חקר כישלונות חומרים

עולמם המופלא של החומרים

אם נתבונן סביבנו נראה מגוון עצום של חומרים. על חשיבותם בחיינו תעיד העובדה, שתקופות מרכזיות בתולדות המין האנושי קרויות על שם החומרים העיקריים שבהם השתמש האדם באותה עת - תקופת האבן, תקופת הברונזה, תקופת הברזל. החומרים בטבע מורכבים מאבני בניין הקרויות יסודות. כל יסוד בנוי מסוג מסוים של אטומים. קשרים בין האטומים יוצרים חומרים חדשים. ישנה זיקה בין סוג האטומים שמהם בנוי החומר, הקשרים ביניהם והפגמים הקיימים בחומר, לבין התכונות המכניות של החומר, כגון חוזק ומשיכוּת. בכל התכונות הללו של החומר עוסק תחום הנדסת החומרים. בהתאם לקשרים הבין-אטומיים ולסידור האטומים בחומר, יחליט מהנדס החומרים אם אפשר להשתמש בחומר מסוים ליישומים אלו ואחרים, ואף ינסה לפתח חומרים חדשים ומתקדמים בעלי תכונות משופרות.

במוצק בעל מבנה גבישי, האטומים מסודרים באופן מחזורי. היחידה הבסיסית בגביש, החוזרת על עצמה מספר רב של פעמים, קרויה "תא יחידה". הפשוט ביותר מבין תאי היחידה מכיל שמונה אטומים בקדקודי הקובייה, סידור הקרוי קובי פשוט – SC. מרבית המתכות בטבע בנויות מגבישים בעלי אחד משלושת תאי היחידה הבאים: קובי מרוכז גוף - BCC (Body Centered Cubic), קובי מרוכז פנים -  (Face Centered Cubic) FCC, והקסגונל צפוף אריזה - (Hexagonal Close Packed) HCP. במבנה BCC ישנם שמונה אטומים בקודקודי הקובייה ועוד אטום נוסף במרכזה.  במבנה FCC ישנם שמונה אטומים בקודקודי הקובייה ועוד שישה אטומים נוספים במרכזי הפאות, ולכן הוא צפוף יותר.  

בעולם הממשי, החומרים אינם מושלמים, אלא מכילים פגמים במבנה הגבישי. מקובל לסווג פגמים בהתאם לממד שלהם: פגמים נקודתיים, פגמים קוויים, פגמים משטחיים ופגמים נפחיים. פגמים נקודתיים הם בסדר גודל של אטום בודד. הפגם הנקודתי הפשוט ביותר קרוי היעדרות. ההיעדרות היא למעשה נקודה בסריג שחסר בה אטום. פגם נקודתי אחר הוא החֲדִירוֹן העצמי הנוצר כאשר אטום מהגביש מצליח להידחף לתוך חלל קטן, שבדרך-כלל אינו תפוס (אתר חדירה). במציאות אין מצב שבו מתכת מכילה סוג אחד בלבד של אטומים. תמיד יהיו נוכחים בגביש אטומים זרים (אי-ניקיונות/זיהומים). האטומים הזרים נמצאים בסריג הגבישי בשני אופנים: באחד, החלפה/התמרה, הזיהומים מחליפים אטום מהסריג ה"מארח", ובאחר, הנקרא חדירון זר, האטום ה"אורח" מצליח להיכנס לתוך אתר חדירה. 

הפגמים הקוויים הם פגמים חד-ממדיים, כלומר שורת אטומים. הפגם הקווי המוכר ביותר בגביש קרוי נקע. כשחומר עובר שינוי צורה בלתי הפיך (דפורמציה פלסטית), ישנה החלקת מישורים אטומיים זה על גבי זה. דפורמציה פלסטית פירושה יכולת החומר לשנות את צורתו החיצונית כתוצאה מהפעלת כוחות חיצוניים מבלי שישבר. קו המפריד בגביש בין שני מישורים אטומיים המחליקים זה על גבי זה קרוי קו נקע. כאשר קיים בגביש מישור אטומי נוסף וחלקי היוצר עיוות של השריג, הקו הנוצר לאורך האטומים שבקצה  מישור זה קרוי נקע קצה. 

תנועת הנקעים בסריג כרוכה בשבירת קשרים בין-אטומיים. לנקעים יש השפעה רבה על תכונות החומר (בעיקר במתכות). חיזוק והקשיית מתכות נעשים על-ידי הצבת מכשולים בפני תנועת הנקעים בחומר. תנועת נקעים נעשית במישורים ובכיוונים שבהם צפיפות האטומים בגביש היא המרבית. בחומר בעל תא יחידה קובי מרוכז פאה FCC, מישורי ההחלקה הן צפופים יותר מאשר בחומר בעל תא יחידה BCC (פלדות הן בעלות מבנה BCC), לכן חומרים אלו הם בעלי משיכוּת גבוהה יותר.  משיכות מוגדרת כיכולתו של החומר לעבור דפורמציה פלסטית לפני שהוא נשבר. 

לכל חומר מוצק יש משטח חיצוני, שבו נפסק המבנה הרציף של החומר, ולכן אפשר להתייחס אליו כאל פגם משטחי. כאשר חומר נוזלי מתקרר ומתמצק, ההתמצקות מתרחשת בהדרגה, ומתחילה באזורים של אי-ניקיונות. כל אזור כזה מהווה נקודת התמצקות, היוצרת גביש. כתוצאה מכך, האזורים השונים בחומר נבדלים בכיווני תאי היחידה שלהם. אזורים אלו, שלהם כיווני תא יחידה שונה, קרויים "גרעינים", וגודלם הוא בדרך-כלל בין מיקרונים אחדים למילימטרים אחדים, תלוי בסוג החומר, באופן ייצורו, והטיפולים שהחומר עבר. אוסף של גרעינים בעלי כיווניות שונה יוצר חומר רב-גבישי. הגבול בין גרעין לגרעין הוא אזור של פגם משטחי, הקרוי גבול גרעין. האטומים בגבולות הגרעין אינם מסודרים בסידור גבישי מושלם, והם מכילים אטומי אי-ניקיונות שמוסעים אל גבולות הגרעין תוך כדי ההתמצקות. גבולות גרעין הם אזור של אי-רציפות בחומר, ולכן הם מפריעים לתנועת נקעים. ככל שיש בגביש יותר גבולות גרעין, כך החומר הוא חזק וקשה יותר, אך משיך פחות. פגמים נפחיים הם תלת-מימדיים. לקבוצה זו משתייכים פגמים הכוללים צבר אטומים או חוסר אטומים היוצרים חללים בחומר.  כשאנו מצוידים בידע בסיסי על מבנה החומרים, ננסה להבין מהם חומרים משיכים ופריכים, ובאילו מצבים יכול חומר משיך להפוך לפריך. 

חסינות החומר לשבר

במהלך מלחמת העולם השנייה נוצרו שברים חמורים ברבות מאניות המטען האמריקניות ששימשו להובלת מטענים לאירופה, ואשר זכו לכינוי אניות ליברטי. חלקן נבקע ממש לשניים בעודן בלב ים, ובחלקן נתגלו סדקים כה חמורים, עד כי היה צורך להוציאן מכלל שירות. אניות אלו נבנו בארצות-הברית בשיטת "הסרט הנע" בין השנים 1941-1945, תוך שימוש בטכנולוגיית ריתוך שהיתה אז בתחילת דרכה. יתרה מזו, הרתכים שביצעו את העבודה לא היו אנשי מקצוע מנוסים. במהלך המלחמה נבנו למעלה מ-2,700 ספינות, ולמעלה מ-1,500 מתוכן ניזוקו באופן חמור בתקופת המלחמה. האסונות שקרו לרבות מספינות הליברטי התרחשו בים הצפוני, באזורים שבהם הטמפרטורות נמוכות מאוד, ולא היתה כל התראה לגבי הכישלון הצפוי. אופיים של הכישלונות היה סדקים פריכים בפלדה.

בחקירות הוברר כי האניות נבנו מפלדות משיכות, אולם הפלדות הפכו פריכות בטמפרטורות הנמוכות של הים הצפוני. טביעת אניות הליברטי העלתה מחדש את השאלה, מדוע טבעה הטיטאניק. חוקרים שבדקו את טביעת הטיטאניק ואניות הליברטי הסיקו כי חומר כדוגמת הפלדה, על אף היותו משיך בתנאים רגילים, עלול להפוך לפריך בטמפרטורות נמוכות. שינוי זה בתכונות קרוי מעבר משיך-פריך. האסונות שקרו לאניות הליברטי במהלך מלחמת העולם השנייה הביאו ל"לידתו" של תחום הנדסי חדש - מכניקת השבר. 

מכניקת השבר היא תחום החוקר היכן צפויים להיווצר סדקים, באילו נסיבות ימשיכו סדקים אלו לגדול עד לשבר, וכיצד אפשר לעצור התקדמות הסדקים בחומר. כולנו נתקלים בהתקדמות סדקים בחיי היום-יום: כוס שנשברה, קיר שנסדק בבית, סדקים באדמה שהתייבשה, שמשת מכונית שנסדקה בתאונה. מבנים רבים, הן כאלה העשויים מחומר פריך כבטון והן כאלה העשויים מחומר משיך כפלדה, עלולים להיכשל בתנאים מסוימים. חשוב להבין את מאפייניהם של סדקים, מכיוון שהם יכולים לגרום לכשל מבני. במכניקת השבר נעזרים בכלים מתמטיים, בשיטות ניסוי ובסימולציות מחשב, על מנת לחזות את התקדמותם של סדקים. באמצעות חישוב המאמצים (כוחות ליחידת שטח) והתזוזות בקרבת הסדק אפשר לצפות כיצד יתקדם סדק במבנה שפועלים עליו מאמצים, ולקבוע מהם התנאים שבהם יתרחש כשלון במבנה.

חסינות לשבר היא למעשה עמידות החומר לשבר. ככלל, חומרים קשיחים ובעלי משיכוּת נמוכה יהיו בעלי חסינות  נמוכה לשבר. חומרים כאלו נקראים חומרים פריכים. זכוכית היא חומר פריך אידאלי, כלומר חומר בעל מאפיינים מובהקים של פריכות. לעומתה, גומי הוא חומר משיך אידאלי. ואולם, ההתנהגות המכנית של רוב החומרים אינה אידאלית – הם משלבים משיכות ופריכות.

מקובל לאפיין חומר כפריך או כמשיך על-ידי ניתוח הגורמים הבאים: 1) מאפייני החומר במהלך בדיקת מתיחה. 2) מידת ההיצרות של שטח החתך של הגוף הנמתח לאחר בדיקת המתיחה. 3) מאפייני החומר במהלך בדיקת נגיפה, כלומר השפעת הטמפרטורה על כמות האנרגיה הדרושה כדי לגרום לשבר. 4) מראה משטח השבר של הגוף השבור לאחר בדיקת מתיחה ולאחר בדיקת נגיפה. בטרם נדון בהרחבה במושגים של משיכות ופריכות, ובטרם ננסה להבין כיצד הם מתקשרים לאסונות הטיטאניק והצ'לנג'ר, נסביר מהן בדיקות מתיחה ונגיפה, כיצד הן מתבצעות במעבדה ואיזה מידע אפשר להפיק מהבדיקות הללו. 

בדיקת מתיחה

מבין כל הבדיקות המכניות, בדיקת החוזק במתיחה מספקת את המידע הרב ביותר המתקבל מסוג בדיקה בודד. הבדיקה מתבצעת על דגם (גוש חומר בעל צורה תקנית), המוכנס למכשיר מתיחה מיוחד ונמתח עד שבירתו. תוך כדי ביצוע הבדיקה, נמדדים הכוח המופעל ומידת התארכות הדגם. על פי נתוני הכוח וההתארכות הנמדדים עד לשבירת הדגם, משורטט גרף הקרוי עקומת מאמץ-עיבור הנדסי. הגרף הוא הנדסי ולא אמיתי מאחר שהמאמץ והעיבור מחושבים ביחס למימדים ההתחלתיים של הדגם, ולא ביחס לממדים הרגעיים שלו. 

המאמץ מוגדר ככוח ליחידת שטח - במקרה זה, שטח החתך של הדגם. העיבור, המכונה לעתים מַעֲוָת, מוגדר כשינוי היחסי באורך ביחס לאורך ההתחלתי, הנגרם כתוצאה מהפעלת העומס. עיון בגרף מאמץ-עיבור הנדסי מספק לנו מידע על התנהגות  החומר ותכונותיו. בעקומת מאמץ-עיבור אפשר להבחין בנקודות האופייניות האלה: תחום אלסטי, מאמץ הכניעה, תחום פלסטי, מאמץ מתיחה מקסימלי ומאמץ לשבר. בתחום האלסטי נוצרים בדגם רק מעוותים אלסטיים (הפיכים), הנעלמים כליל עם הסרת הכוח הפועל על הדגם. כלומר, כאשר נשחרר את העומס, הדגם יחזור לצורתו המקורית. מאמץ כניעה הוא המאמץ שבו החומר עובר מהתחום האלסטי לתחום הפלסטי. כאשר ההתארכות היא מעבר לתחום האלסטי, העיבור כבר אינו יחסי למאמץ, ומתרחשת דפורמציה פלסטית. ברמה האטומית, דפורמציה פלסטית נגרמת כתוצאה מהחלקת נקעים. קשרים בין האטומים נשברים עקב תנועת הנקעים בחומר, וקשרים חדשים נוצרים. בתחום הפלסטי, כאשר נסיר את המאמץ, החומר לא יחזור למצבו ההתחלתי. מאמץ המתיחה המקסימלי הוא נקודת הקיצון שבה מתחיל להיווצר בדגם "צוואר", כלומר אזור מקומי בחומר ההולך וקטֵן (שטח החתך נהיה צר יותר)  של שטח החתך באזור זה), עד שנוצר שבר. תופעת היווצרות הצוואר בחומר אופיינית אך ורק לחומרים משיכים. המאמץ לשבר הוא המאמץ שבו מתרחש הכשל של הדגם, או במילים אחרות, המאמץ שבו הדגם נשבר.

אפשר להעריך את מידת חסינות החומר לשבר על פי גודל השטח שמתחת לעקומת המאמץ-עיבור. השטח שמתחת לגרף מציין את כמות האנרגיה הנבלעת בחומר עד לשבירתו. ככל שהשטח שמתחת לגרף גדול יותר (האנרגיה הדרושה לשבר גבוהה יותר), הרי שהחומר משיך יותר, או בעל התנגדות גבוהה יותר לשבר. זאת מאחר שיש להשקיע אנרגיה רבה יותר על מנת לשברו. הגדרת החסינות לשבר באמצעות השטח שמתחת לעקומת המאמץ-עיבור מתאימה לבדיקה במעבדה, אבל תנאי המעבדה אינם זהים לתנאי השימוש, שבהם עלול החלק להיחשף לכוח המועמס במהירויות גבוהות ובטמפרטורות שונות. על מנת לתת פתרון לבעיה זו, יש לבצע נוסף על בדיקת המתיחה גם בדיקת נגיפה.

בדיקת נגיפה

חומרים רבים נמצאים בשימוש במגוון טמפרטורות, בדרך-כלל בטווח שבין מעלות צלזיוס אחדות מתחת לאפס לבין כמה מאות מעלות. בדיקת נגיפה מתבצעת בטווח רחב של טמפרטורות. בניגוד לקצב ההעמסה האטי יחסית של בדיקת החוזק במתיחה, בבדיקת הנגיפה הדגם נבדק בהעמסה מהירה. מכשיר הנגיפה מצויד במטוטלת כבדה, הסובבת סביב ציר הנמצא בחלקו העליון של המכשיר. החיכוך בין הציר לבין המטוטלת הוא זניח. בחלקו התחתון של המכשיר מונח דגם בעל ממדים סטנדרטיים, שנחרץ בו חריץ. במהלך הבדיקה, המטוטלת יורדת, מתנגשת בדגם התפוס במלחציים ושוברת אותו במכה אחת. לאחר ההתנגשות, המטוטלת ממשיכה בתנועתה ומתרוממת לגובה מסוים בהתאם לאנרגיה הקינטית שנשארה לה.

כאשר המטוטלת מורמת לפני תחילת הניסוי, תהיה האנרגיה הפוטנציאלית שלה E1. עם שחרור המטוטלת ונפילתה החופשית היא צוברת אנרגיה קינטית, אשר תגיע לערכה המקסימאלי בנקודה התחתונה ביותר, בה מגיעה האנרגיה הפוטנציאלית לאפס ביחס לדגם.  בנקודה זו נתקלת המטוטלת בדגם החומר, שוברת אותו, ומתרוממת שוב בהמשך דרכה עד לגובה מסוים, קטן יותר מגובהה ההתחלתי.  כעת ערכה של אנרגיה פוטנציאלית הוא E2.  ההפרש בין האנרגיה הפוטנציאלית ההתחלתית E1 לבין זו הסופית E2 מבטא את האנרגיה אשר הושקעה בשבירת הדגם.  אנרגיה זו תקרא אנרגית השבירה, E. המטרה העיקרית של בדיקת נגיפה היא לאפשר בחירת חומרים בעלי חסינות גבוהה לשבר.  בדיקות נגיפה של דגמי חומר נתון בטמפרטורות השונות יביאו לקבלת ערכי אנרגית השבירה כתלות בטמפרטורות הבדיקה.  

האנרגיה לשבר בחומר בעל מבנה FCC משתנה באופן הדרגתי עם הטמפרטורה.  בחומרים בעלי מבנה BCC ובעיקר בפלדות, קיים בתחום טמפרטורות מסוים שינוי חריף בהתנהגות אנרגיית השבר. מעל טמפרטורה מסוימת, החומר משיך ונשבר באנרגיה גבוהה יחסית, אך מתחת לטמפרטורה זו החומר פריך ונשבר באנרגיה נמוכה מאוד. התנהגות זאת של חומרים קרויה מעבר משיך-פריך(ductile-to-brittle transition). הטמפרטורה שבה מתרחשת התופעה קרויה טמפרטורת המעבר משיך-פריך. לכן, בפלדות (BCC) בתנאי הלם וטמפרטורות נמוכות קיים שבר פריך ללא דפורמציה. גם בפולימרים מוכרת התופעה של מעבר פריך-משיך בטמפרטורות נמוכות, עקב ירידה באלסטיות שלהם.

מהו בעצם שבר פריך? זהו שבר של ביקוע המתקבל על-ידי הרחקת שתי שכבות אטומים מקבילות,  עד שכוח הקוהזיה ביניהן יורד לאפס. בשבר פריך אנחנו "קורעים" שתי שכבות אטומיות זו מזו.  שבר זה מתרחש בסוף התחום האלסטי של עקומת המאמץ-עיבור. הופעתו היא פתאומית (ללא התראה), כך שהכשל מתרחש באופן מידי. לכן, מטבע הדברים, סוג זה של כשל הוא מסוכן ביותר מבחינה הנדסית. הסכנה היא כמובן מרבית,  במקרה שאנו משוכנעים שמדובר בחומר משיך, אך במצבים מסוימים הוא נהפך לפריך בניגוד למצופה.  מצב שכזה עלול להסתיים באסון.  

שבר משיך, לעומת זאת, מאופיין במעוות פלסטי רב בזמן התקדמות הסדק. חומר שנשבר באופן משיך "מוסר הודעה מוקדמת" על הכישלון הצפוי. שבר משיך אידאלי מתקבל על-ידי החלקת שתי שכבות אטומים זו על גבי זו (גזירה) עד להפרדתן המלאה של השכבות זו מזו. בעקומת המאמץ-עיבור, השבר המשיך יופיע רק לאחר מאמץ המתיחה המקסימלי, תוך כדי היווצרות צוואר.כעת, כשאנו מצוידים במושגים ובכלים המתאימים, נחזור לשאלת טביעתה של הטיטאניק, ולנסיבות שגרמו לאסון התפוצצות מעבורת החלל צ'לנג'ר.

מדוע טבעה הטיטאניק?

אניית הפאר טיטאניק יצאה להפלגת הבכורה שלה, מסאות'המפטון שבאנגליה לניו-יורק, ב-10 באפריל 1912, כשעל סיפונה למעלה מ-2,200 נוסעים ואנשי צוות, ביניהם נשים, גברים וטף. ספינת ענק זו, שנבנתה בבריטניה, נקראה "טיטאניק" על שם הענקים הטיטאניים מהמיתולוגיה היוונית, צאצאי אורנוס וגאיה, ששלטו ביקום עד שזאוס הביס אותם והחל עידן האלים האולימפיים. המילה היוונית "טיטאנוס", שפירושה "ענק", מתאימה בהחלט לתיאור הטיטאניק, שהיתה עצומה בממדיה. אורכה היה 269 מטרים, רוחבה 28 מטרים, וגובהה מקו המים ועד לסיפון הראשי היה  כ-18 מטרים. הספינה יכלה לשאת 3,500 נוסעים ואנשי צוות, היו לה 29 דודי קיטור, והיא יכלה להגיע למהירות עצומה של 23 קשר (43 קמ"ש). היו עליה מגרשי סקווש ובריכת שחייה. במעונות הפאר של המחלקה הראשונה התאכסנו סופרים, ציירים, אנשי עסקים  ועיתונאים ידועים. בתוך המחסנים המרווחים של הספינה שכן מטען רב ויקר, שהכיל בין השאר יינות משובחים. למטה, בתאי עץ פשוטים, שוכנו כ-700 מהגרים, שהיו בדרכם לארץ ההזדמנויות הבלתי מוגבלות.

גוף הטיטאניק נבנה מפלדה מן הסוג שנחשב באותה עת לטוב ולמתאים ביותר לבניית אניות. לטיטאניק היתה תחתית כפולה, וגופה חולק ל-16 תאים נפרדים, שהמעברים ביניהם נסגרו בלחיצת כפתור מגשר הפיקוד, ונחשבו כבלתי חדירים למים. חלומם של מתכנניה היה לבנות ספינת תענוגות ענקית שתשמש כמלון פאר צף, שיוכל לשוט מאנגליה לארצות-הברית במהירות גבוהה ובבטיחות מוחלטת. התכנון המהפכני והפאר שבו נבנתה הספינה,  השרו תחושה שהטיטאניק בטוחה לחלוטין מסכנת טביעה. הטיטאניק אמנם צוידה בסירות הצלה למקרה חירום, אך כמותן הספיקה רק למחצית הנוסעים ואנשי הצוות. כאשר יצאה הטיטאניק למסעה, נמסרה לרב-החובל תחזית שלפיה צפויים קרחונים במסלול הספינה. אף על פי כן, בחר רב-החובל שלא להוריד את מהירות הספינה, כיוון שהיה נחוש בדעתו להגיע לניו-יורק לפני הזמן המתוכנן.

שלושה ימים לאחר הפלגת הבכורה של הטיטאניק לניו-יורק, ב-14 באפריל 1912, בשעה 23:40 (שעון גריניץ'), הבחין המלח ששהה על חרטום האנייה בקרחון. הוא דיווח על כך לנווט, שהפנה את האנייה; הקרחון פגע באנייה מן הצד וביתר את דופנה. לאחר ההתנגשות ניתנה הפקודה להוריד למים את סירות ההצלה, אך לא כל הנוסעים רצו לנטוש את הטיטאניק הענקית והבטוחה לטובת הים הקר והסוער וסירות ההצלה הקטנות. כיוון שכך, סירות ההצלה הראשונות שעזבו את הטיטאניק הורדו למים ריקות למחצה. רק מאוחר יותר, כאשר התגברה זווית נטייתה של הספינה אל תוך המים, החלו הנוסעים להבין שהאנייה שוקעת, ואמנם, הסירות האחרונות עזבו את הטיטאניק כשהן מלאות. רוב הניצולים מהאסון היו נוסעי המחלקה הראשונה והשנייה. מחלקות אלו היו קרובות יותר לסיפון, ולכן גם לסירות ההצלה. המים שחדרו לבטן האנייה, בשל הקרע שיצר הקרחון, משכו את חרטום הטיטאניק כלפי מטה וגרמו לספינה לשקוע. בשעה 2:20 לפנות בוקר ה-15 באפריל, נכנעה שלדת הטיטאניק ללחץ ונשברה. שעתיים וארבעים דקות בלבד לאחר שהתנגשה בקרחון, שקעה הטיטאניק מתחת לפני המים. בשל המחסור בסירות הצלה, ניצלו כ-700 נוסעים ואנשי צוות בלבד. שאר הנוסעים ואנשי הצוות טבעו וקפאו למוות במי האוקיינוס האטלנטי הקרים. ועדות החקירה שבדקו את נסיבות טביעת הטיטאניק בסמוך למועד האסון טענו, שניווט הספינה לאחר שהצוות הבחין בקרחון היה שגוי. לטענתם, היה מוטב להתנגש בקרחון חזיתית במקום להטות את הספינה ולגרום לקרחון לפגוע בה מן הצד. מסקנה נוספת מאותה התקופה היתה, שכמות סירות ההצלה שהיתה על הטיטאניק היתה קטנה מדי.

בשנת 1985, 73 שנים לאחר טביעת הטיטאניק, הצליח ד"ר רוברט בלרד לגעת בתהילה, כאשר גילה במעמקי הים את הספינה האבודה. בלרד, מומחה לגאולוגיה ימית וגאופיזיקה, הצליח לפענח תעלומות ימיות רבות, ביניהן גם מציאת צוללת הדקר, באמצעות רובוטים וציוד הנדסי מתקדם. בלרד מצא את הטיטאניק על קרקעית האוקיינוס בעומק של 3,700 מטרים מתחת לפני הים. הספינה היתה שבורה לשני חלקים, שהיו מרוחקים זה מזה 600 מטרים. בין שני החלקים הללו היה אזור ביניים, שהכיל שברי פלדה מהספינה. לאחר מציאת הטיטאניק סיפר בלרד, שכילד אהב יותר מכל לקרוא בספרי ההרפתקאות של ז'ול ורן, וחלם לצאת להרפתקאות בצוללת כמו קפטן נמו. ללא ספק, מציאת הטיטאניק הגשימה את חלומו. איתור הטיטאניק, ושליית חלקים ממנה מתוך המצולות, אפשרו בדיקה יסודית של הסיבות לטביעתה. בשנת 1998, בעקבות גילוי הטיטאניק, פרסמו קתרין פלקינס, פיל לייגלי ואלכס ג'נקוביק, מאוניברסיטת מיזורי-רולה שבמיזורי, ארצות-הברית, מאמר המעלה את האפשרות, שבחירה של פלדה לא-מתאימה היא שגרמה לאסון הטיטאניק.

במהלך סיור מחקרי שנערך בים הצפוני בשנת 1996, הביאו החוקרים פלדה משלדת הטיטאניק לצורך בדיקה מטלורגית (בדיקת מבנה המתכת. לאחר שהובאה הפלדה לאוניברסיטת מיזורי-רולה, הוחלט לבדוק את הרכבה הכימי. הבדיקה הראתה כי הפלדה שממנה עשויה הטיטאניק הכילה כמויות גבוהות מדי של גפרית וזרחן, וכי תכולת הגפרית גבוהה מדי ביחס לתכולת המנגן. פלדה שזה הרכבה הכימי הופכת לפריכה בטמפרטורות נמוכות. זאת, כמובן, אנו יודעים היום - ראוי להדגיש, כי פלדה זו היתה הבחירה הטובה ביותר לבניית האנייה באותה תקופה. דגמים שהוכנו מפלדת הטיטאניק נבדקו במיקרוסקופ אופטי ובמיקרוסקופ אלקטרונים סורק. הדגמים הושוו לדגמי פלדה מודרנית - ASTM  A36. הדגמים עברו בדיקות נגיפה בטמפרטורות שבין -55 ל-179 מעלות צלזיוס. בבדיקות נמצא, כי בפלדה שנלקחה מהטיטאניק התרחש מעבר משיך-פריך, שהפך אותה לבלתי ראויה לשירות בטמפרטורות הנמוכות ששררו במי הים (קרוב ל-2- מעלות צלזיוס). טמפרטורת המעבר משיך-פריך של פלדה מודרנית נמוכה באופן משמעותי משל פלדת הטיטאניק, היא בעלת חסינות גבוהה יותר לשבר בטמפרטורות מי הים שבהם שטה הטיטאניק, וכן בכל תחום הטמפרטורות שנבדק.

מהם הגורמים לאסון מעבורת החלל צ'לנג'ר?

אחד האסונות הגדולים בתולדות נאס"א אירע, כאמור, ב-28 בינואר 1986: מעבורת החלל צ'לנג'ר התפוצצה באוויר 73 שניות אחרי שהמריאה מכף קנארוול, פלורידה. מיליוני בני-אדם ברחבי העולם צפו בהתרסקות בשידור חי ברשתות הטלוויזיה. עד אותו יום רשמה נאס"א 55 טיסות מעבורת מאוישות, כולן מוצלחות, לחלל. ההתעניינות בשיגור המעבורת היתה עצומה, בין היתר בשל העובדה שבין שבעת האסטרונאוטים היתה גם מורה בת 37 בשם קריסטיה מקאוליף, שנבחרה מבין מתנדבים  רבים להיות "האדם הפשוט הראשון בחלל". צירופה של קריסטיה לטיסה היה, במידה רבה, גימיק תקשורתי. היה זה ניסיון ראשון להטיס לחלל אדם שאינו אסטרונאוט. קריסטיה היתה אמורה להעביר מהחלל שיעור לתלמידי בית-ספר בארצות-הברית ובעולם, ולספר לאחר הטיסה  לבני הנוער על רשמיה מהמסע בחלל.

לקראת שיגור המעבורת, נדחתה המראת הצ'לנג'ר פעמים אחדות מסיבות טכניות ובשל מזג אוויר סוער. לאחר ההמראה, בגובה 16 ק"מ, התפוצצה המעבורת כשענן של עשן ואש אופף אותה, לעיני אלפי הצופים שבאו לאתר השיגור לחזות בהמראה. האסון הביא למותם של שבעת אנשי הצוות. אחרי כמה דקות נפלו שברי המעבורת למימי האוקיינוס האטלנטי, קילומטרים ספורים ממקום ההמראה. התקלה המחרידה סוקרה בדרמטיות באמצעי התקשורת, והכתה בתדהמה את העולם כולו. האסון הביא לקרקוע כל המעבורות למשך כשנה וחצי.

לאחר האירוע מינה הנשיא רייגן ועדה נשיאותית לחקירת האסון, שבראשה עמד שר החוץ לשעבר של ארצות-הברית, ויליאם רוג'רס. חבר בולט בוועדת רוג'רס היה הפיזיקאי היהודי-אמריקני ריצ'רד פיינמן, שנתבקש לחקור את האסון מנקודת מבט מדעית-הנדסית.  פרופ' פיינמן, חתן פרס נובל לפיזיקה לשנת 1965, נחשב לאחד הפיזיקאים המבריקים ביותר של המאה ה-20. לאחר שהצטרף לוועדת החקירה, היה פיינמן נחוש בדעתו לחקור ולמצוא מהן הסיבות לאסון המעבורת. חקירת האסון הכבד, חשיפת המחדלים בפרשה והפקת המסקנות ממנה מתוארות באופן מרתק בספרו של פיינמן "מה אכפת לך מה חושבים אחרים?" (שראה אור בהוצאת מחברות לספרות, 1996, תרגום עמנואל לוטם).

במהלך עבודת הוועדה, התברר כי מהנדסי חברת תיוקול ששכרה נאס"א כקבלן משנה לשם בניית רקטות ההאצה של המעבורת התריעו לפני ההמראה, שתיתכן דליפת דלק מחלקים מסוימים שהורכבו במאיצים. טענותיהם של המהנדסים נבדקו, אולם בנאס"א אישרו להמשיך בהמראה כמתוכנן.  לאחת מישיבות ועדת החקירה הגיע ללא הזמנה מהנדס של חברת תיוקול בשם מר מקדונלד. מעדותו עולה שמהנדסי חברת תיוקול הגיעו למסקנה, שיש קשר בין טמפרטורות נמוכות לבין בעיית האטימה של טיל ההאצה של המעבורת. בלילה שלפני השיגור פנו נציגים מחברת תיוקול לגורמים בנאס"א, בבקשה למנוע את שיגור המעבורת מתחת לטמפרטורה של  מעלות צלזיוס. בבוקר ההמראה היתה הטמפרטורה בכף קנאוורל  -2 מעלות צלזיוס. נאס"א "הזדעזעה" מאזהרת חברת תיוקול. גורמים בנאס"א טענו, שאין הוכחות חותכות לבעיה במעבורת. בעקבות לחצים מדרגים ניהוליים בנאס"א, חזרה בה חברת תיוקול מאזהרתה. אף על פי כן, מר מקדונלד סירב בתוקף להצטרף להחלטה, והמשיך להתריע כי שיגור המעבורת כרוך בסכנה. ועדת החקירה הזדעזעה מעדותו זו של מר מקדונלד. ליושבים בוועדה היה כעת ברור, שנוסף על התקלה באטמים, היתה גם תקלה ברמת הדרג הניהולי של נאס"א. 

לאור הממצאים והעדויות, הבין פיינמן מה היתה הסיבה המרכזית להתפוצצות המעבורת. באמצעות ניסוי פשוט, ששודר בטלוויזיה, הדגים פיינמן כי הסיבה לפיצוץ היתה הטמפרטורה הנמוכה ששררה באתר המראת המעבורת. הוא הטיל טבעת גומי זהה לטבעות האטימה שהיו במעבורת לתוך כוס מי קרח. לאחר דקות אחדות במים הקרים  (0 מעלות צלזיוס), הוציא את הגומי מהכלי, והראה כי הוא איבד את גמישותו והפך לפריך, בדיוק כפי שקרה לאטמי המעבורת בשל הקור העז ששרר ביום השיגור. כעת היה ברור לכולם מהי הסיבה המרכזית לאסון -  אחת מטבעות האטם שהורכבה בתוך רקטות ההאצה של הצ'לנג'ר הפכה לפריכה. אטם זה, שהיה עשוי מגומי מסוג ויטון, התכווץ בשל הטמפרטורה הנמוכה, האיטום נפגם, ונוצרו בחומר סדקים. כתוצאה מכך דלף החוצה הדלק הלוהט שבער בתוך הרקטה בשעת ההמראה. הדלק שדלף בא במגע עם מכל דלק נוסף, שהכיל מימן וחמצן, וגרם להתפוצצות האדירה. למחרת הופיעו בעיתונים בכל העולם הסברים מפורטים על הכשל במעבורת.

האם היה אפשר למנוע את האסונות? - דיון והפקת לקחים

מניתוח אסונות הטיטאניק והצ'לנג'ר עולה, כי בטמפרטורות נמוכות התרחש בחומרים מַעבר משיך-פריך, שגרם להתקדמות סדקים ולכשל קטלני. במקרה של הטיטאניק, התקבלה בשנים האחרונות המסקנה, כי תכולה גבוהה של גפרית וזרחן בפלדה היא האחראית להפיכת החומר לפריך בטמפרטורות נמוכות. במקרה של הצ'לנג'ר, מסקנת הוועדה היתה שאטם גומי, אשר הפך לפריך וכשל עקב הטמפרטורה הנמוכה ששררה בטרם השיגור ובמהלכו, הוא האחראי לאסון המעבורת.

חשוב להדגיש, כי סוג הפלדה שממנו נבנתה הטיטאניק לא היה הגורם היחיד לאסון טביעתה. הטיטאניק טבעה בשל רצף של אירועים וגורמים, וביניהם ההתנגשות בקרחון עצום-ממדים במהירות גבוהה, הטמפרטורות הנמוכות ששררו בים הצפוני, מעבר משיך-פריך של הפלדה שממנה נבנתה,   ותכנון לקוי של הקירות המפרידים בין 16 מדורי האנייה, שלא התנשאו לכל גובה הספינה. נוסף על כל אלה היתה שאננות מצד מתכנני הספינה ואנשי צוותה, שהיו משוכנעים כי הטיטאניק בטוחה לחלוטין, ולכן לא תטבע  לעולם. עובדה מעניינת היא, שהאנייה אולימפיק, שהושקה בשנת 1910, יוצרה באותה המספנה, בתכנון דומה  ומאותה הפלדה כמו הטיטאניק, שרדה למעלה מ-20 שנים (הטיטאניק היתה אחת מתוך שלוש אניות פאר עצומות-ממדים, שבנתה חברת וייט סטאר ליין).

האם אסון דומה לאסון הטיטאניק יכול להתרחש כיום? סביר להניח שלא. בימינו-אנו ישנם אמצעי ניווט, זיהוי וקשר מתקדמים, כך שאפשר להבחין בקרחונים ממרחקים גדולים ולמנוע התנגשות. אילו בכל זאת היתה מתרחשת כיום התנגשות שכזאת, סביר להניח שהנזק היה מועט יותר, משום שתכנון ספינות נעשה כיום ביתר קפידה, תוך שימוש בכלי תוכנה הנדסיים ובתקנים מחמירים. ההבנה שלנו בבחירת חומרים השתפרה במידה עצומה. אנו מבינים בצורה הרבה יותר יסודית ומעמיקה את הקשר בין מבנה החומר והרכבו, לבין תכונותיו והסיכוי שלו לכשל. הפלדות שבהן אנו משתמשים הן פלדות משיכות יותר מאשר הפלדה שממנה נבנתה הטיטאניק, והמעבר משיך-פריך מתרחש בטמפרטורות נמוכות בהרבה, מה שמקטין את הסיכוי לכשל פתאומי.

ובאשר לצ'לנג'ר: מעבורת זו שוגרה לחלל לראשונה באפריל 1983, וביצעה עוד שמונה טיסות נוספות במסלול נמוך בטרם התפוצצה, בשיגור העשירי שלה. הצ'לנג'ר היתה הראשונה מבין שתי מעבורות חלל שהתרסקו בתאונה במהלך משימה – השנייה היתה הקולומביה, שהתרסקה ב-1 בפברואר 2003, במהלך נחיתה. באסון הקולומביה נספו כל שבעת אנשי הצוות, וביניהם אילן רמון, האסטרונאוט הישראלי הראשון בחלל. התפוצצות הצ'לנג'ר גרמה להאטה משמעותית בתכניות האמריקניות לחקר החלל באמצעות מעבורות מאוישות. גם אסון זה, כמו אסון הטיטאניק, נבע ממעבר משיך-פריך של חומר, אלא שבאסון הצ'לנג'ר לא היתה זו מתכת (פלדה), אלא פולימר (גומי).

לא פחות מהמסקנות המדעיות, חשוב לזכור את ביקורתו החמורה של ריצ'רד פיינמן במסגרת ועדת החקירה שהוקמה על הכשל הארגוני שהתרחש בנאס"א. לדעתו, מנהלים בכירים בנאס"א התעלמו מחששות המהנדסים, ולפיכך לא נעשה שום צעד למניעת הכשל. בספרו מציין פיינמן שכאשר עוסקים בטכנולוגיות מתקדמות, אסור לשיקולים הפוליטיים להשתלט על תחושת המציאות ועל האמת המדעית. חרף הלקחים החשובים שהופקו מאסון הצ'לנג'ר, וחרף הפיתוח הנמשך של חומרים חדשים, אסונות דומים יכולים להתרחש גם בעתיד, אם המהנדסים העושים שימוש בחומרים לא יביאו בחשבון את מגבלותיהם.

לקריאה נוספת

ריצ'רד פיינמן, "מה אכפת לך מה חושבים אחרים?", מחברות לספרות (1996) תרגם עמנואל לוטם.

Callister, W.D., Materials Science and Engineering an Introduction, Fifth Edition, John Wieley & Sons, Inc., N.Y. (1999).

Dieter G E., Mechanical Metallurgy, SI Metric Edition, McGraw-Hill, London (1988).

Anderson, T.L., Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, Second Edition, CRC Press, Inc., Cleveland, Ohio (1991).

Brock, D., Elementary Engineering Fracture Mechanics, Fourth edition, Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht (1986).

Felkins, K. Leighly H.P. and Leighly A., “Did a Metallurgical Failure Cause a Night to Remember?”, JOM vol. 50 (1) (1998).

* תודה לרפי אשכנזי על הדיון הפורה בנושא. 

ד"ר דנה אשכנזי בעלת תואר ראשון ושני בהנדסת חומרים מאוניברסיטת בן-גוריון, ובעלת תואר דוקטור בהנדסה מכנית מאוניברסיטת תל-אביב. היא עוסקת במחקר וכתיבה בתחומי המדע והטכנולוגיה.

* המאמר פורסם לראשונה בגליליאו: דנה אשכנזי, "חקר כשלונות חומרים – האם ניתן היה למנוע את אסונות הטיטאניק והצ'למג'ר?", גליליאו – כתב עת למדע ולמחשבה, גיליון 103, מרץ 2007, עמודים 20 - 34.