探秘 |泰坦尼克号沉没的工程学原因
一句话导读：
泰坦尼克号沉没的根本原因在于错误地选择了连接钢板所用铆钉的材料及其装配工艺！
1. 一颗小小的铆钉引发的灾难
1912年4月14日，泰坦尼克号与一座冰山相撞而沉没，造成逾1500人丧生。泰坦尼克号沉没事故被称为20世纪最惨重的灾难之一。当然，这也是人类工程学历史上最惨重的灾难之一。那么，从工程学的角度，是什么真正造成了泰坦尼克的沉没呢？
（泰坦尼克船体海底残骸)
在《到底是什么让泰坦尼克沉没？》一书中，珍妮弗·胡珀·麦卡锡博士和蒂莫西·福克博士把泰坦尼克号沉没的真正原因归结于一颗小小的用于钢板紧固的铆钉。泰坦尼克号的船身是由2000多块1英寸厚的钢板组成，钢板与钢板之间通过3百多万个铆钉铆接在一起。
（泰坦尼克所使用的铆钉)
(工人正在船体上铆接铆钉)
(铆接好的铆钉)
（泰坦尼克船体残骸）
（泰坦尼克船体残骸）
2. 铆钉材料和工艺的选择
2.1 铆钉铆接的工艺步骤
2.1.1人工铆接：
人工铆接的工艺步骤如图所示：
第1步，将铆钉放入火炉中加热至樱桃红色；
第2步，把铆钉放入需要固定的两块钢板的铆钉孔中；
第3步，通过人工铁锤锤击，将铆钉的圆柱体一头锤击成所需形状；
第4步，铆钉冷却后收缩，把两块钢板紧紧的固定在一起。
人工铆接适用于锻铁铆钉和钢铆钉。
2.1.2 铆接机铆接：
当时铆接阶铆接视频：
现代铆接机铆接视频：
铆接机铆接主要用于钢铆钉铆接。
2.2 铆钉的材料和工艺对比
在当时，铆钉有两种材料可以选择：锻铁和钢，其特点及使用的铆接工艺对比如下表所示。
锻铁铆钉 | 钢铆钉 | |
物理特性 | 纯度高，含小于0.1%碳，熔点高；锻造时含有一定量的矿渣 | 铁碳合金，含碳量高，熔点低 |
机械性能 | 常温下强度低，延展性好；过高温度时依然延展性好 | 常温下强度高，延展性更好；过高温度时易脆 |
材料质量 检验 | 已经大规模应用于造船业很久，不必进行相关检验，除非船厂要求 | 新的材料，需要检验以保证质量 |
铆接性 | 好；即使温度过高，依然很软，具有延展性，可以铆接 | 差；如果加热过度，超过樱桃红颜色，钢铆钉变脆，即钢的热脆性，在铆接时会粉粹 |
铆接方式 | 人工，可在狭小空间操作，大约需要五个人工 |
|
铆接效率 | 低 | 铆接机铆接效率高，铆接时间大约为人工铆接的十二分之一 |
铆接质量 | 由于人工铆接耗时长，容易造船铁铆钉变冷而延展性降低，铆接质量一般 |
|
铆接质量可检验性 | 不易检验；加热温度取决于工人的经验判断；过热的锻铁铆钉依然可以被铆接，但实际上质量已经变差，但不易检验 | 易检验；如果铆接时加热过度，则铆钉铆接时粉碎，无法铆接，需要更换新的铆钉 |
铆钉成本 | 二者大致一致 | 二者大致一致 |
铆接成本 | 低 | 高 |
通过上述的对比分析，可以发现，相对于锻铁铆钉，钢铆钉铆接具有更高的强度和质量，很多造船厂相信，钢铆钉是未来，而且很多大多数的造船厂已经大规模的使用钢铆钉代替锻铁铆钉。
2.3 泰坦尼克号铆钉材料及工艺的选择
哈兰德与沃尔夫造船厂对于泰坦尼克号铆钉材料及其工艺做出了如下选择：
占据船体总长五分之三的船体选择钢铆钉，采用铆接机进行铆接；由于船身的强度要求较高，使用钢铆钉及铆接机进行铆接是一个合理的选择。
船头和船尾由于空间狭窄，不容易铆接机的操作，而选择锻铁铆钉，采用人工铆接。
那么为什么在船头和船尾不选择钢铆钉和人工铆接呢？原因有：
钢铆钉的人工铆接比锻铁的人工铆接成本更高，从表面上看锻铁的铆接质量更高；钢铆钉的加热温度是一个关键，但按照当时条件很难掌控，取决于工人的经验；同时，加热后要求尽快铆接完成；显然钢铆钉更适用于铆接机铆接而不是人工铆接。
在泰坦尼克号建造时钢铆钉是一种新材料，而锻铁铆钉已经使用很久；相关协会对于锻铁铆钉的铆接并不要求事后检验，而对钢铆钉则要求进行检验和测试。使用锻铁铆钉可避免额外的检验和测试，可节省相关的成本。
3. 泰坦尼克船体破裂的现象
科学家通过对泰坦尼克海底残骸进行考察发现，冰山撞击并没有在船身留下大而深的口子，仅仅只在船头（也是锻铁铆钉使用区域）留下了六个狭长的裂缝，其中有的裂缝仅仅只有手指宽。所有这些裂缝位于两块钢板的固定处，而锻铁铆钉本应该使得它们紧紧的固定在一起。
4. 锻铁铆钉材质分析
（铆钉残骸）
科学家通过对从海底打捞的48颗锻铁铆钉进行材质分析。第一颗锻铁铆钉含有9%的矿渣，超过标准的3倍；第二颗锻铁铆钉矿渣含量更多，矿渣纹路甚至肉眼可见。在总共31颗铆钉中，矿渣含量平均超过标准4倍。在19世纪，锻铁铆钉是通过冶炼而成，这要求经验丰富的工人不停搅动熔化的铁和矿渣以获得一致质量。但是，这项工作极其辛苦和劳累，铆钉质量决定于工人的技艺。也就是说，不同批次的铆钉、不同工人加工的铆钉，其质量存在差异。而矿渣含量过高意味着冶炼时间不够，没有足够时间把铁和矿渣混合均匀；以及温度过低，没有足够的热把多余的矿渣挤出。
更让人震惊的是矿渣纹路，该铆钉的铆钉头已经被剥离：
铆钉中心处矿渣纹路顺着铆钉的轴线方向，形成于铆钉条的加工过程。
铆钉顶端矿渣纹路自然平均地展开，这表明铆钉头在形成时铆钉条处于加热状态。
铆钉底端纹路突然呈90度，这表明在铆接时工人没有趁着铆钉处于加热状态时尽快铆接，铆钉已经冷却了工人还在锤击。
（铆钉剖面分析）
在19世纪中，科学家已经意识到锻铁铆钉呈各向异性，即其性能在不同方向上不同。在矿渣纹路方向上，铆钉强度已经接近低碳钢，在垂直方向则低很多。而在垂直方向上的延展性只有矿渣纹路方向上的十分之一不到。这意味着矿渣使得铆钉在矿渣纹路上加强了强度和延展性，但在垂直方向上却增加了脆性，最终造成破裂。
另外一个需要考虑的是铆钉在铆接过程时产生的残余应力。铆钉在铆接时冷却而收缩，把两块钢板紧紧的固定在一起，继而产生了残余应力。一旦铆钉存在了残余应力，仅仅需要少量外部冲击力即可造成铆钉头破裂。
如图所示是锻铁铆钉和钢铆钉的微观结构对比，显示了两种截然不同的材料。锻铁铆钉具有几个明显的矿渣纹路，最大的矿渣甚至长度超过1mm；与之对比的是，钢铆钉含有少量的小的球形杂质，包括硫化锰和铁合金，尺寸小于15um，其性能是各向同性，即性能在各个方向相同，铆接过程中的锤击不会影响其性能。
（ 锻铁铆钉和钢铆钉的微观结构对比）
通过强度测试对比，发现钢铆钉的强度比锻铁铆钉的强度大40%，延展性是锻铁最弱位置的3倍。
还有一个事实是从海底打捞的48颗锻铁铆钉中19颗的铆钉头已经被剥离，分散在海底，远离船体的钢板，这很好的证明锻铁铆钉的强度和延展性较差。而与之相反的，从海底打捞的部分船体残骸中的9颗钢铆钉依然保持完整，紧紧固定着两块钢板。
5. 情景再现
为了验证泰坦尼克号上铆钉强度低、脆性大的特点，科学家仿造了一批锻铁铆钉，并按照当时的方法铆接了两块钢板，并模拟冰山撞击的方式对钢板施加冲击力。
（铆钉铆接钢板）
在铆钉轴向方向的拉伸率仅仅不2%时，一颗铆钉的头被剥离。
（ 铆钉头剥离）
被剥离的铆钉头，非常类似于泰坦尼克号的铆钉残骸的头部剥离情形。
（被剥离的铆钉头）
通过上面的测试发现，当冰山撞击时，处于撞击中心的最弱一颗锻铁铆钉无法承受撞击力，头部被剥离；撞击力马上被转移到旁边的铆钉，造成旁边铆钉头被剥离；依次下去，最终在两块钢板之间造成裂缝，海水在高压下进入船体。
（泰坦尼克号钢板产生裂缝的过程）
为什么锻铁铆钉强度会变弱？
总结下来，锻铁铆钉强度变弱的原因包括：
锻铁铆钉中含有超过标准3倍的矿渣，矿渣在铆钉轴线方向上增加了强度，但在截面方向上脆性也大幅增加，使得铆钉头在很小的冲击力下就剥离。
锻铁铆钉在放入钢板铆钉孔时处于受热状态，冷却后铆钉收缩，但钢板阻止了铆钉收缩，于是对铆钉头部产生了拉伸内应力。也就是说，一旦铆接完成，铆钉头一直是在内部拉伸内应力的作用之下。
锻铁铆钉在人工铆接时，铆钉有可能已经开始冷却，这造成了铆钉的强度和延展性降低。
锻铁铆钉在铆接时，矿渣纹路方向从沿着轴线方向急剧变化为垂直方向，使得铆钉头部的强度和延展性降低。
钢板上的铆钉孔与钢板平面交界处呈直角，这就使得铆钉头部通过锤击形成时与铆钉轴连接处也呈直角，这造成了该处应力集中。
6. 泰坦尼克号沉没的启示
通过以上分析发现，从工程学的角度，锻铁铆钉是造成泰坦尼克号沉没非常有嫌疑的原因。那么，这对产品开发有什么启示呢？以及对面向成本的产品设计有什么启示呢？
材料选择的重要性
选择铆钉材料时，在钢铆钉强度更高、延展性更好的前提下，在船头和船尾区域选择锻铁铆钉。如果当时选择了钢铆钉，想办法使用人工铆接，泰坦尼克号也许不至于沉没；即使最终沉没，钢铆钉也会延长沉没时间，从而挽救更多的生命。
9月出版的《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）一书中将会介绍材料选择的步骤。
制造和装配工艺选择的重要性
人工铆接和铆接机铆接对产品质量存在重要影响。人工铆接受工人技能影响大、以及工人疲劳程度影响较大，很有可能铆钉已经开始冷却了工人还在继续锤击，这降低了铆钉强度和延展性；而铆接机铆接则不存在这个问题。合适的制造和装配工艺选择对产品质量至关重要。
对于工程师来说，在新产品开发时，总是会面对多种制造和装配工艺，工程师必须清楚的了解每一种工艺的原理、优点和缺点，只有这样才能做出正确的选择。说的这里，有的朋友可能会问了：那么多种工艺，我从来没有用过，我怎么去了解啊？这里有三个途径：
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DFMA和DFC是一项团队工作。可以向生产部门的专家需求支持；
参观供应商。针对工艺来说，从事该工艺的供应商大多数都是专家，因为这是他们的专长、他们具有丰富的实战经验和教训。参观供应商，亲自到现场了解工艺的过程，是学习该工艺的快捷方法。
9月出版的《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）一书中将会介绍常见制造和装配工艺的原理、优点、缺点及具体应用案例，并会介绍如何选择正确的制造和装配工艺。
面向成本的产品设计（DFC）不以牺牲产品质量为代价
为什么哈兰德与沃尔夫造船厂当时没有在船头和船尾区域选择钢铆钉-人工铆接的方式，而选择了锻铁铆钉-人工铆接的方式？
这主要是从成本考虑。尽管在当时锻铁铆钉的成本与钢铆钉的成本一致，但是钢铆钉的人工铆接成本更高，这是因为钢铆钉强度更高，不容易铆接，铆接效率低；同时钢铆钉要求更加严格的加热温度控制，一旦钢铆钉颜色超过樱桃红，就会变脆，铆接时就会被榔头砸碎，这时不得不使用新的钢铆钉，这也会造成成本的增加。
从面向成本的产品设计（DFC）角度来看，通过选择低成本的零部件材料和相应的制造、装配工艺来降低产品成本，这是很多企业常采用的方法。然而，如果产品成本降低是以牺牲产品功能、质量和可靠性为代价，这种方法无疑是非常错误和致命的。
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