Frattura fragile: Il caso delle Liberty ships
Immagine dello scafo fratturato di una Liberty Ship
I primi difetti
Essendo la nave formata quasi interamente da componenti e strutture saldate, si notarono inizialmente difetti non gravi nelle parti che presentavano saldature con angoli molto netti. Esemplare è la geometria dei celebri boccaporti.
Le navi soffrivano inoltre di una problematica tendenza al rollio. Questa fu inizialmente corretta con delle zavorre poiché potenzialmente pericolosa per il carico trasportabile e fastidiosa per l’equipaggio.
La rottura fragile
I materiali metallici presentano a temperatura ambiente, generalmente, una frattura di tipo duttile in campo plastico. Tale frattura è preceduta da una strizione del materiale e quindi da un campo di deformazione ben visibile. La natura del materiale causa quindi un distaccamento “Fibroso” delle estremità.
Tuttavia ad una temperatura inferiore alla NDTT (Nihl Ductility Transition Temperature), in italiano temperatura di transizione a duttilità nulla, si ha una rottura di tipo fragile in campo puramente elastico. Caratterizzata da una frattura immediata del materiale, brusca ed imprevedibile non presenta quindi deformazione plastica.
Tale fenomeno non era ancora del tutto noto e studiato. Al più veniva assoggettato ad una errata tempra del materiale durante il processo di produzione delle lamiere. Di esempio è il caso della HMS “Sultan”.
La prima frattura
Accadde il 16 gennaio 1943 dopo aver superato con successo alcuni test in mare. Ormeggiata nel cantiere della Kaiser Shipbuilding Co. a Portland in Oregon, la SS Schenectady, si spezzò circa a metà della propria lunghezza. La rottura fu di schianto, provocando un forte boato udibile persino ad un miglio di distanza.
Fortunatamente la frattura causò un innalzamento dello scafo, impedendo così alla nave di allagarsi.
Venne tempestivamente registrata una temperatura dell’acqua di circa 4°C e quella dell’aria di circa -3°C, con leggera ventilazione. Questa fu la prima di una enorme serie di dati raccolti dagli ingegneri dell’epoca.
Studiare il fenomeno
Il 23 marzo 1943, accadde il secondo caso. La frattura colpì la “SS Esso Manhattan“, rendendo imperativa la nascita di una commissione specifica.
Essa aveva il compito di comporre analisi riguardanti i materiali interessati. In particolare l’azione delle tensioni residue di saldatura sul comportamento in servizio di grandi strutture navali saldate.
Venne inoltre fatto notare dalla commissione l’assenza di casi notevoli. Mancavano quindi dati riguardanti rotture di tipo fragile in lamiere di acciaio da ¾” per costruzioni navali. Sintomo di una mancata valutazione preventiva dei rischi, forse a causa dalla molta fretta.
Raccolta dei dati
Si classificarono le fratture in base alla loro pericolosità, numerandole e dividendole. La distinzione riguardava la gravità della frattura e la possibilità di guastare l’imbarcazione. Per cui venivano distinte in pericoli gravi, in grado di compromettere la struttura principale dello scafo e pericoli secondari.
Iniziò quindi una grande raccolta dati registrando ben 4.720 fratture in 970 navi. Gravi furono 127, accusanti una completa frattura del ponte.
Tali risultati ebbero forti conseguenze che portarono ad un miglioramento generale del progetto, a scapito però di alcune categorie di operai. I saldatori, pur ricevendo un grado di qualificazione più elevato, se ritenuti negligenti nel proprio operato, venivano processati e costretti a scontare pene di varie entità in carcere.
L’analisi confermò inoltre la resistenza statica degli elementi strutturali, capace di garantire ampio margine di sicurezza. Tuttavia i criteri di progettazione sottostimavano la presenza di discontinuità strutturali, causanti la concentrazione di tensioni proporzionali alle tensioni residue. Nelle parti interessate erano quindi presenti imperfezioni di saldatura o spigoli vivi, perfetti per la nucleazione di cricche.
La causa delle fratture
Si registrò un alto numero di fratture nate in corrispondenza degli angoli dei boccaporti per circa il 25%. Non a caso si attuarono delle misure di correzione, quale il rinforzo locale degli stessi su circa 2045 navi. Queste permetterono alle Liberty di poter navigare in maniera più sicura scongiurando l’affondamento.
Essendo soggette a fenomeni allora poco conosciuti, le Liberty diedero inizio a grandi studi sulla meccanica della frattura e sui processi di saldatura nella produzione di massa.