Menyingkap misteri metallurgi: malapetaka Titanic

Disiar dalam Dewan Kosmik edisi Januari 2010

Menyingkap misteri metallurgi: malapetaka Titanic

Muhammad Nuruddin Bashah

Bc Hons Engineering (Material) University Of Malaya

Titanic dipercayai berasal dari nama satu dewa gergasi jahat yang perkasa pada pandangan orang Yunani. Lantaran itu nama sebuah kapal penumpang terbesar keluaran Ireland UK pada 1911 dinamakan sebagai Titanic yang turut bersaing dengan kapal penumpang Cunard Line's Lusitania dan Mauretania. Perancangan awal telah dibuat untuk membina 3 jenis kapal dari White Star Liners dan bersaing dengan Lusitania dan Mauritania dengan memperkenalkan perkhidmatan kapal penumpang mingguan untuk penumpang dari Southampton, England, ke New York City. Kapal besar yang pertama ialah RMS Olympic dan RMS Titanic manakala RMS Britannic yang dibina kemudiannya gagal digunakan sebaiknya kerana hanya dijadikan hospital laut semasa Perang Dunia I.

‘Maiden voyage’ iaitu perjalanan sulung sesebuah kapal selepas siap dibina dilakukan dalam upacara gilang-gemilang. Malangnya, nasib yang menimpa RMS Titanic tidak sentiasa cerah seperti permulaanya. Misi perjalanan Titanic berakhir dengan karamnya kapal tersebut secara mendadak dan tidak disangka-sangka.

Saya tidak pernah menonton filem Titanic yang ditayang pada tahun 1997 dahulu malah saya langsung tidak berminat dengan lagu temanya atau bersimpati dengan kesedihannya seperti rakan-rakan saya yang lain.

Namun perbincangan saya bersama ‘staff melting crew’ di kilang saya berkenaan kegagalan kejuruteraan Titanic menyebabkan saya cuba cakna kembali isu ini melalui persepsi analitikal yang meliputi isu konspirasi, nilai emosi, persejarahan, statistik serta tidak lupa juga bidang saya iaitu metallurgi. Ya, di kampus dahulu, pensyarah saya dalam bidang analisis kegagalan logam dari Pakistan ada mengajar berkenaan kegagalan Titanic melalui graf kegagalan besi yang dikenali sebagai ‘ductile-brittle transition’.

Kegagalan fizikal

Kegagalan besi Titanic menahan ketulan ais besar tersebut bukan sekadar dikaji melalui ketahanan luaran (toughness) tetapi juga kemampuan logamnya dari segi impak tenaga (impact energy) semasa berada dalam suhu sejuk. Graf ‘ductile-britlle transition’ telah lama dikaji sebelum penciptaan kapal gergasi berkenaan. Bagaimana kapal tersebut boleh terkeluar piawaian apabila ia menjadi rapuh dalam suhu sejuk yang boleh dikatakan tidak terlalu melampau? Di sini teori metallurgi disambung pula oleh para penganalisa konspirasi kegagalan Titanic yang dicipta oleh White Star Line kepunyaan Belfast, United Kingdom.

Punca utama bagi peristiwa hitam itu adalah keterbatasan ilmu metallurgi saat itu terutama dalam menyediakan besi keluli (steel) yang tahan dan kuat tetapi tidak rapuh pada suhu sejuk. Analisa dan kajian mendalam hanya beroleh kejayaan beberapa tahun kemudian. Selepas karamnya Titanic, The White Star cuba mengubah suai kapal RMS Britainnic agar tidak mengalami nasib yang sama melalui penambahan ketebalan besi dinding sebanyak 2 lapisan. Dalam ilmu metallurgi moden, hal ini tidak akan menyelesaikan masalah melainkan spesifikasi besi diubahsuai sesuai dengan suhu sejuk melampau di lautan Atlantik. Kegagalan besi ini dipanggil ‘ductile-brittle transition’.

Fenomena ini berlaku dalam logam yang berstruktur BCC (body centered cubic) seperti ‘low carbon steel’, di mana ia menjadi rapuh pada suhu rendah dan pada kadar keterikan (strain) yang amat tinggi.

Namun begitu, jika Titanic menggunakan besi FCC (face centered cubic), ia boleh menyelamatkan keadaan kerana besi sebegini kekal mulur (ductile) dan kuat (toughness) pada suhu sejuk ekstrim.

Dalam logam, pengubahan plastik sifat logam berlaku pada suhu bilik melalui pergerakan ubah kedudukan atom (dislocation). Tekanan (stress) diperlukan untuk menggerakkan atom, mengubah ikatan atom, struktur kristal, sempadan butir dan zarah-zarah mendakan.

Jika tekanan yang diperlukan untuk menggerakkan atom terlalu tinggi, logam akan gagal dan propagasi ‘crack’ akan berlaku (brittle).

Dalam logam FCC, daya yang diperlukan untuk ubah atom (dislocation) tidak terlalu bergantung kepada suhu dan ia akan kekal mulur pada suhu sejuk.

Lanjutan dari fenomena inilah jurutera mula mencipta ujian Cryogenic. Cryogenic ialah kajian pengeluaran logam dan sifat logam itu pada suhu rendah di bawah −150 °C, −238 °F atau 123 K.

Dari satu aspek penganalisaan, kegagalan kejuruteraan atau kecuaian profesional ini juga berlaku melalui sikap ego dan bongkak manusia. Hal ini terbukti melalui pengalaman kisah Titanic yag melambangkan keangkuhan manusia zaman itu untuk belayar di atas lautan milik Allah SWT, tanpa tenggelam. Malah mereka mencipta retorik dan kemasyuran melalui ungkapan ‘unsinkable’ yang dihebahkan dalam semua media milik Britain.

Namun begitu, fakta tetap fakta. Ungkapan ‘unsinkable’ lebih merujuk kepada promosi dan keangkuhan manusia dan ia dinafikan sendiri oleh arkitek marin yang mencipta Titanic, Thomas Andrews (lahir pada 7 Februari 1873) kerana semasa kejadian karam tersebut beliau berkata, “This is mathematical certainty”. Ya, melalui pengiraan tekanan air yang melimpah masuk melalui bahagian bawah hadapan kapal, ia telah memusnahkan salah satu enjin wap (boiler) Titanic. Air itu kemudiannya cukup untuk memberi tekanan dalaman serta memecahkan pintu enjin wap yang lain, dan akhirnya insiden ini berlaku secara domino.

Lihat ungkapan gah daripada kapten yang melayar Titanic, "When anyone asks me how I can best describe my experience in nearly forty years at sea, I merely say, uneventful. Of course there have been winter gales, and storms and fog and the like. But in all my experience, I have never been in any accident… or any sort worth speaking about. I have seen but one vessel in distress in all my years at sea. I never saw a wreck and never have been wrecked nor was I ever in any predicament that threatened to end in disaster of any sort." - Kapten E.J. Smith, Kapten RMS Titanic.

Bayangkan sebuah kapal yang cukup besar memuatkan hampir 2000 manusia ini dicipta untuk menjadikan mereka lupa bahawa mereka berada di lautan, cukup mewah dan stabil, akhirnya hampir 90 tahun ia menjadi taman untuk ikan-ikan di lautan. Perancangan Tuhan, RMS Titanic akhirnya hanya menjadi tukun untuk pembiakan ikan.

Perkauman dan keangkuhan turut terserlah melalui bantuan selektif yang diberikan semasa peristiwa Titanic karam. Penyiasat kes mendapati Titanic sebenarnya hanya memiliki ruang bot penyelamat yang cukup untuk kelas pertama sahaja manakala untuk kelas 2 dan 3 tidak mencukupi.

Dalam tulisan ini cukup dahulu untuk kita meneliti kegagalan metallurginya berbanding perbincangan biasa iaitu topik kecuaian dan keangkuhan.

Baik mari kita perhatikan permulaan kajian metalurgi Titanic.

Bangkai kapal ini ditemui semula pada kedalaman 4 kilometer di 600 km tenggara Mistaken Point Newfoundland. Para saksi berpendapat perlanggaran geseran di dinding Titanic dengan ais ketul besar menyebabkan pemecahan besar berlaku pada dinding kapal tersebut. Air sejuk yang menderu memasuki ruang bawah menyebabkan suhu dalaman kapal turut turun mendadak dan menjadikan kegagalan besi untuk kekal mulur dan kuat. Dengan teknologi sonar, sainstis berjaya menjumpai bahagian tepi kapal yang menjadi punca karam.

Analisa terperinci pada plat kecil besi mendapati kegagalan metallurgi yang menyebabkan besi hilang sifat elastik dan menjadi rapuh pada suhu sejuk dan ini mengakibatkan wujudnya titik lemah rapuh yang teruk.

Masalah spesifikasi kimia Manganese Sulfida

Serpihan keluli dinding juga didapati mengandungi kandungan fosforus dan sulfur yang amat tinggi iaitu sebannyak 4 kali ganda dan 2 kali ganda masing-masing berbanding kandungan besi moden yang digunakan dengan nisbah mangan-sulfur 6.8:1 berbanding besi moden dengan nisbah 200:1.

Partikel MnS (Manganese sulfide) telah dikenalpasti melalui EDAX.

Kandungan manganese perlu tinggi kerana manganese akan menangkap sulfur untuk membentuk sebatian MnS. Ketinggian kandungan fosforus akan memudahkan permulakan keretakan selepas dilanggar, sulfur pula menyebabkan wujudnya sebatian ionik FeS (2-3%) yang menyebabkan perebakan kepada keretakan. Jadi manganese yang turut menyumbang kepada sifat mulur pada keluli amat perlu ditambah dalam spesifikasi besi bagi kegunaan laut yang dingin.

Selain itu, manganese mempromosi struktur FCC yang bersifat ‘austenite’ yang kekal mulur pada suhu lampau sejuk. Tidak hairanlah jika hari ini kapal-kapal banyak menggunakan besi tidak-magnetik. Besi tidak-magnetik antaranya adalah berstruktur atom FCC-austenite. Manakala keluli Titanic yang bersifat BCC adalah pearlite dan ferrite.

Sampel dari kajian ke atas besi Titanic juga menunjukkan ia mengalami kegagalan ductile-brittle transition pada suhu 32⁰C! Bagaimana mungkin ia sesuai untuk digunakan pada suhu air dibawah tahap beku! Besi keluli moden hanya mengalami kegagalan ini pada suhu -60 C hingga -70C.

Permasalahan mikrostruktur rivet

Besi Titanic mungkin antara yang terbaik pada zamannya (1900an). Keluli ini dimasak dengan menggunakan ‘acid-lined, open-hearth furnaces’ di Glasgow yang menyebabkan proses ‘refining’ tidak boleh dilakukan untuk mengurangkan kandungan fosforus dan sulfur.

Faktor lain adalah kegagalan rivet yang digunakan. Rivet adalah umpama skru penyambung plat-plat besi untuk membina badan kapal. Sebanyak 48 rivet ditemui semula dan melalui analisa, didapati rivet itu terlalu mudah pecah. Malah mikrostrukturnya menampilkan kandungan ‘slag’ yang merupakan bahan buangan semasa perleburan besi. Slag bersifat ‘glassy’, rapuh dan mengandungi oksida-oksida ionik yang tidak diperlukan oleh keluli. Tambahan pula bahan yang digunakan untuk menbuat rivet adalah ‘wrough iron’ yang rapuh. Maklumat tambahan yang dijumpai menjawab persoalan kenapa ‘rivet iron’ yang digunakan terlalu ringan. Ia bertujuan untuk meningkatkan kelajuan kapal hingga mampu belayar 6 hari sahaja ke Amerika. Ia juga bertujuan mengurangkan berat kapal sebanyak 2500 tan! Sepatutnya rivet keluli (rivet steel) digunakan. Benar, Titanic juga menggunakan rivet keluli tetapi hanya pada tengah dinding kapal sahaja. Malah rivet Titanic dipasang dan diketuk menggunakan tenaga manusia yang semestinya tidak piawai!

Keretakan akibat Fosforus dan Sulfur

Semasa ekspedisi kajian di Atlantik Utara dibuat pada tahun 1996, serpihan besi terus dibawa ke University of Missouri-Rolla dan langkah pertama ialah mengenalpasti spesifikasi kimianya terlebih dahulu.

Spesifikasi kimia-aloi yang digunakan oleh Titanic ialah karbon 0.21%, manganese 0.47%, fosforus 0.045%, sulfur 0.069%, kuprum (Copper) 0.024%, oksigen 0.013% dan nitrogen 0.0035%.

Spesifikasi ini bersamaan ataupun hampir serupa dengan besi piawai ASTM iaitu A36 yang merupakan besi karbon biasa yang langsung tidak sesuai untuk suhu sejuk.

A36 mengandungi karbon 0.20%, manganese 0.55%, fosforus 0.012 %, sulfur 0.037%, silikon 0.007%, kuprum 0.01%, oksigen 0.079 % dan nitrogen 0.0032%.

Lihat perbezaan kandungan fosforus dan sulfur besi pada Titanic dan A36. Walaupun spesifikasinya hampir sama, namun kandungan fosforus dan sulfur Titanic amat tinggi! Malah nisbah MnS bagi Titanic hanya 6.8:1, manakala A36 ialah 14.9: 1. Untuk keluli FCC-austenite yang digunakan oleh saintis moden pula nisbahnya ialah 200:1 iaitu manganese yang cukup banyak untuk memerangkap sulfur.

Kandungan nitrogennya yang rendah menunjukkan ia tidak dimasak dengan proses Bessemer. Oleh itu, kerapuhannya tidak disebabkan oleh nitrogen. Pada awal abad ke-20, satu-satunya cara memasak besi keluli struktur ialah melalui proses ‘Open Heart Furnace’ sebelum berpindah ke metod ‘Basic Oxygen Furnace’. Disebabkan itulah kandungan oksigennya tinggi, manakala kandungan silikonnya rendah dan ini menunjukkan ia telah mengalami proses pengoksidaan separa atau semikilled steel. Kandungan oksigen yang tinggi juga boleh menyumbang ke arah kerapuhan keluli.

Dinding dapur berasid (Acid lining) pada dapur Open Heart boleh menyebabkan kandungan fosforus dan sulfur menjadi tinggi. Dinding refrektori dapur Open Heart ini bersilikon dan ini menyebabkan ia tidak bereaksi dengan fosforus dan sulfur sekaligus menatijahkan kandungan yang melampau bagi dua unsur ini.

Jika dibandingkan ciri impaknya, keluli A36 moden jauh lebih tahan pada suhu yang dingin iaitu memiliki tenaga impak 20 Joule pada -27⁰C manakala besi keluli Titanic adalah pada 32⁰C sedangkan suhu laut pada saat karamnya Titanic ialah -2⁰C.

Besi untuk Titanic adalah yang terbaik pada era 1909 hingga 1914.William Garzke dan beberapa pengkaji logam turut mengakuinya. Dalam laporan mereka tertulis, ‘the steel used in the Titanic was the best available in 1909-1914’. Hingga hari ini tiada kapal yang mampu menahan sehingga 39 000 ton air yang menderu masuk ke bahagian hadapan kapal sepertimana yang dialami oleh Titanic.

Terlalu banyak kajian-kajian dari unjuran metallurgi dilakukan terhadap kes Titanic ini sama ada oleh pihak kerajaan Perancis, Britain dan Amerika, kajian universiti, perseorangan dalam bentuk web atau makalah. Kajian ini kadangkala sukar difahami oleh masyarakat dan ia perlu diperjelaskan agar kegagalan dan kelemahan kejuruteraan dapat diminimakan serta diperbaiki untuk kesejahteraan penduduk dunia hari ini.

Cuba lihat besi titanic pada suhu semakin rendah (dingin), ketahanan impaknya semakin menurun berbanding besi moden yang menyerupainya iaitu A36 yang agak tahan pada suhu dingin (walaupun masih tidak sesuai untuk kegunaan bawah tahap beku)

Ini adalah mikrostruktur pearlite dan ferrite pada dinding titanic. Struktur ini ialah BCC (Body Centered Cubic) yang berbeza dengan besi FCC yang sesuai di suhu yang dingin.

Rivet yang digunakan...bayangkan rivet ini dipasang menggunakan tangan manusia bukannya teknologi mesin.