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材料科技：鐵達尼號的材料故事

102/06/06 27670

程一麟｜瑞研科技公司

百年前，橫跨歐美大西洋都得靠輪船。當時「白星輪」公司打造3艘輪船，準備在英國南安普敦和美國紐約之間的北大西洋，以每周3船次開闢航線。白星輪建造的3艘豪華巨輪，即奧林匹克號、鐵達尼號和不列顛號。

鐵達尼號在1912年4月10日午前正式展開處女航行，由南安普敦開往紐約。但兩天後的格林威治時間晚上11:40分，撞到比它重量大上3～6倍的冰山，船殼受損並導致前方6個密艙斷裂，湧進的海水使得輪船在二小時四十分鐘後沉沒，造成一千五百多人死亡。

其後百年來，無數的探討和爭論莫衷一是，其中經常論及的是用來造船的鋼料是否就是罪魁禍首？本文就從在1996年8月15日，潛艇從鐵達尼號沉船地點3,700米深海底取出的船殼鋼料，送往密蘇里大學羅拉分校分析的研判結果，探討這個百年來最大的海難事件。

鋼料

分析的第一步是查看鋼料的化學成分。鐵達尼號的鋼料和目前典型構造用鋼板ASTM A36的化學成分比較，可以很清楚看出它的氮含量相當低，顯示當時的煉鋼製程並不是用「柏塞麥法」，而是在20世紀初最常見的「平爐法」。前者是以空氣吹煉，因此鋼的氮含量偏高，會導致鋼材的脆性。

在 1910 年代前後，約2∕3的英國鋼料製造是以酸性耐火材料，如二氧化矽、耐火泥、矽火泥等，做為平爐的內襯，因此脫硫和磷的效果不彰，鋼材的低矽∕氧含量比表示脫氧能力不足。以今天的角度來看，船板鋼料的碳、氧、硫、磷，以及錳硫比，根本不符合 ASTM 或 ABS（美國造船協會）的化學成分規範。

分析的第二步是觀察鋼料的顯微組織。由光學顯微鏡看放大約100倍的顯微組織，可以發現鐵達尼鋼料的縱向顯微組織呈現沿鋼板軋延方向的帶狀波來鐵相態，以及成條狀的硫化物和矽化物。和正常的現代鋼板相較，雖然晶粒大小差不多，後者則明顯沒有帶狀組織和條狀雜質，而且組織更為細緻。

由化學成分和金相分析來看，以今天的鋼鐵標準，鐵達尼鋼料可稱為「骯髒鋼」，根本不能使用。就以雜質含量來說，鐵達尼鋼硫化物的體積比是0.396％，矽化物體積比是0.133％。今天的煉鋼水平，硫化物在0.020％以下，氧化物∕硫化物體積比也低於0.014％。

分析的第三步，則是機械性質。一般低碳鋼由於晶體結構（稱為體心立方體）的關係，往往呈現一種和低溫息息相關的「韌轉脆」的溫度相關性質。百年以來，許多重大的災難如船舶、橋梁、儲槽等，都和這個特性有關。

鐵達尼號的韌轉脆溫度大約在攝氏30～42 度（依取樣做測試，縱向或橫向不同），而今日的鋼料都在攝氏－42度左右。不要忘記鐵達尼號撞擊冰山時水溫是攝氏－2度，就像以卵擊石般地立即脆裂！前面在討論化學成分時提到的錳硫比的重要性，在於當錳硫比高時，由於較脆的硫化鐵不易存在，因而可以大幅降低韌轉脆溫度，而清淨的鋼料也減少因條狀雜質所造成的應力集中而致脆。

分析的最後一步，就是以電子掃描顯微鏡觀察斷裂面。以衝擊試驗做不同溫度韌轉脆試驗，可以很清楚地看到在低溫下，鐵達尼鋼料的斷面幾乎沒有吸收衝擊能的現象，也就是說材料沒有阻抗裂紋擴展的能力。

沉船原因

鋼料的脆性來自於：巨大的冰山撞擊負荷；該晚水溫太低；鋼料太「髒」，硫含量過高、錳含量太低。

材料科學的基本是把成分、加工製程、顯微組織和最終性能連結起來，以期了解其間的因果關係，做為日後改進、設計和創新的參考。去年正值鐵達尼號悲劇百年，以今天的煉鋼、導航和雷達預警技術，當不致再發生類似情況。然鑑古知今，如能從中學到教訓，也可在人類文明史中減少類似悲劇的發生。

深度閱讀

Leighly, Jr., H.P., B.L. Bramfitt and S.J. Lawrence (2001) RMS Titanic: a metallurgical problem, Practical Failure Analysis, 1(2), 10-13.
Causes and Effects of the Rapid Sinking of the Titanic：http://www.writing.eng.vt.edu/uer/bassett.html

資料來源

《科學發展》2013年6月，486期，10 ~ 12頁

鐵達尼號(3) 科發月刊(5221)

材料科技：鐵達尼號的材料故事

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