TAJEMNICE MATERIAŁÓW

Historia katastrof powinna nauczyć ludzi pokory wobec wiedzy. Przypomnijmy tragedię pięknego, luksusowego statku pasażerskiego Titanic. Zatonął w dziewiczym rejsie w 1912 roku, po zderzeniu z górą lodową. Dopiero po 70 latach udało się ustalić prawdziwą przyczynę tego wypadku. Okazało się, że nie byłoby nieszczęścia, gdyby poszycie luksusowego parowca wykonano z odpowiedniego materiału. Zastosowano nieodpowiednią blachę, z dużą domieszką siarczków i fosforu, ale to wykazały dopiero amerykańsko-rosyjskie badania próbek pobranych z wraku statku osiadłego na głębokości ponad 4000 m. Na tym jednak nie koniec. Titanic miał brata, tylko znacznie większego i równie pechowego. Gigantic, bo tak miała nazywać się ta jednostka, nigdy nie doczekał się rejsu jako statek pasażerski, pływał w czasie wojny po Morzu Śródziemnym jako szpital. Świadkowie jego tragedii opowiadali, że na kilka chwil przed zatonięciem zaczął straszliwie trzeszczeć i potem natychmiast poszedł na dno, zabierając ze sobą w wieczność setki ofiar.

Mechanika uszkodzeń

Druga wojna światowa też ma na swoim koncie kilka nieudanych konstrukcji pływających. Amerykanie zbudowali przeszło 4000 okrętów stosując nową technologię. Blachy przestano łączyć ze sobą nitami, wprowadzając spawanie płatów. Wtedy było to rozwiązanie nowatorskie, lecz, niestety, nie przetestowane, bo czas i potrzeby wojny wymagały ciągłych dostaw nowego sprzętu do prowadzenia działań z wrogiem. Statki tonęły, wydając przed &8222;śmiercią&8221; okropne jęki. Ten stan zrzucano na zatapiające torpedy, które trafiały jednostki. I pewnie sprawa wadliwych materiałów i technologii użytych do budowy nigdy by się nie wydała, gdyby nie pewien wypadek. Otóż, w porcie, w całkowitym spokoju jeden ze statków samoistnie poszedł na dno. I wtedy się zaczęło. Dochodzenia, przesłuchania, badania.

Dziś nauka nie ma z tym większych problemów. Mechanika pękania określa wyraźnie, że jeżeli jakaś wada osiąga punkt krytyczny, to dalej wypadki przebiegają lawinowo i w sposób niekontrolowany. Sześćdziesiąt lat temu tego nie wiedziano, chociaż badania dotyczące zmęczenia materiałów znane są od prawie 200 lat. Wtedy potrafiono tylko zdiagnozować zjawisko, opisać je, ale żadnych środków zaradczych nie wynaleziono. Dopiero teraz usilnie się nad tym pracuje. Dlaczego? Bo człowiek potrzebuje coraz to więcej, szybciej, lepiej i taniej. Dynamiczny rozwój transportu, przemysłu ciśnieniowego, nowych instalacji chemicznych, wymusza budowę takich konstrukcji, które przede wszystkim będą bezpieczne, ale i długowieczne.Powstała dziedzina wiedzy zwana mechaniką uszkodzeń. Wykrywa ona i monitoruje zmiany, jakie zachodzą w badanym materiale w pierwszych fazach uszkodzeń. Specjalizuje się w tym, między innymi, Zakład Wytrzymałości Instytutu Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk. Profesor Lech Dietrich powiedział mi: -

Takich dylematów dostarcza nam życie pod dostatkiem. Nauka próbuje je złagodzić, oferując coraz doskonalsze metody badawcze i diagnostyczne. Wybrane materiały &8222;katuje&8221; się w laboratoriach. Wielogodzinne, powtarzane miliony razy ściskanie, obciążanie, rozciąganie, testują bezlitośnie materiały. Na podstawie tych pomiarów ustala się tak zwaną wartość parametru uszkodzenia. Kiedy jest on równy zeru, to wszystko w porządku, ale jeżeli osiąga wartość jedności, to wiemy na sto procent, że materiał jest uszkodzony. Opracowano też szereg metod sprawdzających jakość materiałów.

Zanik życia wewnętrznego

Najcenniejsze są te diagnozy, które nie niszczą próbek. Dużym powodzeniem cieszą się analizy ultradźwiękowe, gdzie propagacja fal dźwiękowych w strukturze materiału mówi nam o jego jakości i kondycji. Metoda ta powstała dzięki defektoskopii ultradźwiękowej, używanej do wykrywania wad w materiałach. Tam, gdzie jest coś nie w porządku, robi się po prostu dziura wypełniona powietrzem. Oczywiście, takiego uszkodzenia nie widać, można je tylko stwierdzić laboratoryjnie, ale taki stan stwarza już poważne zagrożenie wypadkowe. Pamiętamy tragiczną w skutkach katastrofę niemieckiej kolei z roku 1998. Pędzący z ogromną szybkością pociąg wykoleił się, bo pękła obręcz na kole. Zginęło wtedy ponad 100 osób, mimo ostrej kontroli stanu technicznego pociągu. Takie przypadki uzmysławiają wartość i konieczność badań zmęczenia i wytrzymałości materiałów.

Inną metodą, równie skuteczną, jest test magnetyczny, uwydatniający zmiany magnetyczne w materiałach na skutek uszkodzeń. Na szczęście, dziś wiemy wiele o łańcuchu zdarzeń poprzedzających tragedię. Wszystko zaczyna się od segregacji pierwiastków, wydzielań na granicy ziarna. Tworzą się wtedy zlokalizowane pasma poślizgu, które prują materiał na strzępy. Wystarczy tylko niewielkie obciążenie materiału, na przykład stali, by zniszczyć jej uporządkowaną strukturę krystaliczną. Zaistniały chaos rujnuje wytrzymałość danej próby i tragedia gotowa.

Są przypadki wymagające bezwzględnej pewności, że zastosowany materiał będzie bezpieczny, na przykład w kosmonautyce. Może to zbadać, ale za ogromne pieniądze, anihilacja pozytronowa. Wykazuje ona pewne skomplikowane zależności, jakie istnieją w uszkodzonej próbce. Najprościej mówiąc, w uszkodzonym materiale zanika życie wewnętrzne i właśnie to wykazuje badanie. Można też te procesy badać i monitorować metodą skuteczną, ale, niestety, niszczącą obserwowaną próbkę. Jej zaletą jest jednak to, że śledzi katastrofę od początku do końca. Taka diagnostyka znajduje zastosowanie w przemyśle ciśnieniowym, gdzie użyte do produkcji materiały są narażone na długotrwałe zmiany ciśnienia i temperatury. Muszą być one wysokiej jakości, bo od tego zależy życie wielu ludzi. Metoda wczesnego wykrywania i monitorowania uszkodzeń została opracowana i opublikowana w cenionych amerykańskich periodykach naukowych w 2003 i 2004 roku przez doktora Grzegorza Sochę z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk.

Artur Wolski, dziennikarz Polskiego Radia, jest rzecznikiem prasowym Polskiej Akademii Nauk.