermoeiingsscheuren zich ontwikkelen bu betrekkelijk lage spanningen en zonder meetbare vervorming. Het verschil is dat een grote brosse breuk zich bij één be-paalde belasting in minder dan 0,01 sec ont-wikkelen kan, terwiji een klein vermoeiings-scheurtje pas na vele duizenden tot miijoenen
wisselingen van de belasting ontstaat. Het
uiter-lijk van een verrnoeiingsscheur is rneestal wat zijdeachtig glad (zie in Fig. i de vlakjes ter
weerszijden van het gat). Vaak ontstaan zij
vanuit een lokaal defect en vertonen dan cir-kel- of ellipsachtige kringen rondom de
oor-sprong (Fig. 6).
I
Hierboven: FIg. 5. Een foto van een brosse breuk met chevrons in de zilbeplating van een tanker. Rechtsboven: Fig. 6. Opname van een breuk over een dwarslas in de bodemconslructie van een schip, ver-oorzaakl door vermoeien met een 1000-tons trek-drukbank. De 'visogen zijn breukgedeelten die zich vanuit lasdefecten hebben ontwikkeld onder afsluiting van de bultenlucht.
Links: FIg. 7. Een opname van glasachtige breuken in de beplating van de tanker van FIg. 5.
L
Fysische en mechanische aspecten
De in Fig. 3 gegeven trekkromrne toont dat
staal een uitgesproken taai materiaal is. Hoe komt het dan dat het zieh in constructies
bij-na even bros kan gedragen als gietijzer? Er zijn verschillende factoren in het spel. In
de eerste plaats noemen we de tempera!uur.
Verlaging van de beproevingstemperatuur heeft tot gevolg dat de trekkromme verandert in de
richting van een hogere vloeigrens en
treksterk-te en een lagere breukrek. Voor gewoon
con-structiestaal moet men wel naar 150 oc gaan
orn de breukrek tot op de helft van die bij O °C terug te kunnen brengen. Bij nog lagere waar-den wordt een overgangsgebied bereikt, waarin de breukrek bijna sprongsgewijs daalt met de
temperatuur. Bu 180 °c kan de rek gedaald zijn tot op 1%. We spreken voor het gemak meestal van overgangstemperatuur in plaats
van -gebied en bedoelen daar buy, mee de
temperatuur die halverwege dat overgangsge-bied ugt.
t
Een tweede factor is de belasiingssnelheid waarvan de invloed pas goed merkbaar wordt bij zeer hoge waarden. Bu een trekproef maakt het voor de vloeigrens en de rek weinig uit of
deze in een minuut of in een seconde wordt
uitgevoerd. In situaties, waarbij gevaar bestaat voor brosse breuk (lage temperatuur, scherpe kerven) is zelfs 0,01 sec nog niet alarmerend. Pas bu sneiheden die alleen door schokken of
explosies kunnen worden bereikt, daalt de
breukrek van staal drastisch. Een voorwaarde is wel dat het materiaal beneden een bepaalde overgangstemperatuur wordt beproefd. Dit is weer een andere temperatuur dan die voor sta-tische belastingen, die 50 á ioo oc lager ligt.
Dit verschil verklaart waarom een brosse breuk, ontstaan tengevolge van een min of
meer statische belasting, op een plaats waar de materiaalkwaliteit slecht is, moeilijk kan stop-pen, ook al is het omringende materiaal beter.
De breuk bereikt onmiddellijk na zijn begin een
hoge voortloopsnelheid die voor het nog niet
gebroken materiaal een hoge belastingssnelheid
betekent. Wanneer de bij die belastingssnelheid
behorende overgangsternperatuur hoger is dan
de temperatuur van de constructie za! de breuk ongehinderd doorlopen. Voor het Amerikaanse
oorlogsstaál bedroeg die temperatuur (ook wel stoptemperatuur genoemd) 20 á 40 oc.
De derde factor is hei drie-dimensionale ka-rak ter van de spanningstoestand Wat
hierme-de bedoeld wordt, is te zien in Fig. 8.
Wan-neer de spanningen in de drie richtingen aan elkaar gelijk zijn, zijn er geen
schúifspannin-gen aanwezig. Het materiaal kan dan niet
plas-tisch yervormen. Van de trekkromme in Fig. 3
blijft in principe slechts de lun A over. Het eindpunt van die lun ligt alleen vele malen
hoger dan in Fig. 3. Wanneer de drie spannin-gen niet aan e!kaar gelijk zijn, geldt dat naar-mate de spanningstoestand meer op a!zijdige trek lijkt, de vloeigrens en de treksterkte ho-ger zijn en de rek laho-ger.
Een constructiedeel zal maar zelden vanuit
drie onderling loodrechte richtingeñ worden
be-last. De wand van een bolvormig gasreservoir wordt bi. slechts twee-assig getrokken. Toch
komen drie-assige trekspanningstoestanden vee!
voor en wel aan de tip van kerven 'en scheu-ren Een kerf in een éénassig belaste plaat
ver-stoort het gelijkmatige spanningsbeeld (zie Fig.
9). In de nabijheid van de kerf treedt een con-centratie van spanning op. De verhouding van de spanning aan de kerftip tot de zgn.
nomi-nale spanning beet spanningsconcentratiefactor:
c 0kerf (
o)
a
Deze kan bu scherpe kerven buy. waarden in de orde van 10 bereiken: hoe scherper en
die-per de kerl is, des te groter is c. Toch is dit
niet de eigenlijke oorzaak van het gevaar van kerven in staal. Staa! kan in principe zó goed
plastisch vervormen, dat het zelfs bu kerven
niet gemakke!ijk zal scheuren, wanneer
tenmin-ste de spanningstoestand aan de kerftip één-assig is. Helaas is het !aatste alleen bet geval
bu zeer dünne platen, die in de scheepsbouw
niet worden toegepast. Hoe de
spanningstoe-stand eruit ziet aan de tip van een kerl of
scheur in een dikke plaat toont Fig. 9. Naast de Iangsspanning Okerf = a werken
er spanningen 02 en 03 resp. in de dikte- en in de breedterichting van de plaat. Deze ontstaan als gevo!g van het feit dat materiaal dat wordt
uitgerekt dunner wi! worden. Dit geldt ook voor de kerftip. Wañneer de plaat buiten de
kerfzone een bedrag At dunner wordt, zoti dit
ter plaatse van de kerftip c.At moeten zijn. Er zou dan plaatselijk een putje ontstaan. Dit kan niet want het materiaa! aan de tip sit op-gesloten in het omringende materiaal en za! maar weinig meer dan At kunnen krimpen.
'Het kerfiipmateriaal wordt dus vastgehouden,
dat wil zeggen uitgerekt van (t - c.At) naar
jets minder dan (t - At). De bijbehorende
trekspanning 02 blijkt bu dikke platen ongeveer
gelijk te zijn aan 1/301 In de breedterichting
van de plaat ontstaat analoog de
trekspan-ning 03.
De vloeigrens van het kerftipmateriaal is in
deze toestand 'gelijk aañ 1,7 maal 'de waarde
voor de dénassige spanningstoestand. Ondanks
Fié. '8. SchematIsche woergave van hei begrip alzij. digo trekspanning. De kubus wordt beisst door trek-spanningen die loodrecht op elkaar atoan. De waarden o stellen de kracht per oppervlakte-eenheid voor.
Fig. 9. Aan de tip van kerven en scheuren komen meestái drie-assige trekspannings-toestanden voor. Alleen bij zeer dünne platen is dit niet het gavai. in deze f i-guur wordt de spanningstoestand aan de tip van een kart of scheur in een dikke piaat weergegeven. Behaive de iangsspan-ning ei werken er de spaniangsspan-ningen 02 en 03
in de dikte- en breedterichting van de piaat. Wanneer de pleat buiten de kèrf-zone t dunner wordt. zou dit blJ de
kerftip cAt moeten ziln, zodat een putje zou ontstäan. Er kan echter weinig meer dan At gekrompen worden. De daarbil be-horende trekspanning is in de dikterich-ting (02) ongeveer geiijk aan 1/30.
deze verboging zal dat materiaai ai bij lage be-lasting gaan vioeien omdat c veci hoger is dan 1,7. Zodra het vloeien is begonnen, neemt het gevaar voor brosse breuk toe. Immers zolang
het vloeigebied klein is, biijft bet materiaai in-gesioten in het omringende, alleen elastisch
vervormende materiaal. Het kan dan niet veci vervormen zonder te breken.
Wanneer de andere condities gunstig zijn,
bi. een lage belastingssnelheid en niet te lage
ternperatuur, dan kan het rnateriaal aan de
kerftip zoveei vervormen dat een piastische
zo-ne ontstaat die evengroot of groter
is dande plaatdikte (Fig.
10). Het materiaal aän
de kerftip kan dan weer vrij krimpen. Doordat
de spanningstoestand niet meer drie-assig is,
Natuur en Techniek, 42, 10 (1974)
Lokale contractie
t
t
t
t
t t
t
o-Spanningen tengevolge van de uitwendige beiasting
zal het materiaal sterk kunnen vervormen
voor-dat breuk ontstaat. Hiermede is verklaard voor-dat bij brosse breukonderzoek òf breuken ontstaan na weinig vervorming òf na grote vervorming.
Tussenwaarden zijn schaars. Tevens zal nu
dui-deiijk zijn waarom kerven in dikke platen
ge-vaariijker zijn dan in dunne. Dit wordt nog
cens toegelicht in Fig. 11. Wanneer de dwars-krimp (dwarscontractie) zich vrij zou künnen
ontwikkelen, zou S2/t2 gelijk zijn aan S1/t1. In
werkelijkheid is de afstand d hiervoor te klein.
De behandelingenverstevigen, harden, g!oeien
en ook bet verouderen van het materiaai beho-ren als vierde factor strikt genomen niet bu de voorgaande drie De behandelingen veranderen
Kleine plastische zone; het rnateriaal aan de scheurtip kan niet vn) knimpen, doordat hot opgesloten zit In ornringend niet-plastisch malenlaal
het uitgangsmateriaai grondig. Chemisch ge-beurt er weinig, maar fysisch des te meer.
Staal dat gehard wordt door gloeien boyen 910 oc en snel afkoelen is gewoon een ànder staal geworden. Het is min of meer een over-verzadigde opiòssing van koolstof in ijzer worden. De in het kristatrooster in de knel
ge-raakte koolstofatomen (zie Fig. 2) verstoren de
regelmatige bouw van dat rooster en
bemoei-iijken de aangegeven guiding (afschuiving). Het
stasi is sterker en harder geworden, maar in
principe ook brosser.
Verstevigen van staat is een verschijnsël dat goed bekend is aan de 'paperclipbuigers'. Ster-ke vervorming doct de vioeigrens stijgen en de
rek. afnemen. Dit bleek al duidelijk uit Fig. 3 Wanneer bet plastisch vervormen gebeurt bu verhoógde temperatuur (100 à 400 °C), dan
veroudert het materiaal. De verbrossing is dan
Onder: FIg. 11. In deze flguur wordt nog eons
toe-gellcht waarom kerven In dikke platen gevaarllJker zljn dan die in dunne. Wanneer de dwarskrlmp zlch vn) zou kunnen ontwikkelon, zou daze (Si) In eon dikke plaat veel grater mooten zijn dan In een dunno pleat (Si). De breedte van do kerlapleet Is hiorvoor echter te klolñ. Er ontslsan trekspannlngen In do
dikterichting (zio 00k Fig. 9).
t = Plaatdlkte
d = Breedte van de korfspleet s = Dwarsdoorsnede aan do korftlp
d
--
4sKerl In een dünne plaat
Grote plastische zone (>t); hei materiaal aan de kerflip kan vrij krimpen tot t1
Vlakspanning (plane Stress)
geyser voor brosso breuk. Blijft do plaat heel, dan kan do situatio gunstiger worden als de spannings-toestand van eon drle-asalgo In eon twee-assigo ver-andort (grote plaslische zone).
vele malen erger dan bu kamertemperatuur. Verouderen kan optreden bu lassen. De
krimp-spanningen kunnen, voorai op plaatsen van
spanningsconcentraties, plastische vervormingen
veroorzaken. Wells heeft aangetoond dat dit
de belangrijkste oorzaak van de klassieke bros-se breuken was.
Gloeien van staat boyen 1050 °C heeft een sterke korrelgroei tot gevoig. Dit is bijzonder ongunstig; omdat de brosheid van staat mede
bepaald wordt door de korrelgrootte. Het meest
te luden van dit glacien hebben de moderne fijnkorrelstalen die zeer lage percentages nio-bium of vanadium bevatten. Zij zijn in de le-veringstoestand van buitengewone kwaiiteit en goed lasbaar. Maar wanneer gelast wordt met gróte Warmtetoevoer, kunnen zu in de zone
naast de tas (overgangszone,
warmte-beïnvloe-de zone) sterk in kwaliteit achteruitgaan. De
Rechts: Detall van eon bodomdeol van eon schlp dat vlak naast eon waterdlcht dwarsachot is gobroken. Do brosse breuk In de verticale langsversterking Is
bovenaan bi) do afdichtlngsles tusson hot schot en hot bulbvormlgo uitoinde van do verstorking begon-nen. Dit ¡s te zlen aan do chevrons. Do breuk Is ge-stopt in de bodomplaat on daarna Övorgogaan in eon schulfbreuk. De rostbreuk (rechtsonder) is moor bros.
Kerl in eon dikke pleat
)
Scheur Viakke rek (plane strain)Fig. 10. Het materlaal in oen plaat met een schour
of kerl kan bi) oplopende bolasting aanvankelijk moellljk vloeien (kleine plastische zone). Bi) lage ternperatuur en/of hoge belastlngssnelheid dreigt dan
±1500°C ISmeLtLijn ±1200°C 1.5 ±1170°C 2
overgangstemperatuur kan wel met loo °C stij-gen. Dit gebeurt in een gebiedje dat maar en-kele millimeters breed is (Fig. 12). Onderzoek in Delft heeft uitgewezen dat brosse breuken
zelfs in zo'n smaile zone kunnen doorlopen.
De lasspanningen zijn niet bu machte orn het
breukpad dusdanig te beïnvloeden, dat de breuk
terechtkomt in gezond materiaal en kan
stop-pen.
De oplossing ugt voor de hand, maar is eco-nomisch niet aantrekkelijk. Een grote warmte-toevoer betekent snel lassen en snel produce-ren en dat is voor de scheepsbouw van
levens-belang. Conclusie
Met het voorgaande in gedachten is het ont-staan van breuken in de tijdens de oorlog ge-bouwde schepen als voigt te verkiaren:
Het staal was siecht lasbaar. Het bevatte te
veel koolstof en werd in de kwaliteit
'on-rustig' of 'haif'on-rustig' geleverd, dat wil zeg-gen in niet- of siecht gedesoxydeerde
toe-stand.
De lassers waren vaak amateurs die ook in siecht weer moesten doorwerken. Dit
ge-voegd bu a., maakte dat in de lassen veel
defecten en scheurtjes aanwezig waren (lo-kale kerven).
De constructies waren slecht. De luikhoofd-hoeken waren buy. rechthoekig in plaats van afgerond, waardoor zu als grote kerven in het schip werkten. De meeste breuken zijn vanuit deze luikhoofdhoeken ontstaan.
Oorspronkelijk waren het vooral de overblij-vende lasspanningen die als zondebok
fungeer-den. Maar men zou die spanningen beter
kun-nen zien als druppels die de emmer deden over-2.5 ±1120°C 3 ±1080°C PIEKIEMPERATÚUR 4i5__Ø,
AESTAND TOT DE SMELTL5JN (mm)
lopen. Bovendien hebben zu weliswaar aan het ontstaan van veel scheuren bijgedragen, maar
zeker even vaak het breukpad dusdanig
be-invloed dat de scheuren konden stoppen.
Toch was het wel degelijk zo, dat de
sche-pen direct na de bouw door hun lage kwaliteit
en de aanwezigheid van lasspanningen op
springen stonden. Het feit dat niet veel meer
schepen gebroken zijn, heeft twee
achtergron-den. In de eerste plaats kwamen de meeste
schepen niet onmiddellijk na de bouw in koud
weer terecht. Wanneer zij eerst bu normale
temperatuur een storm hadden doorstaan,
wer-den de lasspanningen voor een deel tenietge-daan. Dit gebeurde wanneer de som van
las-spanningen en las-spanningen tengevolge van de
uitwendige belasting plaatselijk boyen de
vloei-grens kwam en het materiaal plastisch ging
vervormen.
De tweede achtergrond heeft eveneens met de lasspanningen te maken. Hoe lager de kwa-liteit van scheepsconstructie en -materiaal was
en hoe hoger de lasspanningen waren, des te
lager waren de spanningen waarbij de breuken ontstonden. Uit onderzoekingen van Robertson in Groot Brittannië is gebleken dat het voort-planten van brosse breuken niet alleen afhan-kelijk is van de temperatuur, maar ook van de
spanning in de constructie. Dit blijkt uit Fig. 13. Wanneer die spanning lager is dan onge-veer 80 N/mm2, komt een brosse breuk tot stilstand. Op de plaats waar de breuk eindigt, bevindt zich beter materiaal dan op de plaats
van de oorsprong van de breuk. Een opnieuw
op gang komen van de breuk is dan zeer
on-waarschijnlijk. Het schip mèt scheur is veiliger dan in de toestand zonder scheur, mede door-dat de scheurtip zich buiten het gebied van de
Links: Fig. 12. Een opname van een oververhitte zone van staal dat gelast werd met een hoge warmtetoe-voer. De korreis links waren in hot preparaat nog met hei biote 00g te zion. Hoe groter de korret is, hoe minder is de kwaiiteit van hei sisal (vergrotingca. 5x). Rechts: Fig. 13. Bij hei lassen wordi veel warmte toegevoerd. Het staat kan dan in de overgangszone naast de las sterk in kwaiiteil achteruitgaan. Doze zone is hoogstens enkela millimeters breed maar loch kunnen brosse breuken bij bepaaide spanningen en temperaturen in deze zone doorlopen.
Onder: Fig. 14. Een foto van eon 1000-tons trek-druk-bank zoals die staat opgesteid in het Laboratorium voor Scheepsconstructies van de TH te DeIft.
Het thema brosse breuk is hiermede nog lang niet uitgeput. Zo kon in het bestek van dit
arti-kel weinig, aandacht worden besteed aan de
dramatische en fascinerende geschiedenis van het wetenschappelijk onderzoek. Bij dit onder-zoek heeft de breukmechanica zich in nog geen
twintig jaar tot een zeifstandige en
omyang-rijke tak van wetenschap ontwikkeld.
Misschien dat bu gebleken belangstelling aan
dat vakgebied en äan de metaalfysische aspec-ten van breuken nog eens later in dit tijdschrift een bespreking kan worden gewijd
s
80 N/mm
Oergangs-temperatuur
Breuken topen door s? f 'p Breukefl '
-. Temperatuur
Ll(eratuur:
Parker Earl R., Brittle Behaviour of Engineering Structures. Chapman & Halt, Ltd., London (1957).
Jaeger H. E en Nibbering J. J. W., Scientific Activities of the Dell t Ship Structures Laboratory, Technische Hogeschool Detti (1968).
Hall W. J., Kihara H., Soete W. en Wells A. A., Brittle fractùre of welded plate, Prentice Hait Inc., Englewood Cliffs (1967).
Folos: Studio Verkoren. Den Haag (peg. 9 en 13).
National Research Council. Washington (pag. 4/5).
Overige foto's: TH, Deitt.
