Специальные материалы

СОДЕРЖАНИЕ Введение 2 часа Раздел 1 Общие сведения о материалах в судостроении Тема 1.1 Требования к материалам и принципы их классификации. 2 часа Тема 1.2 Требования Регистра к выбору и применению материалов. 2 часа Раздел 2 Судостроительная сталь для корпусных конструкций Тема 2.1 Технологические и эксплуатационные требования к судостроительной стали и методы их оценки. 2 часа Тема 2.2 Металлургическое качество и влияние элементов на свойства судостроительной стали. 4 часа Тема 2.3 Химический состав и свойства судостроительной стали. 4 часа Раздел 3 Сплавы алюминия и титана в судостроении Тема 3.1 Классификация алюминиевых сплавов. Свойства и применение деформируемых алюминиевых сплавов. 4 часа Тема 3.2 Литейные алюминиевые сплавы. 2 часа Тема 3.3 Титан и сплавы на его основе. Классификация, особенности и область применения. 2 часа Раздел 4 Неметаллические конструкционные материалы Тема 4.1 Пластические массы 2 часа Тема 4.2 Древесина 2 часа Тема 4.3 Лакокрасочные материалы 2 часа Тема 4.4 Изоляционные материалы. Палубные покрытия. Насалки. Цементы и бетоны. 2 часа Тема 4.5 Нормирование расходов и стандартизация судостроительных материалов 2 часа Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Филиал «СЕВМАШВТУЗ» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» в г. Северодвинске Л.Н. Цыварева сПЕЦИАЛЬНЫЕ МаТЕРИАЛЫ Конспект лекций Северодвинск 2009 УДК 378.018.43:001.891 Специальные материалы. Конспект лекций. / Сост. Л.Н. Цыварева – Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2009. – с. Конспект лекций разработан на основе базовой учебной программы по дисциплине «Специальные материалы», утверждённой . .2009г и предназначенной для студентов, обучающихся по специальности 180101. © Севмашвтуз, 2009 г. Введение. Применяемые в судостроении материалы в зависимости от их природы, физико-химических и механических свойств, а также способов получения подразделяются на черные металлы, цветные металлы и неметаллические материалы. К черным металлам относятся железо и все его сплавы. Железные сплавы в зависимости от содержания углерода подразделяются на сталь и чугун. Сталью называются сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14% С. При большем количестве углерода эти сплавы называются чугуном. Железоуглеродистая сталь является основной продукцией черной металлургии. В ее составе всегда содержится небольшое количество других элементов, что обусловлено металлургической технологией производства. С введением в сталь некоторых металлов в качестве добавок образовалась большая группа различных марок низколегированной и легированной стали, обладающей более высокими физико-химическими и механическими свойствами по сравнению с углеродистой сталью. В современном судостроении сталь является основным конструкционным материалом, удовлетворяющим наиболее полно техническим и технологическим требованиям этой отрасли промышленности. Существенные достоинства черных металлов, обусловившие их широкое применение, — обширные запасы сырья для их производства, а также относительная простота их получения и обработки. Черные металлы дешевле и доступнее цветных металлов и их сплавов. Цветными называются все металлы, за исключением железа и его сплавов. В судостроении наиболее широкое применение получили цветные металлы: алюминий, медь, олово и сплавы на их основе. В последнее время перспективным в судостроении является титан и сплавы на его основе. Неметаллическими называются все материалы, кроме металлов. В зависимости от природы и физико-механических свойств неметаллические материалы подразделяются на органические (древесина, пластмассы) и минеральные (цемент, бетон, асбест). Многие неметаллические материалы (пластмассы, древесина, краски, лаки) имеют важное значение для судостроения. Все металлические материалы по способу производства подразделяются на литые (отливки) и деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные изделия). Виды заготовок из неметаллических материалов зависят от природы и физико-механических и технологических свойств этих материалов. Так, из древесины изготовляют; бруски, доски, фанеру, из пластических масс методами литья, штамповки и формовки различные простые и сложные заготовки (листы, плиты, трубы, профильные полосы), детали машин, судовые конструкции. Выбор материала обусловливается степенью ответственности конструкции или детали в эксплуатации. Поэтому ко всем материалам, применяемым в судостроении, предъявляются конкретные требования, вытекающие из их назначения и обеспечения надежного и долговечного использования в реальных условиях. Общими требованиями обычно являются: 1. Определенная механическая прочность, т. е. способность материала, не разрушаясь, сопротивляться действию заданной нагрузки. 2. Достаточная долговечность, т. е. определенная стойкость материала против разрушающего или ухудшающего его качество действия внешней среды, вызывающей коррозию, эрозию, гниение, старение и другие виды разрушений. 2. Хорошая обрабатываемость, т. е. способность материала без значительных затрат и снижения качества подвергаться технологическим операциям при изготовлении изделий. Ко всем материалам предъявляются конкретные экономические требования в отношении стоимости и степени доступности сырья. Прочность принято оценивать комплексом механических свойств, которые определяются по результатам испытания образцов или деталей в лабораторных условиях. Поведение материала при испытаниях зависит от многих внешних и внутренних факторов, основными из которых являются: химический состав и структура материала, способы его производства и обработки, способы нагружения, скорость приложения нагрузки (скорость деформирования), продолжительность (время) испытания. Все эти факторы должны быть учтены. В противном случае невозможно правильно оценить качество материала. Выявление стойкости материала против воздействия внешней среды (коррозии) обычно связано с длительностью опыта и практически затруднительно. Поэтому испытание образцов, например металла на коррозию, производится на коррозионных станциях или на специальных установках. Наблюдение за поведением металла в условиях коррозии ведется также при эксплуатации корпусов судов и морских сооружений. Полученные таким образом данные обобщаются, и на основе их устанавливаются показатели стойкости металла против коррозии. Обрабатываемость материала определяется технологическими свойствами, получаемыми при испытании образцов, например судостроительной стали: на изгиб в холодном или нагретом состоянии, на незакаливаемость, на свариваемость, на осадку; труб: на раздачу, на отбортование, на сплющивание. В процессе испытаний воспроизводятся действительные или близкие к ним словия обработки материала в цехах, и поэтому представляется возможность установить наиболее выгодный способ обработки данного материала. Экономические требования определяются целесообразностью использования материала для изготовления конструкций или деталей. Так, экономически невыгодно использовать более дефицитные цветные металлы (медь, латунь) для выполнения некоторых судовых систем, если их можно изготовить из стальных оцинкованных труб, стеклопластиков и других материалов. В процессе изготовления любых материалов неизбежны отклонения от оптимальной технологии производства, вызывающие появление в заготовках различных дефектов, которые снижают их качество. Поэтому все материалы обязательно подвергаются контролю (приемке), в процессе которого и определяется соответствие их свойств заданным требованиям. Показатели контроля определяются приемными условиями государственных или отраслевых стандартов на изготовление и поставку материалов. Их принято называть техническими условиями (ТУ). 1. Основные свойства материалов Условно делят на физические, химические, технологические, механические и эксплуатационные. Физические свойства – характеризуются определенным числовым значением. 1). Цвет – это способность материала отражать падающие на него световые лучи. Его определяют в изломе или после механической обработки. 2). Плотность () и удельный вес (). Плотность – это масса вещества, содержащая в единице объема по плотности металлы делятся на легкие и тяжелые: легкие менее ; тяжелые более . Удельный вес – это отношение веса вещества к его объему Детали и конструкции должны обладать высокой прочностью и малым удельным весом (малый удельный вес имеют Mg, Al). Например: благодаря большому удельному весу Pt (платина) и Au (золото) встречающиеся в самородном виде, добывают путем промывки более легких частиц песка, глины и т.д. Большая разница в удельном весе металлов вызывает иногда затруднения в получении сплава. Например: при получении свинцовистой бронзы тяжелый свинец (Pb) оказывает внизу, а более легкая медь (Cu) всплывает. 3). Температура плавления - это температура, при которой материал переходит из твердого состояния в жидкое (сплавы – в интервале температур). Знание необходимо в металлургии, литейном производстве, при горячей ОМД, сварке, пайке и других процессах, сопровождающих расплавлением металла. В зависимости от температуры плавления различают: Тугоплавкие металлы Легкоплавкие металлы К тугоплавким относятся металлы , которых меньше Fe (1539 оС); самый тугоплавкий металл вольфрам(3420 оС), высокую имеют Ta (2950 оС), Mo (2610 оС), Nb (2468 оС), V (1919 оС). На основании тугоплавких металлов изготавливают детали работающие при высоких температурах t, а также их применяют в качестве легирующих добавок. К легкоплавким относятся металлы имеющие низкую . Самая низкая у ртути (Hg) -38,87оС. Олово (Sn), свинец (Pb), цинк (Zn) - легкоплавкие металлы, их применяют при пайке, а также они входят в состав баббитов (подшипниковые сплавы). Единица измерения в системе СГС является – 1 оС в системе СИ - 1 К. 4). Тепловое расширение – это увеличение линейных размеров и объема материалов при повышении температуры. Его необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации точных измерительных приборов и инструментов, изготовлении линейных форм, горячей ОМД и т.д. Различают: линейное и объемное расширение. Изменение линейных размеров материалов при нагревании называется тепловым линейным расширением, которое характеризуется коэффициентом линейного расширения (α). α – показывает на сколько увеличится длина материала при повышении на 1 К (1 оС). α=[K-1] или [C-1] Зная α, можно рассчитать длину изделия при любой температуре: L = L0 (1 ± αt) Увеличение линейных размеров сопровождается увеличением объема материала. При расчете теплового объемного расширения учитывается коэффициент объемного расширения (). Наименьший α имеют сплавы: инвар (64 % Fe, 36 % Ni) К-1; суперинвар (64 % Fe, 31 % Ni, 5 % Co) К-1. Например, тепловое расширение при сварке вызывает внутренние напряжения и деформацию, приводящие к короблению конструкции, а иногда и к трещинам и разрывам. 5) Теплопроводность – это способность материалов передавать теплоту, т.к. в материале передачу теплоты осуществляют кроме положительно заряженных ионов () еще и свободные электроны (ē), металл обладает большой скоростью передачи теплоты, чем неметалл. На практике для сравнения теплопроводности пользуются условными единицами. Наилучшая теплопроводность у серебра – она принята за 1, у других металлов она выражается долями единицы: коэффициент теплопроводности. В отличие от электросопротивления (R) теплопроводность чистых металлов не зависит от температуры (на сплавы не распространяется). Например: если металл хорошо проводит тепло, то он плохо или совсем не поддается газовой резке; если металл плохо проводит тепло, то при быстром нагреве или охлаждении могут образоваться трещины и т.д. 6). Теплоемкость – способность материалов поглощать тепло. У металлов теплоемкость невысокая, поэтому для их нагрева требуется небольшое количество теплоты. Теплоемкость – это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на единицу температуры 1 К. , где С – удельная теплоемкость, . 7). Электропроводность и электросопротивление. Электропроводность – это способность материалов проводить электрический ток (электрический ток – упорядоченное движение свободных электронов). Величина обратная электропроводности называется электросопротивлением: 1 сименс R – это способность материалов препятствовать прохождению электрического тока. R зависит от l и S. , где ρ - удельное сопротивление проводника , характеризующая зависимость R от материала из которого он сделан и от внешних условий. Наличие примесей в металле повышает ρ, поэтому, когда требуется малое сопротивление, то применяют чистый металл. Самое высокое R имеют сплавы Ni с Cr (нихром), и Cr с Al (фехрали и хромали). R зависит от температуры: При очень низких температурах (близких к абсолютному 0), у многих металлов R скачкообразно падает практически до 0. это называется сверхпроводимостью оно обнаружено у Pb, Al, Ti, Sn и др. 8). Магнитность – это способность материала намагничиваться или притягиваться магнитом. Магнитностью обладает Fe, Ni, Co и их сплавы, которые называются ферромагнитными. У остальных металлов магнитные свойства выражены слабо. Магнитные свойства ярко проявляются при низкой температуре, по мере её повышения эти свойства уменьшаются. Температура, характеризующая потерю материалом магнитных свойств, называется точкой Кюри: у Fe т. Кюри = 768 оС; Ni т. Кюри = 360 оС; Co т. Кюри = 1130 оС. Магнитные материалы применяют для изготовления магнитов, трансформаторов, измерительных приборов; немагнитные – для изготовления корпусов, измерительных приборов, для постройки специальных исследовательских немагнитных судов. Постоянные магниты изготавливают из ферромагнитных материалов, которые после намагничивания сохраняют эти магнитные свойства. Электромагнитные изготавливают из металлов, которые должны намагничиваться, но могут не сохранять эти свойства после выключения электромагнита. Химические свойства – это способность материалов сопротивляться химическими или электрохимическими воздействиями различных сред при нормальной или высокой температуре, а также превращаться в другие вещества и изменять свои свойства. 1). Коррозионная стойкость. Коррозии подвержены почти все металлы (за исключением благородных Pt и Au, которые разрушаются в «царской водке» - смеси соляной и азотной кислоты). Например: Fe на воздухе ржавеет; Cu покрывается зеленым слоем окиси; Al покрывается белым слоем окиси и т.д. Высокой коррозионной стойкостью обладает Cr, Ni и их сплавы, а Ti и его сплавы по коррозионной стойкости приближается к благородным металлам. Скорость коррозии зависит от химического состава и структуры металла, состояния поверхности, наличия дефектов, от агрессивности среды (её температуры, скорости движения и химического состава среды). Сера, фосфор и углерод снижают стойкость к коррозии, хром, никель, титан и медь – повышают, а ниобий и титан повышают стойкость к межкристаллитной коррозии. Скорость коррозии определяется по формуле: υкор = г/м2 час или υкор = потере глубины слоя за год. Мерой коррозионной стойкости служит скорость распространения коррозии металла в данной среде и данных условиях: чем эта скорость меньше, тем металл более коррозионностоек. ГОСТ 13819 – 68 устанавливает 10 – ти бальную шкалу коррозионной стойкости в зависимости от скорости распространения, в мм/год: совершенно стойкие металлы оцениваются баллом 1: весьма стойкие-------------2 и 3; стойкие----------------------4 и 5; понижено стойкие---------6 и 7; малостойкие----------------8 и 9; нестойкие--------------------10. 2). Жаростойкость (окалиностойкость) – это свойство материалов сопротивляться окислению при высокой температуре (выше 550 оС). Жаростойкость зависит от химического состава и не зависит от структуры металла. 3). Жаропрочность – сопротивление материалов механическим нагрузкам при высокой температуре, т.е. способность материалов сохранять свои эксплуатационные свойства при работе в условиях высоких температур. 4). Кислотостойкость – способность материалов сопротивляться коррозии в агрессивных кислотных средах (серной, соляной, азотной и т.д.). Технологические свойства – это способность материалов поддаваться различным методам горячей и холодной обработки. 1). Литейные свойства – определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью к ликвации. Жидкотекучесть – это способность расплавленного материала заполнять форму и давать плотные отливки с точной конфигурацией; Усадка – уменьшение объема расплавленного материала при затвердевании и последующем охлаждении; Ликвация – неоднородность химического состава твердых материалов в разных частях отливки. 2). Ковкость – способность материалов без разрушения поддаваться обработке давлением зависит от пластичности материалов. Чем металл более пластичен, тем лучше он поддаётся обработке давлением. 3). Свариваемость – способность материалов давать прочные соединения путем их местного нагрева до расплавления или до пластичного состояния с применением давления. Свариваемость зависит от содержания углерода, чем больше углерода, тем хуже свариваемость. 4). Обрабатываемость резанием - способность материалов подвергаться обработке режущим инструментом для придания деталям определенной формы, размеров и чистоты поверхности. Обрабатываемость резанием определяется по скорости резания, усилию резания, и по чистоте обработанной поверхности. Обрабатываемость сталей зависит от структуры и химического состава. Так крупнозернистые стали из-за низкой КС лучше обрабатываются резанием, чем мелкозернистые. С увеличением содержания углерода уменьшается обрабатываемость резанием. Для повышения обрабатываемости в углеродистые стали вводят повышенное содержание S и P – автоматные стали. Механические свойства - это способность материалов сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). 1). Прочность – это способность материалов сопротивляться внешним нагрузкам, не разгружаясь. Характеризуется пределом прочности или временным сопротивлением разрушению , где Pmax – максимальная нагрузка, которую выдерживает образец не разрушаясь, Н Fo – площадь первоначального поперечного сечения, м2. Если напряжения в изделии превзойдут предел прочности, то оно разрушится. 2). Твердость - это способность материалов сопротивляться проникновению в них каких-либо более твердых тел. В зависимости от способов определения твёрдость обозначают: НВ – твердость измерения методом Бринелля; HR - твердость измерения методом Роквелла; HV - твердость измерения методом Виккерса; Н – микротвердость. Измеряется твердость в условных единицах. Между твердостью НВ и пределом прочности существует приближенная зависимость: , где k – постоянный коэффициент твердости для данного металла, выбираемый по таблице. 3). Пластичность - это способность материалов деформироваться под действием внешних сил не разрушаясь, принимать новую форму и сохранять её после прекращения действия внешних сил. Характеризуется пластичность: δ – относительным удлинением, %; ψ – относительным сужением, %. , где lo – первоначальная длина образца, м; lk – длина образца после испытания, м; - абсолютное удлинение образца, м; - площадь поперечного сечения до испытания, м2; Fk – площадь поперечного сечения в месте разрыва, м2; - абсолютное сужение образца, м2. Чем больше значение δ и ψ, тем пластичен металл. У хрупких металлов эти величины незначительны или равны нулю. 4). Упругость - это способность материалов деформироваться под действием внешних сил не разрушать, изменяя при этом свою форму и размеры и возвращать прежнюю форму после прекращения действия внешних сил. Характеризуется пределом упругости , где Ру – наибольшая нагрузка, не вызывающая остаточных деформаций, Н. Если напряжение в деталях превзойдут, то они изменят свою форму и размеры, что может иметь катастрофические последствия. 5). Вязкость - это способность материалов не разрушаться под действием внешних ударных нагрузок. Характеризуется ударной вязкость, КС , где А – работа, затраченная на разрушение образца, Дж; F – площадь сечения в месте надреза, м2. Ударная вязкость зависит не только от рода металла, но и от его температуры, химического состава, структуры и т.д. Например: два образца, изготовленные из одной стали, но имеющие различную структуру имеют разное значение КС, но почти одинаковые другие механические свойства. 6). Хрупкость – это свойство, обратное вязкости (определение формулируется студентами самостоятельно). Эксплуатационные свойства – определяются в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость. 1). Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивлению износу, т.е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей – в условиях реальной эксплуатации. При испытании образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами. 2). Хладноломкость - способность материала охрупчиваться (разрушаться) при низких температурах. К хладноломким металлам можно отнести металлы с решёткой ОЦК (Fe - α) и ГП (Zn). К нехладноломким – с решёткой ГЦК (Fe – γ, Al, Ni). Это деление металлов условно. 3). Трещиностойкость – свойство материала сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях. Трещины в материалах могут быть металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. 2. Отличительные свойства металлов: 1). Высокая электропроводность (т.е. малое R), т.к. имеют большое количество свободных электронов; R зависит от Т, при уменьшении Т уменьшается R, R зависит от примесей, чем меньше примесей, тем меньше R; 2). Высокая теплопроводность, т.к. много электронов: передача тепловой энергии в металл осуществляется двумя способами колебательным движением ионов  и движением свободных электронов ē; 3). Положительный α, поэтому с повышением Т увеличивается и R(у некоторых неметаллов α отрицательная); 4). Термоэлектронная эмиссия (испускание электронов с поверхности нагретого металла); 5). Способны к пластическим деформациям, т.к. свободные электроны обеспечивают целостность металла, даже если одна часть смещена относительно другой; 6). Металлы характеризуются малым количеством электронов на внешнем уровне, атомы легко отдают эти электроны и в узлах остаются положительные ионы . Отданные электроны свободно перемещаются между положительными ионами и образуют ē – газ. Они называются обобществленными (коллективизированные электроны) электронами. Положительные ионы колеблются около некоторых постоянных центров и образуют в простран Раздел 1. Общие сведения о материалах в судостроении Тема 1.1. Требования к материалам и принципы их классификации 1. Основные принципы выбора судостроительных материалов и требования к ним. Выбор материала для каждого перекрытия корпуса судна является достаточно сложной задачей, особенно если учесть многообразие корпусных сталей, применяемых в судостроении, а также выпускаемые промышленностью многочисленные изоляционные, лакокрасочные и другие материалы. Для правильного выбора материала необходимо знать требования, предъявляемые к ним условиями эксплуатации судов, способами их обработки при постройке и ремонте корпуса, а также условиями производства самих материалов, их хранения, безопасной работы с ними. Необходимо также учитывать, что требования к материалам могут меняться с течением времени. Например, постройка газовозов привела к совершенно новому комплексу требований, регламентирующих поведение металлов в среде сжиженных газов. Широкое внедрение в судостроительное производство сварки потребовало дополнительных проверок поведения металла в зоне теплового воздействия, вошедших в общий комплекс испытаний на свариваемость. В настоящее время стала необходимой проверка листовой стали на расслоение, если ее толщина достаточно велика, что обусловлено значительным ростом размеров судов и толщины листов их наружной обшивки. Обновляются изоляционные материалы, разного рода покрытия. Технология их нанесения выдвигает новые требования к материалу. Совершенствование качества материалов, принципов их выбора и применения в корпусе судна происходит по нескольким направлениям: - усложнение и дифференциация требований к свойствам материалов, в связи с чем, например, регламентацию показателей химического состава и основных физико-механических характеристик дополнили оценкой характеристик технологических свойств; - специализация свойств и связанное с нею увеличение номенклатуры применяемых материалов: создаются материалы узконаправленного действия (немагнитные стали; противообрастающие краски; стеклопластики, наилучшим образом работающие на изгиб, сдвиг, растяжение); - более широкое использование синтетических материалов; композиций из нескольких материалов, каждый из которых предназначен для выполнения заданных функций; - расширение круга промышленно используемых материалов: широкое применение сплавов на основе алюминия в качестве материала корпуса судна, сплавов на основе титана и стеклопластиков, гнутых профилей проката и т. д. В стали для корпусных конструкций в обязательном порядке начали добавлять алюминий, титан, молибден, ванадий. Технические требования, предъявляемые к материалам, можно разделить на эксплуатационные и технологические. Эти требования выполняются с учетом их экономической значимости и целесообразности применения. Например, содержание серы и фосфора в судокорпусных сталях определяется своеобразным экономически обусловленным порогом 0,04%. Дальнейшее их удаление из стали резко увеличивает стоимость выплавки металла, подавляя экономические преимущества при эксплуатации и постройке судна. Ряд эксплуатационных преимуществ конструкционных пластмасс, применяемых в судостроении, не перекрывает технико-экономические недостатки их производства и переработки в изделия корпуса судна. Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение, так как они обеспечивают высокую работоспособность элементов корпуса при заданных температурно-силовых параметрах нагружения в контакте с различными средами. Для прогнозирования работоспособности материала используется комплексная характеристика — конструкционная прочность, включающая показатели прочности, надежности и долговечности. Прочностью называют способность материала, не разрушаясь и не получая практически ощутимых остаточных деформаций, сопротивляться действию заданной нагрузки (внешних сил). Прочность определяет сопротивление материала упругой и пластической деформации. Оценивают ее по результатам механических испытаний показателями временного сопротивления (предела прочности при растяжении), предела текучести и величиной модуля нормальной упругости (модуля Юнга). Для большинства материалов величины этих показателей оговорены в стандартах в виде обязательных для исполнения количественных характеристик. Оценка поведения материала на основании знаний только о показателях прочности, как показывает практический опыт, недостаточна. Высокая прочность должна сочетаться с определенной деформационной способностью и отсутствием склонности к хрупкому разрушению. Иными словами, материал должен быть прочным, пластичным и вязким. Деформационная способность оценивается показателями пластичности, т.е. относительным удлинением и относительным сужением после разрыва. Способность материала к упругим и пластическим деформациям позволяет ему без разрушения и нарушения целостности претерпевать напряжения, которые превышают пределы упругости и текучести, возникающие во время эксплуатации или создаваемые при выполнении технологических операций. Прочность материала еще не свидетельствует о его высокой надежности. Более того, создание высокопрочных сталей, обладающих одновременно высокой надежностью, является очень сложной задачей. Надежность материала определяет его способность сопротивляться разрушению. Разрушение металла может быть хрупким и вязким. Разрушение без предварительной пластической деформации принято называть хрупким. Оно характеризуется образованием трещин с большой скоростью (разрушение может быть практически мгновенным, когда сетка трещин даже не успевает стать видимой глазу). Количественной характеристикой сопротивляемости материала хрупким разрушениям служит показатель ударной вязкости, определяемый по результатам испытания на динамический (ударный) изгиб надрезанного образца. Если разрушение предваряется пластической деформацией (формоизменением участка конструкции), разрушение называют вязким (иногда при применении высокопластичного и вязкого материала разрушение так и не происходит, а процесс останавливается после формоизменения конструкции или возникновения трещин). Механические свойства материалов, соответствующие заданному уровню надежности, обеспечивают не только неразрушаемость корпусных конструкций. От уровня надежности, которая определяет допускаемые напряжения и запас прочности, зависит масса корпуса судна, стоимость материалов, трудоемкость их обработки, строительная стоимость судна, экономичность его эксплуатации. При заданном уровне надежности на изменение массы корпуса влияет отношение предела текучести к плотности применяемых материалов, называемое удельной прочностью. Если решающую роль играет обеспечение устойчивости и жесткости конструкции, то можно вести оценку по отношению к плотности величины модуля нормальной упругости. Соотношение названных относительных характеристик основных конструкционных материалов корпуса судна приведено в таблице 1. Таблица 1. Относительные характеристики конструкционных материалов корпуса судна Материал Плотность, г/м3 Предел текучести, σт, МПа Модуль нормальной упругости Е, МПа Удельная прочность (σт,/γ) 10-5, см Удельная жёсткость (Е/γ) 10 -7, см| Малоуглеродистая сталь 7,8 240 2,1-105 3,1 27 Низколегированная сталь 7,8 300—400 2,1-10* 3,8—5,1 27 Нержавеющая сталь 8,0 500—1000 2, МО5 6,2—12,5 26,2 Сплавы на основе титана 4,4 800—1000 1,Ы05 18,2—22,7 25 Сплавы на осн. алюмини 2,7 160—200 0,7-Ю5 5,9—7,4 25,9 Конструкционные 1,6—2,0 300—500 (0,8-^0,46)-108 18,8—25 5—23 пластмассы Помимо прочности поведение материала в конструкции должно определяться его долговечностью. Долговечность—способность материала выдерживать до разрушения заданное число повторных воздействий (усталостная долговечность) или определенную статическую нагрузку в течение заданного периода времени (статическая долговечность). Причины потери работоспособности материалов при многократном или длительном нагружении разнообразны: развитие процессов усталости, развитие ползучести, абразивное изнашивание, коррозия. Эти процессы приводят к накоплению необратимых повреждений материала и его разрушению. Особую роль в оценке долговечности играют сопротивляемость многократным нагружениям и стойкость к воздействию внешней среды. Усталость - сопротивляемость многократным знакопеременным или пульсирующим нагрузкам одного знака, характерна для металлических материалов. Признаками усталости металлов являются возникновение и развитие трещин, которые приводят к охрупчиванию и хрупкому излому по поверхности интенсивного трещинообразования. Показателем сопротивляемости материала подобному разрушению является предел выносливости — напряжение, при котором образец выдерживает без разрушения заданное количество циклов на-гружения. Реальная долговечность материала существенно зависит от наличия концентраторов напряжений: царапин, надрезов, горячих или холодных трещин, структурных дефектов, оставшихся после прокатки или возникших в результате других видов обработки материала. Проверка металлических материалов на долговечность не включается в технические условия на поставку, но при разработке нового конструкционного материала она обязательна. Возникновение и развитие коррозионных процессов корпуса судна приводят к необратимым изменениям структуры материалов, химическим превращениям на их поверхности, а при некоторых видах коррозии и во внутренних слоях материала, что вызывает, снижение показателей механической прочности и в особенности усталостной прочности. Корпусные конструкции стремятся защитить от коррозионного воздействия внешней среды. С этой целью применяют металлические и лакокрасочные покрытия (пассивная защита), установку протекторов (активная защита). При хранении металлов или целых корпусных конструкций в период постройки судна их также защищают от коррозии окрашиванием или консервируют (вопросы коррозии подробно изложены в книге Хоникевича А. А. «Химия и коррозия в судостроении», Судостроение. Л., 1988, которая полностью соответствует курсу, излагаемому студентам). Помимо коррозии при изучении воздействия внешней среды на свойства материала следует учитывать влияние эрозии и кавитации при обтекании корпуса судна водой, гниения деревянных корпусных конструкций, обрастания корпуса. Современная технология постройки металлических корпусов судов предусматривает использование многочисленных операций: механической, газовой или плазменной резки, холодной и горячей гибки, правки (холодной и с подогревом), сварки, каждая из которых может повлиять на свойства металла. Неметаллические материалы также обрабатывают резанием, сваривают, склеивают, приготовляют из компонентов перед использованием. Поэтому все металлы и неметаллы должны обладать совокупностью регламентируемых свойств, позволяющих изготовлять требуемые изделия заданного качества с наименьшими затратами при обработке: - не должны образовываться горячие и холодные трещины, выколы, технологические надрезы, заусенцы; - изменение структуры и механических свойств стали, вызванное нагревом и пластической деформацией при технологическом воздействии, должно быть минимальным, не вызывающим недопустимого для эксплуатации изменения прочности, пластичности, вязкости. Совокупность подобных требований и нормативов определяет технологичность материала. Иногда используют понятие обрабатываемости, идентичное технологичности и устанавливающее фактическое изменение свойств материала после обработки. Технологичность и обрабатываемость проверяются рядом испытаний, повторяющих или имитирующих реальные способы обработки. Часто проводятся целые комплексы испытаний, дополняющих одно другое. Среди технологических испытаний металлов следует отметить проверку литейных свойств; испытания деформируемости загибом образцов, при осадке, отбортовке, перегибе; проверку свариваемости, паяемости, обрабатываемости резанием. Лакокрасочные материалы проверяют на рабочую вязкость, маслоемкость, укрывистость. Технологичность материала оценивают также стоимостью всех процессов, связанных с его изготовлением и переработкой в изделие, иными словами, материал должен быть экономичным. Экономичность определяется на всех стадиях создания изделия путем сопоставительных расчетов. Например, при выборе сталей обычной и повышенной прочности и распределении их в корпусе судна, когда применение материала повышенной прочности не оговорено Правилами Регистра или не продиктовано эксплуатационной необходимостью, изменение строительной стоимости судна составляет ΔС = GпSп — GоSо = GпΔS — SоΔG, где Gп — масса металлического корпуса, полностью построенного из стали повышенной прочности; Gо — масса металлического корпуса, построенного из стали обычной прочности; Sп и Sо — оптовые цены сталей повышенной и обычной прочности. При современном уровне цен и допустимом выигрыше в массе ΔС всегда больше 0, т. е. строительная стоимость с применением стали повышенной прочности всегда возрастает, но величина вздорожания не должна быть безграничной, для чего и нужна оценка экономичности материала. Стоимость возрастает еще и потому, что с уменьшением толщины связей, выполненных из стали повышенной прочности, определяющим становится обеспечение устойчивости и жесткости конструкций, ведущее к уменьшению шпации основного набора. Трудоемкость одинаковых операций обработки материалов с разными характеристиками механических свойств также неодинакова. Так, трудоемкость правки листов одних и тех же размеров из углеродистых сталей с σт=240 МПа в 1,4— 1,25 раза ниже трудоемкости правки листов из стали с σт=400 МПа. Разница в трудоемкости гибки, тепловой обработки, пневматической рубки для тех же сталей определяется отношением 1,11. Таким образом, помимо оценки физико-механических свойств материалов необходимо учитывать способы переработки материалов в изделия при реально существующих технологиях изготовления этих материалов. 2. Принципы классификации материалов Классификация — распределение объектов по классам (группам, разрядам) в зависимости от их общих признаков. Классификация помогает ориентироваться в многообразии объектов и закономерных связей между ними и может служить источником знаний о них. Существуют различные принципы классификации материалов, например: - по назначению — основные (материалы судна), технологические, вспомогательные (материалы верфи), эксплуатационные; - по несущей способности — конструкционные (для расчетных конструкций) и неконструкционные; - по происхождению — природные и синтетические; - по структуре и строению— металлы, неметаллические органические и неметаллические неорганические. Для судостроения в целом целесообразным признан потребительский принцип классификации, основой которого является назначение материалов. По этому принципу все судостроительные материалы делятся на четыре класса: Первый класс составляют основные материалы, из которых создаются корпуса судов, судовые механизмы, устройства, приборы. Во второй класс входят технологические материалы, необходимые при выполнении операций технологических процессов. Третий класс объединяет вспомогательные материалы, которые применяют для создания сооружений и приспособлений, используемых при постройке судна. В четвертый класс включаются эксплуатационные материалы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию судна. Те из материалов, которые пригодны для создания несущих конструкций, рассчитываемых на прочность, жесткость, устойчивость, принято называть конструкционными. В корпусе судна — это металлы, некоторые виды древесных материалов, пластмасс и композиций из них, бетоны. Материалы изоляции корпуса, отделочные, лакокрасочные, мастики и другие материалы носят обобщающее название неконструкционных. Примерами систематизации свойств материалов могут служить классификации сталей и сплавов на основе алюминия и титана (рис. 1.1—1.3). Развернутая классификация наиболее важных материалов, применяемых для корпусных конструкций соответствует структурной схеме, которая основана на принципах, изложенных выше (рис. 1.4). Помимо упорядочения применяемых для постройки судна материалов их классификация позволила создать «Отраслевой классификатор материалов». Материалы входят также и в «Общегосударственный классификатор промышленной продукции». В классификаторах учтены изложенные принципы деления материалов, указаны документы на их поставку, размеры, форму. В соответствии с принятой системой деления каждый вид и типоразмер конкретного материала в классификаторе имеют кодовое цифровое обозначение. Общий код материала состоит из кода группы (нуль плюс три знака), кода подгруппы, кода характеристик (по два знака) и кода типоразмера (три знака): Резиновые и асбестовые материалы 010-299.021 Лакокрасочные материалы 010-299.022 Продукция пищевой промышленности 010-299.023 Топливо и нефтепродукты 010-299.024 Вспомогательные материалы 010-299.025 Резино-технические изделия 010-299.026 С помощью кода материал может быть занесен в память автоматизированной информационно-поисковой системы (АИПС) или найден в банке ее данных. Используя эту систему, можно иметь полную информацию о заказе, приемке и хранении материалов, их прохождении в цехах завода. На этом основании может быть полностью реорганизована работа отдела материально-технического снабжения судостроительных предприятий. 3. Классификация и маркировка сталей и чугунов Сталь является основным конструкционным материалам, удовлетворяющим наиболее полно техническим и технологическим требованиям современного производства. В промышленности применяется более 10 тысяч сталей и все они делятся по химическому составу на две группы: углеродистые и легированные. Сплавы железа c углеродом, содержащие до 2,14% углерода, называются углеродистой сталью. В состав углеродистых сталей, кроме углерода, который является основной примесью и оказывает главное влияние на свойства сталей, входит: - до 0,8% марганца (Mn) являются полезными (технологическими) примесями, - до 0,4% кремния (Si) оставшимися после раскисления стали; - до 0,055% серы (S) являются вредными примесями, попавшими из чугуна, - до 0,045% фосфора (P) а в чугун – из кокса и руды. Классификация, маркировка и применение углеродистых сталей. Углеродистые стали Конструкционные Инструментальные обыкновенного качественные качественные высококачественные качества Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества соответствуют ГОСТ 380 - 94. Маркировка: Ст 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, где Ст - углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества; группа А в марке не указывается; 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 – условный номер марки, чем больше номер, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и текучесть, ниже пластичность; для обозначения степени раскисления в конце марки ставится индекс: КП – кипящая, раскислена неполностью, только марганцем, содержит меньше углерода и кремния, её получение обходится дешевле. Сталь менее загрязнена неметаллическими включениями, продуктами раскисления, поэтому имеет большую пластичность, особенно при листовой штамповке. Газовые пузыри полностью завариваются в ходе горячей обработки давлением. Основной недостаток кипящих сталей – хладноломкость, которая проявляется при температурах ниже -100С. Причиной хладноломкости является распад окиси железа (раствора Fе О2) и выделение частиц закиси железа (FeO). СП – спокойная, то есть полностью раскислена, марганцем, кремнием и алюминием, она содержит больше кремния и не содержит растворённых газов, хорошо сваривается, куется и прокатывается в горячем состоянии, так как при температуре 200С имеет меньшую пластичность. Хладноломкость проявляется при температурах ниже -400С. ПС – полуспокойная, имеет промежуточные свойства, её применение как конструкционного материала получает все большее распространение. Стали всех групп с номерами 1, 2, 3, 4 по степени раскисления изготавливают кп, сп и пс, а с номерами 5,6 – только пс и сп. Сталь имеет 6 категорий, которые указывают на объем сдаточных характеристик, при этом категория 1 в маркировке не указывается. В случает повышенного содержания марганца более 0,8 до 1,2% в конце марки ставится буква Г, например, Ст 3 Гсп. В зависимости от гарантированных свойств стали обыкновенного качества подразделяются на три группы: - группа А, гарантирует механические свойства, используется в составлении поставки в виде листов и различных профилей. Обработке давлением, сварке и термической обработке не подвергается, так как их химический состав не указан, возможна механическая обработка. Пример: Ст 1 пс, Ст 3 кп, Ст 6 - группа Б, гарантирует химический состав, может подвергаться тепловой обработке (сварке, термической обработке). Пример: Б Ст 1 кп, Б Ст 3 кп, Б Ст 3 сп, Б Ст 6 пс - группа В, гарантирует химический состав и механические свойства. Пример: В Ст 1, 2, 3, 5 Сварные конструкции изготавливаются в основном из спокойной или кипящей сталей. Стали марок Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3 являются низкоуглеродистыми и не упрочняются термической обработкой (закалкой). Углеродистые конструкционные качественные стали соответствуют ГОСТ 1050 – 88, выпускаются с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Спокойная степень раскисления СП – в маркировке по ГОСТ 1050 – 88 не указывается. Маркировка: первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, затем указывается степень раскисления – кп, сп, пс. 05кп, 08, 08пс, 08кп, 10, 10кп, 10пс, 11кп, 15, 15кп, 15пс, 18кп, 20кп, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп), 60. Правило написания: в чертежах – 45 ГОСТ 1050 – 88; в текстовых документах – сталь 45 или 45, Ст 45 –такая запись не допустима. Стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы, называются легированными сталями (иногда их называют специальными). Легирующие элементы изменяют механические, физические и химические свойства стали. Повышение механических свойств достигается в основном после термической обработки. Легированные стали могут быть классифицированы по пяти признакам: по составу, по назначению, по структуре в равновесном (отожжённом) состоянии, по структуре после охлаждения на воздухе (в нормализованном состоянии) и по качеству. Конструкционные легированные стали. При маркировке конструкционных легированных сталей первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, буквы после двух первых цифр указывают на содержание легирующего элемента, а цифры после букв – на содержание соответствующего элемента в процентах. Если число не стоит, значит, легирующий элемент содержится в стали менее 1,5%. Например: 40ХН – легированная конструкционная качественная сталь, содержит 0,4% С, 1% Cr, 1% Ni, остальное железо и примеси. 30ХГС– легированная конструкционная качественная сталь, содержит 0,3% С, 1% Cr, 1% Mn, 1% Si, остальное железо и примеси. 30ХН2ВФ – легированная конструкционная качественная сталь, содержит 0,3% С, 1% Cr, 2% Ni, 1% W, 1% V, остальное железо и примеси. Для обозначения высококачественной легированной стали в конце марки добавляют букву А, например: 30ХГСА– легированная конструкционная высококачественная сталь, содержит 0,3% С, 1% Cr, 1% Mn, 1% Si, остальное железо и примеси. 12ХН3А – легированная конструкционная высококачественная сталь, содержит 0,12% С, 1% Cr, 3% Ni, остальное железо и примеси. Для обозначения особо высококачественной стали, добавляют через дефис букву Ш, например: 30ХГС-Ш – легированная конструкционная особо высококачественная сталь, содержит 0,3%С, 1% Cr, 1% Mn, 1% Si, остальное железо и примеси. 30ХГСА-Ш – легированная конструкционная особо высококачественная сталь, содержит 0,3% С, 1% Cr, 1% Mn, 1% Si, остальное железо и примеси. Цементуемые легированные стали содержат до 0,25 – 0,30% углерода и являются низколегированными. Во всех сталях этой группы присутствует хром, в некоторых титан и ванадий. Эти элементы уменьшают склонность аустенитного зерна к росту при нагреве под цементацию и упрощают термическую обработку после неё. В качестве цементуемых применяют стали 15ХФ, 20Х, 20ХГ, 18ХГТ, 12ХН3А, 30ХГТ, 18ХНВА и другие. Улучшаемые легированные стали содержат 0,3 – 0,85% углерода, улучшение обеспечивает наилучший комплекс механических свойств стали. Улучшаемые стали не содержат дорогих примесей, в сечениях до 30мм хорошо прокаливаются, обладают хорошей свариваемостью. В качестве улучшаемых применяют стали 40ХА, 30ХГСА, 30ХМА, 34ХН3М, 34ХН3МФ, 40ХНМА, 40ХН2МА и другие. Стали 25ХСГ, 25ХГСА, 30ХГС, 30ХГСА, 35ХГС, 35ХГСА называются хромансилями и имеют хорошую прочность и вязкость, хорошо свариваются, недорогие, широко применяются в судостроении. Стали специального назначения. Рессорно-пружинные стали содержат повышенное количество углерода 0,5 – 0,6%. Детали из этих сталей служат для смягчения толчков и ударов, поэтому основные требования, предъявляют к ним - высокие пределы упругости и выносливости. Для пружин и рессор различного назначения широко применяют кремнистые стали 55С2, 60С2, 60С2А, 65Г, 65С2ВА, 60С2Н2А, 50ХГ, 70С2ХА, 50ХФА; Для работы в особотяжёлых условиях – хромованадиевую высококачественную сталь 50ХФА. Шарикоподшипные стали содержат высокое количество углерода 1,0% и хром. Шарикоподшипниковые стали подвергают строгому металлургическому контролю на наличие пористости, неметаллических включений, карбидной ликвации, карбидной полосчатости, карбидной сетки. В стандарте на шарикоподшипниковую сталь указаны ограничения на количество и размеры неметаллических включений, которые являются очагами разрушения в деталях, работающих на износ. Подшипниковые стали изготавливают следующих марок ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ и 90Х18. В обозначении марки буквы и цифры означают: Ш – подшипниковая сталь; цифра после буквы Х показывает содержание хрома в десятых долях процента (1,5%); Х, С, Г – легированная хромом, кремнием и марганцем. Стали и сплавы с особыми свойствами. Стали – сплавы, с содержанием железа более 45%; Сплавы – сплавы, с содержанием железа менее 45%; Стали с особыми физическими свойствами к ним относятся стали с особыми магнитными свойствами (например, 45Г17ЮЗ – маломагнитная сталь), сталь высокого омического сопротивления (используется для нагревателей, например, Х20Н80 – нихром, 80% Ni), с заданным коэффициентом теплового расширения, с заданными упругими свойствами, износоустойчивые стали. Стали с особыми химическими свойствами к ним относятся высоколегированные коррозионностойкие стали, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы. Они применяются для изготовления, как деталей машин, так и инструментов, определяющим для применения этих сталей являются условия их работы. Инструментальные стали. Углеродистые инструментальные стали соответствуют ГОСТ 1435 – 90, содержат более 0,65 до 1,4% углерода и делятся на качественную и высококачественную. Высококачественная сталь отличается от качественной меньшим содержанием серы и фосфора и, следовательно, имеет большую прочность и сопротивляемость ударным нагрузкам. Качественная сталь содержит не более 0,03% серы и 0,035% фосфора, а высококачественная - не более 0,02% серы и 0,03% фосфора. ГОСТ 1435 – 90 устанавливает следующие марки углеродистой инструментальной стали: качественной - У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественной - У7А, У8ГА, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. Маркировка: буква У в марке указывает на углеродистую инструментальную сталь, цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента, если сталь является высококачественной, то в конце марки ставится буква А. Например, У11 – углеродистая инструментальная качественная сталь с содержанием углерода 1,1%, остальное железо и примеси; У7А – углеродистая инструментальная высококачественная сталь с содержанием углерода 0,7%, остальное железо и примеси; Низколегированные инструментальные стали соответствуют ГОСТ 5950 – 73 и в соответствии с ним по назначению различают: стали для режущего и измерительного инструментов и стали для штампового инструмента. Все легированные инструментальные стали являются высококачественными. Маркировка. При содержании углерода в стали менее 1% первая цифра (как правило, одна) указывает содержание углерода в десятых долях процента; при содержание углерода более 1% цифра перед буквами не ставится. Например, 9ХС – легированная инструментальная высококачественная сталь, содержит 0,9% С, 1 % Cr, 1% Si, остальное железо и примеси. Сталь хромокремнистая, применяется для изготовления резцов, сверл, фрез, зенкеров, разверток. ХВ5 – легированная инструментальная высококачественная сталь, содержит 1 % С, 1% Cr, 1% W, остальное железо и примеси. Сталь хромовольфрамовая, применяется для изготовления резцов и фрез для обработки с умеренными скоростями резания твердых материалов. ХВГ – легированная инструментальная высококачественная сталь, содержит 1 % С, 1% Cr, 1% W, 1% Cr, 1% Mn, остальное железо и примеси. Х12М - легированная инструментальная высококачественная сталь, содержит 1 % С, 12% Cr, 1% Mo, остальное железо и примеси. 7Х3 - легированная инструментальная высококачественная сталь, содержит 0,7 % С, 3% Cr, остальное железо и примеси. 3Х2В8Ф - легированная инструментальная высококачественная сталь, содержит 0,3 % С, 2% Cr, 8% W, 1% V, остальное железо и примеси. ХВСГ - легированная инструментальная высококачественная сталь, содержит 1 % С, 1% Cr, 1% W, 1% Si, 1% Mn, остальное железо и примеси. Быстрорежущие стали. Основным легирующим элементом быстрорежущих сталей, обеспечивающий их высокой теплостойкостью является вольфрам и его химический аналог молибден, после термической обработки сильно повышает теплостойкость и твёрдость кобальт, хотя он не образует карбидов, но повышая энергию межатомных сил связи, затрудняет коагуляцию карбидов и увеличивает их дисперсность. Таким образом, красностойкость обеспечивает: - легирование стали карбидообразующими элементами (W, Mo, Cr, V) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды. - термическая обработка стали: закалка и 3-х - кратный отпуск или закалка, обработка холодом и отпуск. Маркировка. В марке указывается только содержание элементов, которые повышают теплостойкостью. Маркируются буквой Р – быстрорежущая сталь, цифра после буквы показывает содержание вольфрама в процентах. Например, сталь Р18К5Ф2 содержит 18% вольфрама, 5% кобальта и 2% ванадия. Р18 – содержит 18% вольфрама, больше чем в любой другой стали, имеет повышенное содержание карбидов 22-25%. Из-за повышенного количества карбидов сталь мало чувствительна к перегреву, хорошо шлифуется, применяется для инструментов простой формы (резцы, сверла); Р9 – содержит 9% вольфрама, для придания теплостойкости в сталь вводят повышенное количество ванадия, который составляет 2,3-2,6%, следовательно, Р9 плохо шлифуется из-за повышенного количества труднорастворимых карбидов VC, сталь не чувствительна к перегреву и применяется ограниченно; Р6М5 – вольфрамомолибденовая – применяется для тех же целей, что и Р18, Р12. Теплостойкость немного ниже, но прочность и вязкость при одинаковом сопротивлении пластической деформации выше, шлифуется как Р18. Р6М5К5 – применяется для обработки конструкционных сталей и чугунов на полуобдирочных работах, так как механические свойства этих сталей на 20-30% выше, чем у сталей с повышенным содержанием ванадия. Стали для измерительного инструмента должны иметь высокую твёрдость, износостойкость, постоянство форм и размеров. К дополнительным требованиям относятся: малая деформируемость при закалке и возможность получения при механической обработке высокой чистоты поверхности (высокая шлифуемость и полируемость). Их термическая обработка: закалка, низкий отпуск и старение или закалка, обработка холодом и старение. Твёрдость стали после указанной обработки НRC 62-64. Высокая твёрдость и однородность структуры обеспечивает хорошую полируемость измерительного инструмента. Стали, имеющие карбидную неоднородность, малопригодны для изготовления измерительного инструмента, так как крупные карбиды могут выкрашиваться в процессе шлифования и полирования и качество поверхности не будет соответствовать предъявляемым требованиям. Наиболее распространенные следующие стали для измерительных инструментов: ХГС – хромовольфрамомарганцовая, применяется для изготовления измерительных инструментов высокого класса точности; ХГ – для инструментов, которые при закалке должны мало деформироваться, для измерительных инструментов, калибров, длинных метчиков, плашек, фрез; Х – для изготовления калибров, измерительных плиток и других подобных инструментов. Плоские инструменты 9скобы, линейки, шаблоны) изготавливают из листовой стали 15,20, 15Х, 20Х, 12ХН3А, подвергая их цементации, или из сталей 50 и 55, закаливаемых с поверхностным нагревом ТВЧ. Для инструментов сложной формы и большого размера применяют азотируемую сталь 38Х2МЮА. Чугуны. Металлическая основа чугунов похожа на структуру эвтектоидной, до и заэвтектоидной стали, следовательно, по структуре чугуны отличаются от стали только наличием графитовых включений, а между собой чугуны отличаются формой этих включений. Прочность на сжатие и твёрдость чугунов зависят от металлической основы, а прочность на растяжение и пластичность зависят от формы графита. Преимущества чугуна перед сталью: - температуре плавления чугуна меньше, чем у стали; - хорошо обрабатывается резанием, так как графит делает стружку ломкой; - высокие антифрикционные свойства; - быстро гасит вибрации и колебания; - не чувствителен к концентраторам напряжений и дефектам поверхности; - высокие литейные свойства. Принцип маркировки серых чугунов (по ГОСТ 1412-85 для отливок) СЧ 10, СЧ 18, СЧ 21, СЧ 30, СЧ 40 СЧ – серый чугун, 100, 170, 210, 300, 400 - предел прочности при испытании на растяжение, МПа Принцип маркировки высокопрочный чугунов (по ГОСТ 7293-85) ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100 ВЧ – высокопрочный чугун, 350, 400, …1000 - предел прочности при испытании на растяжение, МПа Принцип маркировки ковких чугунов (по ГОСТ 1215-79) КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 50-4, КЧ 56-4, КЧ 60-3, КЧ 63-2 КЧ – ковкий чугун; 330, 350,…630- предел прочности при испытании на растяжение, МПа; 8, 10,…2 – относительное удлинение, %. 4. Классификация сталей в судостроении. Судно эксплуатируется в тяжёлых условиях. На корпус действуют знакопеременные силы: сжатия, растяжения, излома, кручения и другие. Поэтому стали для корпусов судна должны обеспечить прочность, надёжность, долговечность и иметь высокую вязкость и пластичность, хорошо свариваться, достаточную прочность и стойкость против трещин. К ним применяются особые требования Российского Морского Регистра судоходства, который в зависимости от химического состава и механических свойств делит корпусную сталь на две группы: 1. Обычная судостроительная сталь (или нормальной прочности). Это углеродистые стали, у которых σт не менее 240МПа. По правилам Регистра они делятся на 4 категории: А без термической обработки, кп, сп, пс; В Д сп, мелкозернистая сталь, обработана алюминием, Е нормализованная. Например, сталь А – углеродистая судостроительная сталь нормальной прочности (1-й категории качества), σт ≥ 240МПа. К ним относятся стали: С, она дополнительно раскислена алюминием, хорошо сваривается; ВСт3сп, ВСт3сп2, ВСт3Гпс, где 2,3,4 – категория, т.е. число проводимых механических испытаний. При применении сталей с σт = 240 – 300 МПа необходимо получить специальное разрешение Регистра. 2. Судостроительная сталь повышенной прочности. Это низколегированные стали, у которых σт более 300МПа. По правилам Регистра она делятся на 3 категории: А32, А36, А40 Д32, Д36, Д40 , где цифра показывает предел текучести. Е32, Е36, Е40 Например, сталь А 36 – низколегированная судостроительная сталь повышенной прочности, σт = 360МПа. К ним относятся стали: 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1Д, 10Г2С1М – которые обладают повышенной прочностью и вязкостью, мало чувствительны к наклёпу и старению, хорошо свариваются, имеют низкий порог хладноломкости и невысокую стоимость (за исключением сталей 10ХСНД, 10Г2С1Д, 10Г2С1М). Основным нормативным документам для корпусных судостроительных сталей является ГОСТ 5521-86 «Стали, свариваемые для судостроения». Прокат для судостроения поставляется по ГОСТ 5521-86 «Прокат стальной для судостроения». Для судостроения стали ограничивают по содержанию углерода до 0,22% и по сере и фосфору не более 0,04%. Тема 1.2. Требования Регистра к выбору и применению материалов 1. Назначение и цели технического надзора судостроительных материалов. Виды документов Регистр является государственным органом технического надзора за постройкой судов, изготовлением и применением всех изделий и материалов, которые предназначены для корпуса, устройств, механизмов, оборудования, устанавливаемых на судне. Регистр полностью или частично осуществляет также контроль за выполнением международных договоров (конвенций), регламентирующих требования к судостроительным материалам. Выбор и применение материалов для корпуса судна, устройств и сооружений, обеспечивающих его эксплуатацию, должны учитывать организационные и технические требования Регистра. Любое использование уже существующего или вновь созданного материала постоянно контролируется Регистром. К основным направлениям контроля относится надзор за применением материалов и получение на их применение допуска. Надзорная деятельность ведется на основании издаваемых Регистром Правил и других технических документов, согласованных с ним. Цель надзора — определение соответствия Правилам Регистра самих судов, их корпусов, сварочных материалов, предназначен­ных для их постройки. Применение и выполнение Правил обязательны для проектных организаций, судострои­тельных предприятий, а также для предприятий, изготовляющих судовые изделия. Положения Правил Регистра распространяются на деятельность и продукцию металлургических или других заводов, поставляющих материалы для судостроения. Технический надзор включает рассмотрение и одобрение технической документации на материалы, контроль за изготовлением материалов, оценку их состояния, освидетельствование, испытания (надзор ведется и за проведением испытаний). Материалы, изготовленные под надзором Регистра, оформляют документами, а в необходимых случаях клеймят и маркируют. Форму и содержание документов, клейм, марок также устанавливает Регистр. На типовой материал, например, оформляют «Допуск на материал», «Сертификат Регистра» — документы, удостоверяющие соответствие материала установленным показателям. В число документов, подтверждающих выполнение Правил по грузоподъемным устройствам, входит «Свидетельство об испытании и освидетельствовании цепей, скоб, вертлюгов», что необходимо при использовании якорного устройства. Названные документы являются составными частями общего документа «Свидетельство о годности к плаванию», которое выдается на четыре года для каждого судна и подтверждается путем ежегодных освидетельствований и оценки его технического состояния. Для обеспечения надзора и освидетельствования материалов, в ходе постройки и эксплуатации судна, Регистру (еще до начала постройки) должны быть представлены и согласованы с ним: - перечень материалов с указанием их технических данных; - наименование предприятия-изготовителя; - одобрение Регистра на применение материалов; - указание о категориях материалов, предназначенных для изготовления всех корпусных конструкций (категории подбираются по таблицам Регистра); - марки и категории основного металла корпуса; - марки и категории сварочных материалов; - подробное описание технологического процесса изготовления корпуса, содержащее сведения о материалах; - схемы или описание расположения и материалов изоляции, зашивки, отделки, покрытий палуб с указанием степени горючести материалов, а также расчет количества горючих материалов на 1м2 пола типовых помещений; - сведения о степени горючести и пожарной опасности впервые примененных материалов со ссылками на методики и результаты проведения соответствующих испытаний. Завод-изготовитель материала представляет Регистру данные и документацию: - о его назначении, объекте, для которого он предназначен; - об обозначении и категории Правил, которым он соответствует; - о способе изготовления и режиме термической обработки; - об объеме и форме поставки; - о номере плавки и при необходимости о химическом составе материала. Все материалы корпусных конструкций, баллера и пера руля, направляющих насадок, якорей и якорных цепей калибром более 133 мм, буксирных дуг, дверей и крышек лацпортов, грузовых люков, отсечных переборок подлежат контролю (надзору) Регистра. Надзору за выполнением требований по пожароопасности подлежат и материалы внутренней отделки судовых помещений. Надзор за изготовлением материала осуществляется, в форме выборочного контроля силами инспекторов, доверенных лиц, уполномоченных Регистра. Предприятие-изготовитель может получить статус доверенного предприятия Регистра. Этот надзор может иметь также форму контроля по документации (стандартов или технических условий), признанной Регистром. Все замены материалов, ранее одобренных Регистром, должны быть официально оформлены до их реализации. Проектная организация и предприятие — строитель судна или изготовитель материала — должны получить разрешение Регистра на замену одного материала другим, не предусмотренным Правилами, при условии равной эффективности обоих материалов. Если новый материал недостаточно практически проверен, то Регистр может назначить его дополнительные испытания во время постройки судна и сократить сроки между освидетельствованиями судна во время эксплуатации или увеличить объем освидетельствований. Дополнительные испытания могут быть также установлены при обнаружении дефекта апробированного материала. По результатам таких испытаний материал допускается к применению или его категория и характеристики аннулируются. Регистр разрешает устранение обнаруженных дефектов сваркой, термической и механической обработкой. Порядок устранения дефектов оговаривается для конкретных материалов и заготовок в зависимости от их назначения. В любом случае после подобной операции проводятся контрольные испытания, и вся процедура надзора за материалом выполняется заново. Новые или впервые предъявляемые Регистру материалы подлежат надзору и оформляются документом «Допуск на материал». Одобрению подлежит сначала техническая документация на изготовление и применение материала, затем образцы материала испытывают в объеме, необходимом для получения допуска Регистра. Изготовитель или организация, желающие применить материал, для получения допуска подают заявку в Регистр, в которой указывают назначение материала, метод его изготовления, техническую документацию на изготовление. Вместе с заявкой представляются результаты испытаний химического состава, механических, технологических и других свойств материала, а также данные о результатах практического применения (если они имеются), подтверждающие возможность использования материала по назначению. При положительных результатах рассмотрения представленной заявки и сопроводительных документов Регистр устанавливает перечень испытаний, которые должны быть проведены под его надзором, после чего допуск оформляется только для организации или предприятия-заявителя без права передачи другим предприятиям полученных полномочий. Если область применения материала расширяется, то заявителями должны стать несколько организаций или руководящая отраслевая организация. Все материалы, подлежащие надзору Регистра или предъявленные ему на допуск, также подвергаются контрольным испытаниям в присутствии представителя Регистра. Таким образом, весь процесс создания нового материала, его серийного производства для судостроения, переработки в изделие корпуса судна или судового устройства находится под постоянным и жестким наблюдением Регистра. Цель наблюдения и контроля — сохранить качество материала (конструкционную прочность, надежность, долговечность) на требуемом уровне с учетом способов технологического воздействия на него и условий его эксплуатации. 2. Требования на поставку металов для судостроения Весь судостроительный прокат, изготовленный на отечественных и зарубежных металлургических заводах, должен поступать на склад в сопровождении заводских сертификатов и сертификатов Регистра, в которых указываются все его основные качества. Сталь, предназначенная для изготовления корпусных конструкций морских судов, обязательно подлежит техническому надзору Регистра. Требования к судостроительной стали изложены в Правилах классификации и постройки морских судов Регистра (часть 13. Материалы). Помимо указанных правил основными нормативными документами для судостроительной стали являются ГОСТ 5521-76 «Сталь свариваемая для судостроения», ГОСТ 380-94 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки и общие технические требования». В требованиях правил и стандартов оговариваются химический состав, механический состав, способ раскисления и термической обработки стали. Химический состав стали, главным образом содержание углерода, влияет на свариваемость и вероятность возникновения горячих трещин в зоне термического влияния. Правила Регистра и других классификационных обществ ограничивают верхний предел содержания углерода: в корпусной стали нормальной прочности не более 0,22%; в стали повышенной прочности 0,18%. Повышением содержания марганца увеличивается временное сопротивление разрыву, возрастает предел текучести, повышается ударная вязкость. Содержание марганца в сталях нормальной прочности должно составлять от 0,6 до 1,5 %, а в сталях повышенной прочности - от 0,9 до 1,6 %. Содержание серы и фосфора в углеродистых сталях нормальной и повышенной прочности не должно превышать 0,04% для каждого элемента. Большее содержание серы вредно сказывается на свариваемости стали, способствуя образованию горячих трещин. Повышение содержание фосфора приводит к хладноломкости. В сталях всех категорий содержание мышьяка в соответствии с Правилами Регистра не должно превышать 0,08%. Однако в связи с широким применением керченских руд, имеющих в своем составе повышенное содержание мышьяка, ГОСТ 380-94 допускает для стали, выплавленной на базе этих руд, увеличение его содержания до 0,15%. Содержание хрома, никеля и меди в углеродистых сталях нормальной прочности не должно превышать 0,3% (для каждого из элементов), а для стали повышенной прочности содержание хрома составляет 0,2%, никеля - 0,4%, меди - 0,35%. Механические свойства - важнейшая характеристика любых материалов, они являются решающими при оценке и выборе материалов для корпусных конструкций. Механические свойства характеризуют прочность, упругость, пластичность, твердость, вязкость и другие качества материала и должны удовлетворять требованиям Правил Регистра и соответствующих стандартов. По требованию Регистра в качестве корпусной могут применяться спокойная и полуспокойная стали. Спокойная сталь характеризуется большой однородностью химического состава, мелкозернистостью, в ней практически отсутствуют неметаллические включения. Она менее склонна к механическому старению. Полуспокойная сталь, в отличие от спокойной, имеет несколько меньшую ударную вязкость при низких температурах. Кипящая сталь неоднородна по химическому составу и включает неметаллические примеси, применяется для изготовления технологической оснастки для корпусостроения. Термическая обработка стали в состоянии поставки оказывает и другие важные свойства. Требуемая Правилами Регистра термическая обработка для некоторых категорий стали, должна указываться в сертификате, так как это обстоятельство имеет важное значение для дальнейшей обработки стали с применением нагрева. В заводском сертификате о качестве стали кроме данных о химическом составе, механических свойствах, степени раскисления и виде термической обработки приводятся данные о размерах, номере плавки, номере листа, наличии исправлений поверхностных дефектов заваркой, категории стали по Правилам Регистра и другие сведения. Согласно требований Правил Регистра каждый полуфабрикат должен иметь четко нанесенное в обусловленном месте клеймо Регистра и следующие данные: наименование или условное обозначение завода-изготовителя, номер или обозначение полуфабриката, номер плавки, унифицированное обозначение категории стали, например РС А. Как правило, судостроительная сталь после изготовления и испытания на металлургических заводах, принимается доверенными лицами Регистра. Регистром могут быть допущены и стали, отличающиеся по химическому составу или механическим свойствам, методу раскисления или термической обработке от требования Правил. Такие стали должны получить специальное одобрение Регистра, а к символу категории добавляется буква S (не полное соответствие требованиям Правил Регистра). 3. Требования к качеству судостроительной стали Согласно требованию Регистра сталь, предназначаемая для постройки корпусов морских судов, должна выплавляться в мартеновских или электрических печах спокойной и полуспокойной, а также в конверторах с продувкой кислородом сверху, хорошо свариваться электрической сваркой в условиях постройки и ремонта судов. В зависимости от химического состава, механических и технологических свойств, степени ответственности и толщины связей корпуса судостроительная сталь подразделяется Регистром на 6 категорий: - категории 1—4 — сталь углеродистая; - категории 5 и 6 — сталь низколегированная. Таблица 1. Химический состав (%), механические и технологические свойства судостроительной стали, удовлетворяющей требованиям Регистра Применение той или иной категории стали для связей корпуса регламентируется «Правилами классификации и постройки морских судов» (ч. II, «Корпус»). Химический состав, механические и технологические свойства, а также состояние поставки стали, удовлетворяющие требованиям упомянутых правил, приведены в таблице 1. Полуспокойная сталь допускается только для категорий 1 и 2, толщиной проката до 15 мм. Применение ее для ответственных связей корпуса разрешается по согласованию с Регистром. Для категории 1 по согласованию с Регистром допускается кипящая сталь толщиной проката до 12 мм. Сталь категорий 2 и 3 поставляется в горячекатаном состоянии в толщинах до 20 мм. К использованию может быть допущена сталь любых марок, если она отвечает требованиям Правил Регистра по химическому составу, механическим, технологическим и другим свойствам. Категориям 1 и 2 соответствует сталь марок ВМСтЗ и ВКСтЗ — спокойная, полуспокойная и кипящая для категории 1, поставляемая по ГОСТ 380 — 94. В стали этих марок допускается не более 0,22% углерода; предел текучести ее — не менее 24 кгс/мм2. Категории 3 соответствует сталь марки С, содержащая не более 0,20% углерода, с пределом текучести не менее 24 кгс/мм2 (ГОСТ 5521—67). Углеродистая сталь, отвечающая требованиям категории 4, отечественной металлургией пока не поставляется. Низколегированная сталь, соответствующая категориям 5 и 6, поставляется по ГОСТ 5521—67, а сталь марки 10ХСН2Д (СХЛ-45) с пределом текучести не менее 45 кгс/мм2 — по особым техническим условиям. Однако химический состав стали категорий 5 и 6 должен быть согласован с Регистром, что дает возможность при создании новых марок низколегированной стали варьировать его в широком диапазоне. Категории углеродистой стали Регистра по эквиваленту соответствуют следующим классам стали по «Единым требованиям», принятым иностранными классификационными обществами в 1959 г: Сталь категории 1 эквивалентна стали класса А Сталь категории 2 эквивалентна стали класса В Сталь категории 3 эквивалентна стали класса С Сталь категории 4 эквивалентна стали класса Е Раздел 2. Судостроительная сталь для корпусных конструкций Тема 2.1. Технологические и эксплуатационные требования к судостроительной стали и методы их оценки. 3. Технологические требования (технологические пробы) и методы их оценки Судостроение ежегодно потребляет миллионы тонн различных конструкционных материалов, в числе которых доля черных металлов (стали, чугуна) составляет 60 %. При этом около 60 % всего металла используется для строительства корпусов судов. Из металлических материалов наиболее пригодным для судостроения сочетанием технологических, механических и физических свойств обладает сталь. Техническая возможность и экономическая целесообразность проведения многочисленных операций технологии постройки судов (механической, газовой, плазменной или лазерной резки, механической обработки кромок под сварку, горячей и холодной гибки, правки, сварки) определяется совокупностью свойств стали, которые принято называть технологическими. Важнейшими технологическими характеристиками судокорпусной стали являются обрабатываемость резанием, способность к холодной и горячей пластической деформации, свариваемость, чувствительность к образованию трещин при операциях тепловой резки. Эти характеристики оценивают по стандартным методикам либо непосредственно в ходе призводственных операций (например, при резке листов гильотинными ножницами, при газовой, плазменной или лазерной резке), либо с помощью специальных лабораторных методов испытания (проб), при этом технологические испытания должны надежно отражать поведение металла при изготовлении тех или иных конструкций. Испытание стали на изгиб. Испытанием на изгиб образцов, вырезанных из листового, полосового или фасонного проката (ГОСТ 14019—80), оценивают способность стали к холодной пластической деформации. Схема нагружения при испытаниях на изгиб приведена на рис. 5.1. На образец, установленный на две опоры или на мат­рицу (рис. 5.1, а) передается с помощью оправки плавно увеличивающаяся нагрузка Р. Размеры образца зависят от толщины проката а. При а ≤ 30 мм образцы изготовляют с сохранением противоположных поверхностных слоев катаной заготовки, т. е. высота образца в этом случае равна толщине листа или профиля. Если а > 30 мм, то при изготовлении образца производят механическую обработку одной из поверхностей заготовки до получения высоты 25 мм. Таким образом на образце сохраняется поверхность, получаемая прокаткой. При испытаниях эта поверхность располагается со стороны опор и испытывает наибольшие деформации растяжения. Ширина образца для испытания на изгиб должна быть равна пяти толщинам проката или больше их, но она должна быть не менее 50 и не более 150мм. Длину образца выбирают также исходя из толщины заготовки: например, 250 ± 20 мм при толщине листа до 14 мм, 300 ± 20 мм при толщине от 14 до 24 мм и 350 ± 20 мм при толщине от 24 до 32 мм. Толщину оправки d и расстояние между опорами ℓ устанавливают в соответствии с документацией на металлопродукцию, в которой могут быть предусмотрены следующие виды испытаний: - изгиб до получения заданного угла β без образования надрывов и трещин (рис. 5.1, а); - до появления первой трещины в растянутой зоне образца с определением угла изгиба α (рис. 5.1, б); - до образования параллельности сторон (рис. 5.1, в); - до соприкосновения сторон (рис. 5.1, г) без образования трещин и разрушений. Образцы, предназначенные для испытаний до образования параллельности сторон, предварительно изгибают на угол не менее 150° по схеме рис. 5.2,а, затем догибают между параллельными плоскостями с использованием прокладки толщиной, равной толщине оправки. Изгиб образцов до соприкосновения сторон производят также после их предварительного изгиба на угол не менее 150°. Изгиб продолжают между двумя параллельными плоскостями и доводят его до соприкосновения сторон образца. Испытание на осадку позволяет определить способность стали подвергаться пластической деформации при сжатии. Испытания проводят на образцах, высота которых не менее чем в два раза больше их диаметра d или толщины (рис. 5.2). На образце должна сохраняться поверхность прокатки. При осадке до заданной высоты Н на боковой поверхности образца не должны появляться трещины, надрывы, расслоения или другие дефекты. В зависимости от технологических требований проводятся холодные (при комнатной температуре) или горячие (при 900°С) испытания. Испытанием труб на сплющивание определяют способность материала труб деформироваться до предела, установленного техническими условиями. Испытывают отрезки труб длиной, равной 1,5 внутреннего диаметра трубы, но не более 100 мм (рис. 5.3, а). Признаком пригодности материала труб к сплющиванию является отсутствие в деформированном образце трещин или разрывов. Испытание на раздачу позволяет определить предел увеличения диаметра трубы (степень ее деформации без образования трещин или надрывов). Испытанию подвергаются трубы с наружным диаметром до 150 и толщиной стенки до 9 мм. Требуемой степени раздачи вырезанного из трубы образца достигают вдавливанием конической оправки в направлении оси трубы (рис. 5.3, б). Угол конусности оправки α может быть равен 30, 45, 60 или 120°. Длину образца L выбирают равной 2 d при угле конусности оправки 30° и 1,5 d при α = 45, 60 или 120°, но во всех случаях не менее 50 мм. Испытанию на растяжение подвергаются кольца, вырезанные из труб с наружным диаметром 110 - 508мм при толщине стенки не более 30мм. Образцы, подвергаемые этому виду испытаний, представляют собой кольцеобразные отрезки трубы длиной 10 - 15мм, у которых отношение толщины стенки α к наружному диаметру d не более 0,13 (рис. 5.3, в). Длина образца, изготовленного из труб с толщиной стенки 15 - 30 мм, может быть равна толщине стенки. К испытываемому образцу с помощью двух оправок прикладывают плавно повышающуюся нагрузку Р, которая должна вызвать его разрушение. В процессе испытания на кольцеобразном образце не должны выявляться дефекты, исключающие использование труб по назначению. Испытания на отбортовку позволяют оценить способность материала трубы выдерживать без трещин и надрывов плавное отгибание фланца на 90° (рис. 5.3, г). Испытания стали на свариваемость. Высокая свариваемость является важнейшим технологическим требованием к судокорпусной стали, так как она обеспечивает получение сварных соединений высокого качества в любых климатических условиях. Даже незначительный дефект сварного шва может привести к хрупкому разрушению и потере работоспособности всей сварной конструкции. Поэтому при испытаниях на свариваемость выявляют горячие и холодные трещины, подваликовые трещины (водородное растрескивание), расслоения, а также оценивают общую и усталостную прочность сварного соединения, хрупкость металла шва и в зоне термического влияния, склонность его к старению. Сопротивляемость сталей образованию горячих трещин при сварке оценивают по результатам испытаний образцов с приложением внешней нагрузки (машинные методы) и технологических испытаний образцов с естественной жесткостью (ГОСТ 26389—84). Сущность методов состоит в оценке допустимой высокотемпературной деформации металла после сварки до образования трещин под действием внешних сил, создаваемых испытательной машиной, или под действием внутренних напряжений. Методы испытаний сопротивляемости образованию холодных трещин (ГОСТ 26388—84) делятся на машинные и технологические. Склонность к трещинообразованию при сварке в большой степени зависит от химического состава основного металла, присутствия в расплавленном металле водорода, скорости охлаждения металла после сварки и уровня остаточных напряжений в соединении. Химический состав основного металла определяет выбор параметров режима сварки, целесообразность применения предварительного или последующего подогрева материала околошовной зоны, склонность к охрупчиванию в зоне термического влияния вследствие структурных превращений. Правила Регистра устанавливают определенные требования к химическому составу судостроительной стали: - для стали нормальной прочности (с пределом текучести не ниже 235 МПа) суммарное содержание углерода и 1/6 содержания марганца не должно превышать 0,4 %, т. е. Сэкв = С + Мп/6, где Сэкв — углеродный эквивалент; С и Мп— количество углерода и марганца, %. - углеродный эквивалент для сталей повышенной прочности (с пределом текучести 315 - 390 МПа) определяется по формуле где С, Мп, Сг, Мо, Ni, V, Сu - количество соответствующих элементов, %. Количественные нормы Сэкв устанавливают экспериментально. Однако известно, что если Сэкв ≥ 0,45 %, то сталь следует считать чувствительной к образованию холодных трещин, и ее необходимо сваривать с подогревом, а для многих корпусных конструкций применять нецелесообразно. Прилегающий к сварному шву участок основного металла, в котором при тепловом воздействии происходят структурные превращения (их характер зависит от максимальной температуры нагрева и скорости охлаждения), называют зоной термического влияния. Структурные превращения в металле зоны термического влияния сопровождаются изменением его твердости и воздействуют на склонность стали к трещинообразованию. Если твердость превышает НV = 350 - 400, то это свидетельствует о присутствии в структуре сравнительно твердых и хрупких структурных составляющих (мартенсита, бейнита). Как правило, температура перехода металла зоны термического влияния в хрупкое состояние выше, чем за ее пределами. Поэтому в этой зоне возрастает опасность образования холодных трещин под воздействием остаточных растягивающих напряжений после сварки. В Японии для оценки склонности металла сварного шва к трещинообразованию предложен показатель Рс, учитывающий влияние не только химического состава (включая концентрацию водорода), но также жесткость изготовляемой конструкции: где С, Si, Мn, Сu, Ni, Сг, Мо, V, В — количество элементов, %; а — толщина листа, мм; Н — концентрация водорода, обладающего возможностью диффузии в металле шва, см3/100г. Испытание стали на склонность к старению. Под термином «старение» понимают изменение механических свойств стали с течением времени. Процесс, протекающий при комнатной температуре, называют естественным старением, а в условиях нагрева — искусственным старением. Особая опасность старения заключается в том, что нежелательная уже сама по себе нестабильность механических свойств развивается в наиболее неблагоприятном направлении: происходят постепенное упрочнение и охрупчивание стали. Упрочнение выражается в повышении твердости, предела текучести и, в меньшей мере, предела прочности стали, а охрупчивание — в уменьшении пластичности и вязкости. Старение протекает без заметного изменения ферритно-перлитной структуры, свойственной низкоуглеродистой горячекатаной стали. В общем случае оно обусловлено уменьшением растворимости в α-железе примесных атомов внедрения (прежде всего углерода и азота), которое наблюдается при понижении температуры от 650 - 700°С до комнатной. При ускоренном охлаждении (например, от температуры конца прокатки или в зоне термического влияния после сварки) примесные атомы не успевают выделиться из α-твердого раствора и при комнатной температуре образуется неравновесный перенасыщенный α-раствор. С течением времени наблюдается постепенное перераспределение атомов внедрения к дислокациям (линейным дефектам кристаллической решетки), где атомы скапливаются и образуют так называемые атмосферы Коттрелла. Движение дислокаций затрудняется, что и вызывает увеличение прочности и падение пластичности стали. Процесс старения значительно интенсифицируется при нагреве до 50—150°С, так как при этом возрастает диффузионная подвижность примесных атомов. При изготовлении и монтаже корпусных конструкций многие технологические операции (например, гибка, правка, механическая резка) связаны с холодной пластической деформацией проката. Это способствует усилению процесса старения в силу повышения плотности дислокаций. Изменение во времени механических свойств стали, происходящее после холодной пластической деформации, называют механическим (деформационным) старением. Повышение температуры способствует увеличению скорости механического старения. При температурах старения до 100°С ведущую роль играет азот, в то время как воздействие углерода на процесс старения стали значительно усиливается лишь при нагреве выше 200°С. Суммарная концентрация азота и углерода в твердом растворе, достаточная для развития деформационного старения, составляет 0,0002—0,0004 %. Кислород сравнительно слабо влияет на деформационное старение стали в силу малой растворимости и низкой диффузионной подвижности его атомов в α-железе. Водород, наоборот, имеет слишком высокую подвижность атомов при комнатной и повышенной температурах. Поэтому по сравнению с азотом и углеродом его влияние на закрепление дислокации и, таким образом, на деформационное старение практически не проявляется. Казалось бы, путь устранения склонности стали к механическому старению очевиден: необходимо довести до минимума содержание примесей внедрения (прежде всего азота) при выплавке и разливке стали. Однако на практике существующие технологии производства стали в мартеновских печах и кислородных конвертерах не гарантируют получения металла с содержанием азота менее 0,002—0,004% и кислорода менее 0,005%. Эти значения на порядок превышают их допустимое содержание в феррите нестареющей стали. Для уменьшения концентрации газов в расплавленной стали применяют метод вакуумной дегазации, а также рафинирующие (очищающие) переплавы. Наряду с совершенствованием методов металлургического производства стали используют и другой путь подавления ее склонности к механическому старению. В расплавленную сталь вводят модификаторы — элементы, уменьшающие концентрацию азота и углерода в α-растворе путем связывания их в виде нитридов и карбидов. Наибольший эффект обеспечивает модифицирование алюминием, титаном и ванадием. Причем алюминий используется и как раскислитель. Образовавшиеся при затвердевании высокодисперсные включения нитридов и карбидов типа А1N, VN, V(СN) и других способствуют также получению мелкозернистой структуры стали. Склонность стали к механическому старению (ГОСТ 7268—82) определяют по величине показателя с = [(КV - KVA)/КV] 100 %, где КV и КVА —средние арифметические значения работы удара (Дж), затраченной при испытании серии образцов на ударный изгиб. Для испытаний вырезают не менее чем по три образца из заготовок двух типов: одну из них подвергают предварительной деформации, из другой контрольные образцы вырезают в исходном состоянии. При толщине проката 12 мм и более вырезают заготовки сечением 12x12мм и длиной не менее 250 мм. При меньшей толщине проката поперечное сечение заготовок равно а х 12 мм, где а — фактическая толщина проката. Одну заготовку с нанесенной на ней расчетной длиной 120, 160мм или более растягивают до получения 10 ± 0,5 % остаточного удлинения. Деформированные образцы до испытаний подвергают искусственному старению при температуре 250 ±10°С с выдержкой в течение 1 ч и последующим охлаждением на воздухе. По требованиям Регистра образцы, подвергнутые старению, должны выдерживать не менее 50 % минимальной работы удара КV (для сталей высшей категории качества) или обеспечивать ударную вязкость КСU (для сталей первой категории качества), устанавливаемые для стали в исходном состоянии. Помимо этого во всех случаях работа удара должна быть не менее 27Дж (2,8 кгс • м), а ударная вязкость — не менее 29 Дж/см2 (3 кгс • м/см2). 4. Эксплуатационные требования и методы их оценки Эксплуатационные требования к судостроительным сталям призваны гарантировать высокую работоспособность конструкций корпуса при заданных температурно-силовых параметрах его нагружения в контакте с различными средами. Для прогнозирования работоспособности стали в используется комплексная характеристика — конструкционная прочность, включающая критерии прочности, надежности и долговечности. Рассмотрим сущность этих критериев. Прочность характеризует способность материала сопротивляться упругой и пластической деформации. Показатели прочности судостроительной стали — предел текучести σт и временное сопротивление разрушению (предел прочности) σв — их определяют путем испытания образцов на растяжение по ГОСТ 1497—84. Для приближенной оценки статической прочности используются твердость НВ, которая так же связана с пределом прочности следующим соотношением, справедливым только для сталей: При циклических нагрузках критерий прочности определяется пределом выносливости σR: - при изгибе σ-1, - при растяжении – сжатии σ-1р, - при кручении τ-1. По величине регламентируемого критерия прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения в материале конструкции. Размеры и форму металлических деталей и конструкций выбирают с учётом прочности. Для этого необходимо рассчитать допускаемое напряжение [σ], которое обычно составляет часть предела прочности. При этом, чем больше прочность материала, тем больше [б] и тем самым меньше размеры и масса детали. Отношение предела прочности к допускаемому напряжению называется запасом прочности п и определяется по следующим формулам: для хрупких металлов для пластичных металлов п - всегда больше единицы, и выбирают его в зависимости от степени ответственности детали или конструкции, а так же характера действующих на неё сил. При статических нагрузках п=1, при динамических п=3, для особо ответственных деталей, работающих при динамических нагрузках п может достигать 12. Рабочие напряжения, которые могут возникать в детали или конструкции, рассчитывают и сравнивают с допускаемыми. Рабочие напряжения должны быть меньше допускаемых. Правилами Регистра для изготовления конструкций корпуса судна предусмотрено применение судостроительной стали нормальной прочности (СНП) с пределом текучести не ниже 235 МПа (24 кгс/мм2) и сталей повышенной прочности (СПП) трех категорий: с пределом текучести до 315 МПа (32 кгс/мм2), 355 МПа (36 кгс/мм2) и 390 МПа (40 кгс/мм2). В настоящее время практически все среднетоннажные и крупнотоннажные морские суда строят с использованием корпусных сталей повышенной прочности. Это позволяет уменьшить массу металлического корпуса и соответственно повысить грузоподъемность судна, увеличить скорость и дальность его плавания. Эксплуатация мощного ледокольного флота, в первую очередь атомных ледоколов, судов арктического плавания, а также плавучих буровых установок и стационарных платформ, работающих при низких температурах (часто в условиях сложной ледовой обстановки), потребовала создания еще более прочных сталей — с пределом текучести 390—590 МПа. Однако повышение прочностных свойств стали является целесообразным лишь в том случае, если оно не влечет за собой недопустимого понижения характеристик пластичности и вязкости. Сущность этого положения объясняется понятием надежности материала. Надежность определяет способность материала сопротивляться разрушению при зарождении трещин и их распространении, приводящем к разделению изделия на части. Зарождение микротрещины происходит в результате скопления дислокаций перед непреодолимыми для них препятствиями - границами зерен, межфазными границами, включениями и др. При большой плотности дислокаций (1012 - 1013 см-2) материал становится малопластичным, и дальнейший рост напряжений ведет к образованию в этих зонах микротрещин. Считают, что микротрещины в момент зарождения имеют длину 10-4 мм. Вторая стадия разрушения — распространение трещин — является решающей, так как она определяет конечный харак­ер разрушения материала: хрупкий или вязкий. При анализе разрушения на этой стадии любую микротрещину (имевшуюся в исходном металле или возникшую в процессе эксплуатации) необходимо рассматривать как концентратор напряжений. Механика разрушения устанавливает количественную связь между действующим напряжением, формой и размерами трещин, а также сопротивлением материала докритическому (стабильному) и закритическому (нестабильному) развитию трещин. Локальные напряжения в вершине трещины во много раз могут превышать их средние расчетные значения (рис. 5.4). Для трещины длиной ℓ и с радиусом закругления в ее вершине r максимальное напряжение σуmax определяют из уравнения σуmax = 2σср √ℓ/r, где σср — приложенное извне напряжение. Из уравнения следует, что концентрация напряжений у вершины трещины тем больше, чем длиннее и острее последняя. Вязкое разрушение обычно происходит после значительной пластической деформации и сопровождается увеличением радиуса в вершине трещины. Следовательно, ее отрицательное воздействие как концентратора напряжений ослабевает. Главными особенностями вязкого разрушения являются сравнительно медленное развитие трещин (соизмеримое со скоростью деформации) и высокая энергоемкость процесса. Последнее обусловлено необходимостью затраты значительной работы на пластическую деформацию у вершины растущей трещины. При хрупком разрушении величина зоны пластической деформации очень мала, и растущая трещина сохраняет остроту (по радиусу вершины), соизмеримую с межатомным расстоянием. Под воздействием сравнительно низких внешних нагрузок локальные напряжения σуmax резко возрастают, и поэтому рост трещины не только не тормозится, а наоборот, ускоряется. После достижения некоторой критической величины напряжений наступает самопроизвольный лавинообразный рост трещины. Развитие хрупкой трещины в отличие от вязкой происходит в основном на закритической (нестабильной) стадии и представляет большую опасность, так как вызывает внезапный отказ деталей при эксплуатации. Для стали скорость роста трещины в таком случае достигает 2500 м/с. Энергоемкость хрупкого разрушения незначительна, и соответственно работа распространения трещины также очень мала. С учетом микроструктуры стали различают транскристаллитное и интеркристаллитное разрушения. В первом случае трещина распространяется по телу зерна, а во втором — по границам зерен. При распространении трещин по зерну может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким. Рассмотренные выше особенности вязкого и хрупкого разрушения отчетливо проявляются при изучении поверхности изломов. Волокнистый (матовый по виду) излом со следами пластической деформации в виде полос скольжения свидетельствует о вязком разрушении стали. Хрупкому разрушению свойствен кристаллический (светлый) излом. Важные сведения о характере разрушения дают фрактографические исследования, выполненные с помощью электронного микроскопа. Вязкое разрушение характеризуется ямочным (чашечным) изломом. Ямки в изломе возникают в результате образования, роста и слияния множества микротрещин. При этом происходит существенная пластическая деформация межзеренных перемычек, разрушающихся при слиянии соседних микропустот. На дне многих чашек отчетливо выявляются включения карбидов, сульфидов, оксидов железа, что свидетельствует о зарождении микротрещин у этих включений. При хрупком разрушении наблюдается ручьистый излом, представляющий собой систему сходящихся ступенек скола металла. Вязкий (чашечный) и хрупкий (ручьистый) изломы относятся к транскристаллитному разрушению. Хрупкое разрушение по границам зерен на фрактограммах выявляется в виде характерных гладких поверхностей, так называемых фасеток зернограничного скола. Фрактографический анализ изломов весьма часто выявляет смешанный характер разрушения, т. е. в изломе наблюдаются признаки волокнистого и кристаллического изломов. Доля волокна в изломе обозначается буквой В. Например, обозначение 40 % В показывает, что 40 % сечения образца разрушилось вязко, а 60 % — хрупко. Вид разрушения существенно зависит от химического состава и исходной структуры стали, а также от условий нагружения образца и температуры испытания. Так, склонность к хрупкому разрушению возрастает с увеличением глубины и остроты надреза металла, с повышением скорости деформирования. Значительную роль играет масштабный фактор: с увеличением размеров изделия вероятность хрупкого разрушения повышается. Влияние температуры испытания на склонность большинства металлов и сплавов с оцк и гпу кристаллическими решетками (в том числе и судокорпусных сталей) к хрупкому разрушению показано на рис. 5.5. Из рисунка видно, что при определенных температурах испытания наблюдается резкое падение сопротивления хрупкому разрушению. При этом изменяется механизм разрушения: от вязкого при температурах выше Тв, когда в изломе наблюдается 100 % В, до хрупкого при температурах ниже Тн, когда отмечается 0% В. Интервал температур, в пределах которого изменяется характер разрушения, называется порогом хладноломкости. Часто порог хладноломкости обозначается температурой полухрупкости Т50, при которой доля волокна в изломе составляет 50% В. Естественно что порог хладноломкости судокорпусной стали должен лежать ниже температуры ее эксплуатации. Разность между температурой эксплуатации и Т50 принято называть температурным запасом вязкости. Чем больше температурный запас вязкости, тем выше гарантия от хрупкого разрушения. Существенное влияние на склонность к хрупкому разрушению оказывает структура стали. Измельчение зерна, формирование полигональной структуры, укрупнение внутризеренных выделений и некоторые другие факторы понижают вероятность хрупкого разрушения. Изменение ударной вязкости низкоуглеродистой стали с мелкозернистой и крупнозернистой структурами показано на рис. 5.6. Исходные значения ударной вязкости при температуре эксплуатации (20°С) в обоих случаях равны. Однако порог хладноломкости стали с мелкозернистой структурой лежит примерно на 40 °С ниже, чем стали с крупнозернистой структурой. Соответственно температурный запас вязкости равен 60 и 20°С. Сталь с мелкозернистой структурой более надежна в работе, так как возможное понижение температуры эксплуатации относительно расчетной не вызовет в ней хрупкого разрушения. Положительное влияние мелкозернистой структуры обусловлено двумя основными причинами: образуются более короткие зародышевые трещины; межзеренные границы затрудняют переход трещины скола из одного зерна в другое, поскольку такой переход связан с изменением направления распространения трещины. Испытание на ударный изгиб для определения ударной вязкости по ГОСТ 9454—78 относится к числу наиболее жестких методов испытания корпусных сталей. Это связано с многократным увеличением скорости деформирования материала по сравнению со скоростью его деформирования при статических методах испытания, а также с наличием на образце надреза — концентратора напряжений. Увеличение скорости нагружения воздействует на склонность материала к хрупкому разрушению в том же направлении, что и понижение температуры испытания. Роль концентратора сводится к следующему. При испытаниях стальных об­разцов на ударный изгиб напряжения и деформации локализуются в ограниченном объеме металла вокруг надреза. Именно здесь поглощается практически вся работа удара. Чем глубже и острее надрез и больше ширина сечения образца, тем больше величина продольных и поперечных нормальных напряжений в районе вершины надреза и тем меньше работа удара. ГОСТ 9454—78 допускает три вида (формы) концентраторов (рис. 5.7): U-образный с радиусом в вершине R=1мм, V-образный с R=0,25мм и Т-образный (трещина) с R=0мм. Последний получают в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости (число циклов не менее 3000). Остальные размеры образцов и условия их испытания строго унифицированы, так как при динамических испытаниях не действует закон подобия. Чаще используют образцы размерами 10х10х55мм. Однако если размеры заготовки не позволяют изготовить образец сечением 10x10мм, то допускается применение образцов размерами 10x5x55 для проката толщиной 5 - 7 мм или 10х7,5x55 для проката толщиной 7,5 - 9,5мм. Размеры 5 и 7,5 мм соответствуют ширине образца. Расстояние между опорами при испытаниях должно быть 40± 0,5мм. Ударную вязкость обозначают сочетанием букв и цифр. Буква К — символ работы удара, а сочетание букв КС — символ ударной вязкости. Значение ударной вязкости в Дж/м2 (кгс-м/см2) определяют по формуле КС = К/S0, где К — работа удара, Дж (кгс-м); S0 — площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, м2 (см2). Обозначения работы удара и ударной вязкости зависят от вида концентратора: КU, KV или КT; КСU, КСV или КСТ. В обозначение вводят также цифры, указывающие максимальную энергию удара, глубину концентратора и ширину образца. Кроме того, после буквенных составляющих вверху указывают температуру испытания, если она отличается от комнатной. Например: КСV-40 50/2/7.5 — ударная вязкость при 40°С, определенная на образце шириной 7,5 мм с концентратором вида V глубиной 2 мм при максимальной энергии удара 50 Дж. ГОСТ 9454—78 устанавливает, что^ - образцы с U-образными концентраторами применяются для приемо-сдаточных испытаний металлов и сплавов; - образцы с более острым V-образным концентратором — при выборе и приемочном контроле сплавов для конструкций повышенной надежности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления и т. п.); - образцы с Т-образным концентратором используются в случае выбора и приемочного контроля сплавов для особо ответственных конструкций, оценка сопротивления развитию трещины которых имеет первостепенное значение. В первых двух случаях определяют полную работу разрушения образца, складывающуюся из работы зарождения трещины и работы распространения трещины. При этом большая величина ударной вязкости еще не гарантирует вязкого разрушения. Материал может оказаться хрупким, если энергия распространения трещины в нем близка к нулю. Поэтому при испытании сталей особо ответственного назначения целесообразно определять не полную работу разрушения, а только работу распространения трещины. Для этой цели и предусмотрены образцы с заранее созданной трещиной. Долговечность характеризует способность материала сопротивляться развитию разрушения при длительном статическом или многократном циклическом нагружении. Она обеспечивает работоспособность конструкций в течение заданного времени (ресурса). Причины потери работоспособности (постепенного отказа) могут быть самыми разнообразными: развитие процессов усталости в результате повторяющегося воздействия волн и ветров, механический износ, коррозионное разрушение и т. д. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Сопротивление конструкций усталостному разрушению зависит как от механических свойств материала, из которого они изготовлены, так и от наличия концентраторов напряжений, формы и размера валиков наплавленного при сварке металла и т. д. Усталостная прочность сварных соединений в конструкции, как правило, значительно ниже усталостной прочности основного металла. Для повышения усталостной прочности сварных соединений в отечественной и зарубежной практике используется ряд технологических приемов: нагартовка, шлифование, обработка с использованием дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа, плазменная обработка и др. Повышение сопротивления металла сварных соединений усталостному разрушению при нагартовке (наклепе) связано с возникновением в их поверхностном слое сжимающих напряжений. Шлифованием (абразивной зачисткой) удаляют поверхностные дефекты шва, улучшают его форму. Наибольшее повышение усталостной прочности сварных соединений (при одновременном улучшении условий труда) обеспечивает их отделка электрической дугой, полученной с применением вольфрамового электрода в среде защитного газа, и плазменной дугой. При этом в результате вторичного расплавления металла все включения переходят в шлак, улучшается лицевая кромка шва, увеличивается его твердость. Вследствие этого усталостная прочность сварного соединения значительно повышается и приближается по своим значениям к усталостной прочности основного металла (рис. 5.8). Для повышения усталостной прочности сварных соединений может быть использована наплавка дополнительного слоя металла на лицевую кромку сварного шва. По эффективности этот процесс уступает обработке электрической или плазменной дугой. Однако он более прост, так как не требует применения специального сварочного оборудования. Наличие коррозионной среды ускоряет усталостное разрушение сварных конструкций. Особенно неблагоприятные условия создаются в зонах, периодически омываемых морской водой. Тема 2.2. Металлургическое качество и влияние элементов на свойства судостроительной стали. 1. Микроанализ Микроскопический анализ заключается в исследовании строения металлов с помощью оптических микроскопов при больших увеличениях. Микроанализ позволяет: - установить величину и форму зерен; - количество, размеры и взаимное расположение отдельных фаз; - обнаружить мельчайшие пороки металла и т. д. Металлы непрозрачны, поэтому изучение их строения может быть осуществлено лишь в отраженном свете. В связи с этим исследуемый образец подвергают обработке, обеспечивающей достаточно интенсивное отражение световых лучей от одной из его поверхностей (шлифа). Процесс изготовления металлографических образцов включает: - вырезку и подготовку поверхности для исследования; - шлифование; - полирование; - травление поверхности. Место вырезки образца и выбор плоскости шлифа определяются задачами металлографического исследования. Одна из важнейших задач металлографии заключается в выявлении зернистого строения металлических сплавов, от которого во многом зависят их механические и физические свойства. Металл с крупнозернистой структурой (или структурой, включающей одновременно крупные и мелкие зерна) имеет пониженные значения характеристик пластичности и ударной вязкости по сравнению с металлом мелкозернистого строения. Поэтому для большинства конструкционных материалов крупнозернистая структура недопустима. Однако можно привести и обратные примеры, когда крупнозернистая структура полезна. Например, технически чистое железо и электротехнические стали, которые используются для изготовления сердечников трансформаторов, реле и электромагнитов, магнитопроводов электрических машин и других деталей из магнитных сплавов, отличаются крупнозернистым строением, способствующим уменьшению напряженности магнитного поля (коэрцитивной силы). Методы выявления и определения величины зерна сталей и сплавов устанавливаются ГОСТ 5639—82. В соответствии с этим стандартом для выявления границ зерен могут быть использованы: - травление поверхности шлифов реактивами; - цементация (науглероживание) низкоуглеродистых сталей (содержащих до 0,25% С) при 930 ± 10 °С с последующим определением зерен по сетке цементита на их границах; - окисление границ зерен на полированных шлифах при заданных температурах нагрева. Установив границы зерен, находят их величину и, если необходимо, равноосность. Под величиной зерна понимают среднее значение случайных сечений зерен, видимых в плоскости металлографического шлифа. Она может быть определена следующими металлографическими методами: - визуальным сравнением видимых под микроскопом (при стократном увеличении) зерен с эталонами, прилагаемыми к стандарту. Эталон представляет собой схематизированное изображение зерен (рис. 5.9). Каждому эталонному изображению присвоен номер от —3 до 14. Чем меньше размер зерна, тем больше номер эталона; - подсчетом количества зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа, с определением среднего диаметра и средней площади зерна; - подсчетом пересечений границ зерен отрезками прямых с определением среднего условного диаметра зерна в случае равноосных зерен или количества зерен в 1 мм3 в случае неравноосных зерен; - измерением длин хорд зерен с подсчетом относительной доли зерен определенного размера. Мелкозернистое строение является важнейшим требованием к судокорпусным сталям, так как, измельчение зерна понижает вероятность хрупкого разрушения стали, сдвигая порог хладноломкости к более низким температурам (см. рис. 5.6). Получить мелкозернистую структуру судокорпусной стали можно путем рационального микролегирования, совершенствования режимов горячей обработки давлением и термической обработкой. 2. Макроанализ Макроскопический анализ стали заключается в исследованиях строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 раз) с помощью лупы либо бинокулярного микроскопа. Строение металлов, определяемое макроанализом, называется макроструктурой. Макроструктуру металла исследуют на специальном образце, для изготовления которого из заготовок или деталей вырезают пластины (темплеты) толщиной 10 - 50мм. Выбранную для исследования поверхность (макрошлиф) темплета шлифуют, а затем протравливают. В зависимости от назначения и интенсивности действия различают методы: - глубокого травления; - поверхностного травления; - и отпечатков. После глубокого травления макрошлиф приобретает рельефность, благодаря которой отчетливо выявляются волокнистое строение (характерное для горячекатаной стали), ликвационная неоднородность (неравномерное распределение компонентов металла при его застывании), пористость, трещины и другие дефекты. Причиной волокнистого строения горячекатаной стали являются неметаллические включения, примеси. В литом металле они в большей степени сосредоточены на границах дендритов. При горячей деформации примеси располагаются в виде строчек в направлении прокатки, вызывая анизотропию механических свойств. Характеристики пластичности и ударная вязкость, полученные при испытаниях образцов, вырезанных вдоль волокна (в направлении деформации стали), оказываются выше, чем у образцов, вырезанных перпендикулярно первым. Количество и характер распределения дефектов на макрошлифах оценивают путем сравнения последних с фотоэталонами шкал. ГОСТ 10243 - 75 позволяет оценить по пятибалльным шкалам центральную пористость, точечную, общую и другие типы неоднородностей, межкристаллитные трещины и др. Поверхностное травление используется для определения характера ликвации (особенно фосфора и углерода), волокнистого строения и наличия сравнительно крупных выходящих на поверхность дефектов в сварных соединениях: газовых пустот, непроваров, горячих и холодных трещин. Образование газовых пустот обусловлено химическими реакциями в жидком металле и газовой фазе, ведущими, например, к образованию окиси углерода или высвобождению водорода. Горячие продольные и поперечные трещины зарождаются на поверхностях раздела между структурными составляющими или в ликвационных участках вследствие разрыва еще жидких междендритных промежутков под действием напряжений, развивающихся при сварке. При правильных технологии сварки и выборе присадочных материалов горячие трещины у низкоуглеродистых и низколегированных сталей практически не образуются. Холодные трещины возникают в результате охрупчивания металла при охлаждении. Они особенно часты в условиях водородного охрупчивания и при наличии значительных остаточных напряжений. Макроструктурный анализ сварного соединения позволяет выявить структуру в зоне сварного шва и зоне его термического влияния и наряду с механическими испытаниями дает возможность оценить пригодность стали к сварке. Для оценки химической неоднородности стали по фосфору и сере используют метод отпечатков. Темплеты, тщательно отшлифованные и полированные, обрабатывают реактивами. Например, для выявления ликвации фосфора используют реактивы Гейна (1000мл Н20; 53г NH4С1: 85г СuС12), Обергоффера (100мл Н20; 10мл спирта; 3мл НС1; 0,2г СuС12-2Н20; 3г FеС13; 0,1г SnС12). После травления обогащенные фосфором места остаются гладкими, в то время как на обедненных им участках образуется шероховатый слой меди. Распределение серы определяют методом серного отпечатка по ГОСТ 10 243—75. Отпечатки снимают на бромсеребряную фотобумагу, которая предварительно выдерживается 5—8 мин на свету в 2—5% -ном водном растворе серной кислоты. После легкой просушки фильтровальной бумагой листы фотобумаги плотно прижимают эмульсионной стороной к поверхности макрошлифа и выдерживают 3—15 мин. Сернистые включения в стали (FеS, МnS) реагируют с оставшейся на фотобумаге серной кислотой: МnS (FеS) + Н2S04 → Н2SO4 + МnSO4(FеSO4). Сероводород, в свою очередь, воздействует на бромистое серебро фотоэмульсии: Н2S + 2АgВr → Аg2S + 2НВr. На фотобумаге участки Аg2S имеют темно-коричневый цвет, что позволяет выявить характер распределения и форму сульфидов. Допустимое количество и характер распределения сернистых включений в стали регламентируются технической документацией. Макроструктуру металлов изучают также по виду их излома. В этом случае исследуется строение поверхности разрушения, образовавшейся вследствие поломки детали или излома специально изготовленных образцов. Проба на излом позволяет определить некоторые металлургические дефекты, встречающиеся в листовой судокорпусной стали и возникающие в процессе выплавки или горячей обработки давлением: шиферность, расслоение, рыхлость и флокены. Шиферный излом характерен резко выраженным слоистым строением, напоминающим излом сухого дерева. Причины его появления — дендритная ликвация или повышенная загрязненность металла неметаллическими включениями. Расслоение и рыхлость могут образоваться вследствие повышенных усадочной или общей пористости исходного слитка. Иногда расслоение листа может быть вызвано крупными скоплениями неметаллических включений. Шиферность, расслоение и рыхлость вызывают снижение механических свойств металла, особенно пластичности и ударной вязкости. Флокены — небольшие внутренние трещины, имеющие в продольном изломе вид серебристых овальных пятен. Их появление связано с выделением из раствора водорода при быстром охлаждении стали при температурах 200—20°С. Переходя из атомарной формы в молекулярную, водород создает в металле большие внутренние напряжения, приводящие к трещинам. Флокены встречаются в основном в легированных сталях. Перечисленные дефекты вскрываются только на волокнистых изломах. Поэтому при проведении пробы на излом сталь для повышения пластичности обязательно подвергают термической обработке (например, термическому улучшению). Для оценки качества листовой судокорпусной стали по пробе на излом определяют его вид после разрушения при комнатной температуре надрезанных образцов толщиной, равной толщине листа. Остальные размеры образцов приведены ниже: Толщина листа, мм от 10 до 14 от 14 до 32 от 32 до 60 Длина образца, мм 250±20 300±20 350±20 Ширина образца, мм 60±5 90±5 120±5 Глубина надреза, мм 20±5 30±5 50+5 Разрушение образца производится нагрузкой, которую прилагают со стороны, противоположной надрезу. После разрушения образцов оценивают долю волокна в изломе, которая для сталей повышенной прочности не должна быть ниже 50 - 65 % В. 3. Влияние элементов на свойства судостроительной стали Легирующие элементы и примеси в судокорпусной стали. Сталь представляет собой сложный сплав, в состав которого наряду с основными элементами — железом и углеродом, входят постоянные и случайные примеси. К постоянным примесям относят марганец, кремний и алюминий, вводимые в сталь при раскислении (в кипящей стали содержание кремния и алюминия очень невелико), а также серу, фосфор, кислород, азот и водород, присутствие которых обусловлено невозможностью полного их удаления при массовом производстве стали в мартеновских печах и кислородных конвертерах. Случайные примеси — хром, никель, медь, мышьяк — попадают в сталь из исходных шихтовых материалов. При необходимости производят легирование стали, т. е. повышают концентрацию тех или иных элементов с целью изменения строения и свойств стали в заданном направлении. Даже незначительное изменение содержания углерода, примесей или легирующих элементов оказывает сильное влияние на механические и технологические характеристики стали. Углерод оказывает определяющее влияние на свойства стали. В горячекатаном состоянии углеродистые конструкционные стали имеют состоящую из двух фаз (феррита и цементита) ферритно-перлитную структуру (рис. 5.10). Количество цементита находится в прямой зависимости от содержания углерода в стали. Например, при 0,17% углерода доля цементита составляет примерно 2,5% (остальное — феррит), при 0,34% углерода — 5%, а при 0,68% углерода количество цементита достигает 10 %. Увеличение в структуре конструкционной стали количества цементита (а следовательно, и перлита) вызывает повышение ее твердости НВ и прочности σв при одновременном понижении характеристик пластичности δ, ψ и вязкости КСU (рис. 5.11). Кривые, приведенные на рисунке, относятся к горячекатаной стали с ферритно-перлитной структурой. В зоне термического влияния сварки могут образоваться менее равновесные структуры стали (троостит, бейнит, мартенсит). Влияние углерода на их механические свойства еще более значительно. Твердость закаленной стали особенно резко увеличивается при содержании углерода в ней более 0,15—0,20%. Максимальная величина твердости углеродистых и низколегированных сталей в зоне термического влияния может быть определена уравнением: НV = 90+1050С + 47Si + + 75Мn + 30Ni + 31Сг, где С, Si, Мn, Ni и Сг — количество элементов, содержащихся в стали, %, из которого следует, что содержание углерода оказывает на твердость, а следовательно, и на свариваемость стали решающее воздействие. Если твердость в зоне термического влияния превышает твердость основного металла более чем на 20—30%, то значительно возрастает опасность образования холодных трещин, падает ударная вязкость, повышается неоднородность по прочности сварного соединения. Поэтому стали с повышенным содержанием углерода (более 0,25%) необходимо сваривать, предварительно подогревая участки металла в зоне термического влияния и контролируя погонную энергию сварки, а сварные соединения следует термически обрабатывать. Углерод ухудшает и некоторые другие технологические свойства стали, например способность к деформированию в горячем и особенно холодном состояниях. При увеличении его концентрации повышается порог хладноломкости и уменьшается значение ударной вязкости при температурах выше порога хладноломкости (рис. 5.12). В углеродистых и низколегированных судокорпусных сталях содержание углерода не превышает 0,22%, что обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств в сочетании с высокими значениями пластичности и вязкости. Марганец вводят в сталь при выплавке для ее раскисления, а также для уменьшения вредного влияния серы. Обычно марганца в стали содержится больше, чем это требуется технологией плавки, и поэтому определенная его часть растворяется в феррите и цементите. Замещая в α-твердом растворе часть атомов железа, марганец вызывает существенное упрочнение феррита (рис. 5.13, а). При содержании более 1,5% Мn наряду с интенсивным повышением прочности наблюдается резкое падение ударной вязкости (рис. 5.13, б) и характеристик пластичности феррита. В судостроительной стали при высоких значениях отношения содержания марганца к содержанию углерода (т. е. при уменьшении концентрации углерода и увеличении концентрации марганца) обеспечиваются повышение общего уровня ударной вязкости при температурах вязкого разрушения и понижение температуры перехода в хрупкое состояние. Но, слишком высокое содержание марганца может привести к образованию бейнитной структуры при охлаждении стали после прокатки. Это, в свою очередь, отрицательно скажется на пластичности и вязкости стали. Поэтому содержание марганца обычно ограничивают 1,4—1,6%. Кремний, подобно марганцу, используется как эффективный раскислитель стали. В сплавах на основе железа он не образует собственных карбидов и поэтому полностью растворяется в феррите (частично кремний обнаруживается в стали в виде силикатных включений). Кремний упрочняет феррит, однако при концентрациях, превышающих 0,5%, отрицательно влияет на его пластичность и вязкость (рис. 5.14). Он также понижает способность стали к деформированию в холодном состоянии. Увеличение концентрации кремния свыше 1 % ведет к резкому повышению порога хладноломкости (рис. 5.14). Марганец и кремний являются важнейшими компонентами современных судокорпусных сталей повышенной прочности. Никель вводят в качестве легирующего элемента в судостроительные стали повышенной прочности, которые должны сохранять на достаточно высоком уровне характеристики пластичности, вязкости, сопротивления хрупким разрушениям при низких температурах и в коррозионных средах. Он эффективно понижает температуру перехода в хрупкое состояние, причем в отличие от других элементов обеспечивает это положительное влияние при широком диапазоне концентраций (см. рис. 5.14). Хром и молибден входят в состав низкоуглеродистых судостроительных сталей, упрочняемых по механизму вторичного твердения (за счет выделения в α-растворе высокодисперсных карбидов). Рациональное содержание элементов определяют, исходя из необходимости сохранения достаточной пластичности, вязкости и свариваемости стали повышенной прочности (см. рис. 5.13, 5.14). Медь увеличивает прочность стали благодаря упрочнению феррита и в процессе дисперсионного твердения. Она также способствует сопротивляемости коррозии и понижению критической температуры хрупкости. Ниобий и ванадий также могут вызывать дисперсионное твердение стали. При введении — 0,05% ниобия и — 0,1 % ванадия образуются высокодисперсионные карбиды NbC и VС. Это упрочнение реализуется либо при выполнении контролируемой прокатки, либо после термической обработки. Фосфор относится к вредным примесям в стали. Растворяясь в феррите, он увеличивает прочность стали, но уменьшает ее пластичность и развитие трещин, повышает порог хладноломкости (рис. 5.15). Изменение содержания фосфора на 0,01 % ведет к смещению температуры перехода в хрупкое состояние на 20 — 25°С, т. е. этот элемент вызывает хладноломкость стали. Поэтому содержание фосфора в судокорпусных сталях строго ограничено и не должно превышать 0,04%. Однако в локальных микрообъемах его концентрация может быть выше, так как он распределяется не равномерно, а в большей степени скапливается на границах зерен. Современные методы выплавки стали не обеспечивают полного удаления фосфора, в связи с чем рекомендуется использовать исходную шихту с минимальным его содержанием. Сера попадает в сталь из исходных шихтовых материалов (передельного чугуна, руды) при выплавке. Она растворена в жидком металле, а при кристаллизации выделяется в виде сульфида железа FеS, входящего в состав эвтектики FеS + FеS. Эвтектическая реакция протекает при сравнительно низкой температуре (988°С). Легкоплавкая и хрупкая эвтектика, расположенная по границам зерен, ухудшает технологические характеристики стали при горячей обработке давлением: нагрев до температуры начала деформирования (1150— 1200°С) вызывает оплавление эвтектических участков, а последующее деформирование ведет к образованию надрывов и трещин. Это явление носит название красноломкости. Отрицательное влияние серы на технологическую пластичность стали уменьшается при введении марганца, который образует тугоплавкий (температура плавления 1620°С) сульфид МnS. При прокатке включения МnS вытягиваются, приобретая пластинчатую форму. Однако пластинчатые, ориентированные в направлении прокатки включения усиливают анизотропию механических свойств: характеристики пластичности и ударная вязкость горячекатаной стали в направлении прокатки значительно выше, чем в поперечном направлении. Сернистые включения пластинчатой формы, являясь концентраторами напряжений, также резко понижают работу распространения трещины. Для сфероидизации сульфидных включений в настоящее время производят модифицирование жидкой стали силикокальцием, цирконием или церием. Образующиеся сульфиды кальция или сульфиды церия прочнее сульфидов марганца при температурах горячей прокатки и поэтому сохраняют после ее выполнения округлую форму. Это позволяет повысить свойства металла в направлении, перпендикулярном направлению прокатки. Коэффициент анизотропии относительного сужения и ударной вязкости возрастает от 0,5 (при пластинчатой форме сульфидов) до 0,8 (при округлой). В отличие от других вредных примесей сера вначале повышает, а затем понижает (при более высоком объеме содержания МnS) порог хладноломкости (рис. 5.16). Такое влияние серы на свойства стали обусловлено тем, что на его начальной стадии понижается работа зарождения трещины, но затем включения МnS препятствуют ее развитию. Сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость стали. В судокорпусных сталях содержание серы не должно превышать 0,04 %. Кислород, азот и водород содержатся в стали в очень небольших количествах. Ниже приведено примерное процентное содержание этих газов в стали различных способов производства: О2 N2 H2 Электрическая печь 0,002 - 0,004 0,007 - 0,010 0,0004 - 0,0006 Мартеновская печь 0,005 - 0,008 0,004 - 0,006 0,0003 - 0,0007 Кислородный конвертер 0,005 - 0,008 0,002 - 0,005 0,0001 - 0,0003 Однако и при этих концентрациях они могут оказывать заметное влияние на механические и технологические свойства стали. Это связано с тем, что даже низкое содержание данных элементов значительно превышает их равновесную растворимость в α-железе при комнатной температуре. Поэтому после прокатки обычно образуется перенасыщенный феррит. Соответственно понижается сопротивление стали хрупкому разрушению, повышается порог хладноломкости. Кроме того, как отмечалось ранее, азот и в меньшей степени кислород вызывают деформационное старение стали. Водород может привести к образованию в катаных заготовках флокенов. Металл, имеющий флокены, непригоден для промышленного использования. При сварке водород вызывает образование холодных трещин в основном и наплавленном металлах. Кислород и азот кроме твердого раствора в α-железе могут образовывать с присутствующими в стали элементами химические соединения — оксиды FеО, SiO2, А12O3 и нитриды Fе4N. Эти неметаллические включения ухудшают деформируемость стали в холодном состоянии, увеличивают склонность к хрупкому разрушению. В последние годы с целью уменьшения концентрации вредных примесей в корпусных сталях усовершенствована металлургическая технология их производства. Сталь, выплавляемую в конвертерах, подвергают обработке в ковше синтетическими шлаками и редкоземельными металлами; применяют продувку расплава аргоном, вакуумирование, регулируемую кристаллизацию при непрерывной разливке; стали наивысшего качества получают с дополнительным рафинирующим (обычно электрошлаковым) переплавом. Пути повышения прочности судостроительной стали. Как уже отмечалось, углерод, азот и другие элементы, образующие твердые растворы внедрения, наиболее эффективно упрочняют феррит. В то же время предельная концентрация этих элементов в судокорпусной стали ограничена (для углерода, например, она не превышает 0,18—0,22 %) в силу их отрицательного влияния на пластичность, вязкость, свариваемость и чувстви­тельность к деформационному старению. Имеются данные, что увеличение предела текучести стали на 15 МПа путем повышения содержания углерода или азота вызывает смещение порога хладноломкости в сторону более высоких температур на 10 и 30°С соответственно. Поэтому при создании судокорпусных сталей повышенной прочности реализуют другие механизмы упрочнения: измельчение зерна; упрочнение феррита атомами легирующих элементов, образующими твердые растворы замещения; упрочнение феррита выделениями частиц второй фазы ферритно-перлитной структуры (дисперсионное упрочнение). Зависимость предела текучести от размера зерна описывается соотношением Холла — Петча: σт = σi, + kd-0,5, где σi — напряжение течения при движении дислокаций внутри зерен; k — постоянный параметр; d — диаметр зерна. Очень важным является то обстоятельство, что измельчение зерен наряду с упрочнением ведет к повышению пластичности и ударной вязкости стали, понижению температуры перехода в хрупкое состояние (рис. 5.17). Известно, что величина зерна при нагреве стали в аустенитной области зависит от температуры и продолжительности выдержки, а также от наличия в аустените включений второй фазы — нитридов, карбидов или оксидов. Располагающиеся по границам зерен эти частицы играют роль барьеров, тормозящих миграцию границ зерен и способствующих получению мелкозернистой структуры. Для измельчения зерна в судокорпусные стали обычно добавляют алюминий, который образует с растворенными в жидком металле азотом и кислородом соединения А1N и А12O3. Дополнительный эффект от использования алюминия заключается в том, что он, образуя нитриды, связывает азот. Повышение предела текучести стали с алюминием на 15МПа сопровождается одновременным понижением порога хладноломкости примерно на 27°С. Измельчение зерна может быть также обеспечено путем введения в сталь небольших количеств ниобия или ванадия, образующих карбиды и карбонитриды типов NbC, VС, Nb(СN), а также путем легирования марганцем. Наряду с изменениями химического состава стали на ее структуру большое влияние оказывает технология обработки давлением. Как отмечалось ранее, горячая прокатка стали производится, когда металл находится в аустенитном состоянии (после начального нагрева до 1200—1250°С), за несколько проходов с постепенным понижением температуры заготовки. В процессе горячего деформирования происходят сложные, накладывающиеся одно на другое структурные изменения, связанные с горячим наклепом, динамической и статической полигонизацией и рекристаллизацией металла. Процесс структурообразования стали при прокатке можно регулировать путем регламентации температурных и скоростных условий деформирования и режима последеформационного охлаждения. Такую обработку называют контролируемой прокаткой. Факторы, способствующие получению однородной мелкозернистой структуры горячекатаной стали: - понижение конечной температуры деформирования; - увеличение степени деформации; - введение в сталь нитридо- или карбидообразующих элементов (ниобия и ванадия). Важно подчеркнуть, что деформирование должно заканчиваться при однофазном аустенитном состоянии металла. Прокатка стали при двухфазном аустенитно-ферритном состоянии ведет к образованию неоднородной полосчатой структуры, так как эти фазы имеют различную способность к деформационному упрочнению и разупрочнению. При охлаждении стали начиная от температуры конца прокатки избыточный феррит сохраняет зерна вытянутой формы, а остальной объем занимает перлитная структура, образовавшаяся при эвтектоидном распаде аустенита. Сталь с такой полосчатой структурой отличается анизотропией механических свойств. Кроме того, из рис. 5.18 видно, что слишком низкая температура конца прокатки (ниже 800°С) приводит к повышению порога хладноломкости. Одним из перспективных способов упрочнения низкоуглеродистой стали является использование эффекта вторичного твердения. Используют комплексное легирование никелем, медью, хромом, молибденом и ванадием. Например, широко применяются стали типа 15ХН2МФ, которые после термического улучшения обладают высокими значениями прочностных характеристик (σ0,2 ≥400 МПа), пластичности (δ > 25%; ψ > 55%) и вязкости. Комплексное легирование позволяет также повысить коррозионную стойкость стали, причем медь, кремний и молибден особенно эффективно действуют в условиях периодического смачивания морской водой, а хром, алюминий и ниобий — в условиях постоянного погружения в воду. Взаимосвязь между структурой и механическими свойствами судокорпусных сталей наглядно иллюстрирует рис. 5.19. Мелкозернистая ферритно-перлитная структура, получаемая непо­средственно после прокатки, уступает в прочности и по сопротивлению хрупкому разрушению структуре, образованной закалкой и высоким отпуском или после нормализации. Поэтому все стали повышенной прочности подвергаются термической обработке. Тема 2.3. Химический состав и свойства судостроительной стали. 5. Стали нормальной и повышенной прочности Стали наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к судокорпусным материалам. Они обеспечивают требуемый уровень характеристик прочности, пластичности и вязкости в течение длительного периода эксплуатации конструкций корпуса судна при различных температурах. Стали обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью; технологичны при холодном и горячем деформировании; хорошо свариваются; допускают газовую и плазменную резку; их стоимость в сравнении с другими конструкционными материалами сравнительно низка, а входящие в их состав элементы не относятся к числу остродефицитных. Современные отечественные судостроительные стали отвечают требованиям Международной ассоциации классификационных обществ (МАКО). В международной практике приняты унифицированные категории корпусных сталей (А, В, Д и Е), определяемые пределом текучести и работой удара при различных температурах. По прочностным свойствам стали для корпусных конструкций подразделяются на стали нормальной прочности с пределом текучести не менее 235 МПа (24 кгс/мм2) и стали повышенной прочности трех категорий: с гарантированными пределами текучести 315 (32), 355 (36) и 390 (40) МПа (кгс/мм2). Стойкость к хрупкому разрушению сталей нормальной прочности оценивают по величине работы удара на образцах с острым надрезом при соответствующей температуре испытания. Прокат из стали марки (категории) А не подвергается испытаниям на ударный изгиб. Стали марок (категорий) В, Д и Е должны обеспечивать требуемую работу удара при температурах испытания соответственно 0, —20 и —40 °С. Чем выше требования к сопротивлению стали хрупкому разрушению, тем для более низких температур эксплуатации она предназначена (в любом случае температура испытания должна быть ниже рабочей температуры). Механические свойства судокорпусных сталей нормальной и повышенной прочности устанавливает ГОСТ 5521—86 «Прокат стальной для судостроения», разработанный с учетом требований Регистра и международных. В соответствии с указанным стандартом прокат из сталей нормальной прочности марок (категорий) А, В (любой толщины) и Д (толщиной до 12 мм) поставляется в горячекатаном состоянии; прокат из стали марки Д толщиной свыше 12 мм и из стали марки Е любой толщины поставляется в нормализованном состоянии. Механические свойства должны удовлетворять требованиям: σВ = 400 - 490 МПа (41 - 50 кгс/мм2); σт ≥ 235МПа (24кгс/мм2); δ ≥22 %; КV не менее 15 Дж (1,5 кгс ∙ м) при толщине проката 5 - 7,0 мм, не менее 24 Дж (2,4 кгс ∙ м) при толщине проката 7,5 - 9,5 мм и не менее 27 Дж (2,7 кгс ∙ м) при толщине проката 10 мм и более. Химический состав судостроительных сталей, удовлетворяющих данным требованиям, приведен в таблице 1. Таблица 1. Химический состав углеродистой судостроительной стали нормальной прочности (ГОСТ 5521-86) Марка стали Содержание элементов, % по массе С, не более Мn Аl А В Д Е 0,22 0,21 0,21 0,18 0,4—1,0 0,4—1,1 0,6—1,4 0,6—1,4 - не более 0,06 0,015—0,06 0,015—0,06 Примечание. В сталях этих марок содержится Si 0,15—0,37%. Р и S — не более 0,04%. Отечественными аналогами сталей нормальной прочности являются стали марок (категорий) А, В, Д и Е по химическому составу являются низкоуглеродистые стали общего назначения, поставляемые по ГОСТ 380 - 94 в виде листового, сортового и фасонного проката: Мn Si ВСтЗкп 0,30 - 0,60 Не более 0,07 ВСтЗпс 0,40—0,65 0,05—0,17 ВСтЗсп 0,40—0,65 0,12—0,30 ВСтЗГпс 0,80—1,10 Не более 0,15 В сталях этих марок содержится С - 0,14—0,22 % , Р — не более 0,04 %, S - не более 0,05 % (по требованию потребителя массовая доля серы должна быть не более 0,04 %), Сг, Ni и Сu - по 0,30 %, Аs - 0,08 %. В зависимости от назначения низкоуглеродистые стали подразделяются на группы: А — стали, контролируемые по механическим свойствам и используемые для изделий, которые при изготовлении не подвергаются горячей обработке (сварке, ковке, термической обработке), т.е. материал сохраняет структуру и механические свойства, которые получила после горячей прокатки; Б — стали, контролируемые по химическому составу, эти стали могут подвергаться горячей обработке (ковке, штамповке, сварке, термической обработке) и изменять исходную структуру и свойства; В — стали, контролируемые и по механическим свойствам, и по химическому составу. Стали этой группы преимущественно используют для изготовления сварных конструкций. Структура и механические свойства металла изменяются лишь в зоне термического влияния сварки, а за пределами этой зоны сохраняются в исходном состоянии. Стали группы В применяют в качестве судокорпусных. В обозначение стали входят буквы Ст и номер 0, 1, 2, ..., 6. По мере повышения содержания углерода (от 0,06 - 0,12 до 0,38 - 0,49%) увеличивается прочность, но снижается пластичность стали и номер в обозначении возрастает от 1 до 6. Буквы «сп», «пс» и «кп» являются сокращением слов «спокойная», «полуспокойная» и «кипящая». Они обозначают степень раскисления стали. Буквы Б и В перед обозначением марки указывают группу стали (буква А не указывается). При повышенном содержании марганца в марочное обозначение вводится буква Г, например СтЗГпс. Наименование и количество нормируемых показателей стали зависят от категории, указываемой в конце марочного обозначения. В судостроении применяются стали второй, третьей и четвертой категорий. Для сталей второй категории нормируют химический состав, показатели механических свойств (σв, σт, δ) и пробу на изгиб до параллельности сторон. Для сталей третьей категории дополнительно определяют ударную вязкость при комнатной температуре. Для сталей четвертой категории — ударную вязкость при —20°С. Механические свойства проката из стали общего назначения приведены в таблице 2 и 3. Таблица 2. Механические свойства толстолистового проката из низкоуглеродистых сталей общего назначения ГОСТ 380 - 94 Марка стали σв, МПа (кгс/мм2) σт (не менее), МПа (кгс/мм2), при толщине, мм δ (не менее),% при толщине, мм До 20 От 20 до 40 От 40 до 100 Свыше 100 До 20 От 20 до 40 Свыше 40 Ст 3кп 360—460 (37—47) 235(24) 225(23) 215(22) 195(20) 27 26 24 Ст 3пс 370—480 (38 - 49) 245(25) 235(24) 225(23) 205(21) 26 25 23 Ст 3сп 370—480 (38—49) 245(25) 235(24) 225(23) 205(21) 26 25 23 Ст 3Гпс 370—490 (38—50) 245(25) 235(24) 225(23) 205(21) 26 25 23 Так как, горячекатаная сталь имеет определенную химическую и структурную неоднородность вдоль и поперек направления прокатки. Эта неоднородность усиливается по мере увеличения толщины проката, что обусловливает понижение предела текучести и ударной вязкости. Таблица 3. Ударная вязкость толстостенного проката из низкоуглеродистых сталей общего назначения марок ВСт3сп, ВСт3пс, ВСт3Гпс ГОСТ 380 - 94 Вид проката Толщине проката, мм Расположение образца относительно направления прокатки Ударная вязкость (не менее), Дж/м2 (кгс м/см3), при температуре, 0С + 20 - 20 Листовой 5 – 9 10 – 25 26 - 40 Поперёк 78 (8) 69 (7) 49 (5) 39 (4) 29 (3) Не регламентируется Широкополосный (универсальный) 5 – 9 10 – 25 26 - 40 Вдоль 98 (10) 78 (8) 69 (7) 49 (5) 29 (3) Не регламентируется Сортовой и фасонный 5 – 9 10 – 25 26 - 40 Вдоль 108 (11) 98 (10) 88 (9) 49 (5) 29 (3) Не регламентируется Существенное влияние на механические свойства стали оказывает температура испытания, понижение которой может привести к хрупкому разрушению. Температурный порог хладноломкости зависит от многих факторов: - химической чистоты стали, - степени раскисления, - размера зерна, - режима термической обработки. Из таблицы 4 следует, что спокойная сталь имеет несомненные преимущества по сравнению с кипящей. Таблица 4. Температура перехода стали Ст3 в хрупкое состояние сталь Начальная температура, 0С Конечная температура, 0С Порог хладноломкости Т50, 0С Кипящая: Горячекатанная +100 +50 Нормализованная +40 - 20 =10 Термически улучшенная +20 - 40 - 10 Спокойная: Горячекатанная +20 - 40 - 10 Нормализованная - 60 - 30 Термически улучшенная - 20 - 80 - 50 Таким образом, анализ механических свойств сталей общего назначения показывает, что они не уступают по прочности (гарантируемый предел текучести 235 МПа) судостроительным сталям марок В, Д и Е, но хуже их по хладостойкости. Поэтому стали марок ВСтЗкп, ВСтЗпс, ВСтЗсп и ВСтЗГпс рекомендуется использовать лишь для сварных конструкций, которые работают при умеренных температурах и нагрузках. Прокат из этих сталей квалифицируется стандартом как продукция первой категории качества, в то время как прокат из сталей А, В, Д и Е относят к высшей категории качества. Повышенное сопротивление хрупкому разрушению сталей В, Д и Е достигнуто изменением их химического состава, увеличением содержания марганца до 1,5 % и существенным совершенствованием технологии металлургического производства. По согласованию с Регистром применяющийся для раскисления стали алюминий может быть частично заменен титаном или ниобием, измельчающими зерно. Судостроительные стали повышенной прочности также делятся на категории — А, Д и Е. Стали с гарантированным пределом текучести 315 МПа (32 кгс/мм2) А32, Д32 и Е32 должны обеспечивать работу удара не ниже 31 Дж; стали А36, Д36 и Е36 (с гарантированным σт ≥ 355 МПа) - не ниже 34 Дж; стали третьего уровня прочности (σт ≥ 390 МПа) - не ниже 36 Дж. Значения работы удара для стали категории А определяют при температуре испытания 0 °С, для стали категории Д при —20 °С и для стали категории Е при —40 °С. Столь высоких значений механических свойств достигают благодаря рациональному выбору состава сталей (табл. 5), совершенствованию технологии их выплавки, раскисления, модифицирования, разливки и прокатки. Особенно заметное повышение комплекса механических свойств сталей достигнуто при микролегировании ниобием. Такие стали после термической обработки — нормализации или закалки с высоким отпуском — имеют однородную мелкозернистую структуру и, высокое сопротивление хрупкому разрушению. В ряде случаев по согласованию с Регистром термическая обработка может быть заменена контролируемой прокаткой. Механические свойства проката высшей категории качества из сталей повышенной прочности приведены в таблице 6 и 7. С увеличением толщины листа гарантируемый уровень работы разрушения несколько понижается. Регистр регламентирует районы целесообразного применения сталей повышенной прочности по длине и высоте корпуса судна в зависимости от действующих в корпусе напряжений. Расчетная температура конструкций, расположенных выше балластной ватерлинии, принимается равной минимальной температуре окружающей среды. Температура конструкций, постоянно соприкасающихся с забортной водой, приравнивается к 0 °С. Таблица 5. Химический состав низколегированной судостроительной стали повышенной прочности ГОСТ 5521 Марка стали Содержание элементов,% по массе С, не более Mn Si Cr Ni Cu Mo Al Nb V А32 0,18 0,9– 1,6 0,15– 0,50 Не бо-лее 0,20 Не бо-лее 0,40 Не бо-лее 0,35 Не бо-лее 0,08 Не более 0,06 - - Д32 Не более 0,06 - - Е32 0,015-0,06 - - А36 Не более 0,06 0,02-0,05 0,05-0,1 Д36 0,015-0,06 0,02-0,05 0,05-0,1 Е36 0,015-0,06 0,02-0,05 0,05-0,1 А40 0,12 0,5-0,8 0,81,1 0,6-0,9 0,5-0,8 0,4-0,6 - Не более 0,06 - - Д40 0,015-0,06 - - Е40 0,015-0,06 - - Примечание: в сталях этих марок содеожится Р не более 0,035% по массе, S – не более 0,035% по массе. Прочерк в таблице означает отсутствие требований стандарта. Таблица 6. Механические свойства проката высшей категории качества при растяжении Марка стали Предел прочности σв, МПа (кгс/мм2) Предел текучести σт, МПа (кгс/мм3), не менее Относительное удлинение δ, %, не менее А32, Д32, Е32 А36, Д36, Е36 А40, Д40, Е40 470—590 (48—60) 490—620 (50—63) 530—690 (54—70) 315 (32) 355 (36) 390 (40) 22 21 19 Таблица 7. Минимальная работа удара КV, Дж (кгс м), при испытании проката высшей категории качества (не менее) Марка стали Температура испытания, °С Толщина проката, мм ш 5-7,5 7,5-9,5 10 и более А32 Д32 Е32 –20 —40 31 (3,2) 26 (2,7) 22 (2,2) А36 Д36 Е36 —20 —40 34 (3,5) 28 (2,9) 24 (2,4) А40 Д40 Е40 —20 —40 36 (3,7) 30(3,1) 25 (2,5) В отечественной судостроительной практике в течение многих лет успешно используются низколегированные стали марок 09Г2, 09Г2С и 10ХСНД (табл. 8). Эти стали во многом являются аналогами рассмотренных выше судостроительных сталей повышенной прочности. Так, стали 09Г2 и 09Г2С имеют гарантированный предел текучести 290 - 300 МПа, а сталь 10ХСНД — 390 МПа (табл. 9). Судокорпусные стали с пределом текучести 355 МПа ранее промышленностью не выпускались. Это создавало определенные трудности при выборе стали конкретного назначения. Таблица 8. Химический состав низколегированных сталей ГОСТ 19282-73 Марка стали Содержание элементов, % по массе С Si Мn Сг Ni Сu 09Г2 09Г2С 10ХСНД ≤ 0,12 ≤ 0,12 ≤ 0,12 0,17—0,37 0,5—0,8 0,8—1,1 1,4—1,8 1,3—1,7 0,5—0,8 ≤ 0,30 ≤ 0,30 0,6—0,9 ≤ 0,30 ≤ 0,30 0,5—0,8 ≤ 0,30 ≤ 0,30 0,4—0,6 Таблица 9. Механические свойства проката первой категории качества Марка стали Толщина проката, мм Предел прочности σв, МПа (кгс/мм2) Предел текучести σт, МПа (кгс /мм2) Относи-тельное удлинение δ, % Ударная вязкость КСU-40 Дж2 (кгс-м/см2) не менее 09Г2 4 5—9,5 10—20 21—30 Не менее 440 (45) 300 (31) 300(31) 300 (31) 290 (30) 21 - 34 (3,5) 29(3) 49(5) 09Г2С 32—60 Не менее 450 (46) 290 (30) 21 49 (5) 10ХСНД 4 5—9,5 10—15 16—32 530—690 (54—70) 390 (40) 19 - 39(4) 39(4) 49(5) 2. Высокопрочные судостроительные стали Высокопрочные судостроительные стали применяются для изготовления тяжелонагруженных сварных конструкций. Необходимость использования таких сталей обусловлена освоением природных ресурсов приполярных районов и Арктического шельфа нашей страны. Экстремальные условия (низкие температуры, ударные и вибрационные нагрузки) эксплуатации в высоких широтах ледоколов, лихтеровозов, плавучих буровых установок, мощных морских кранов потребовали создания хладостойких сталей с высокими характеристиками прочности, пластичности, сопротивления усталостному и хрупкому разрушению, с хорошей свариваемостью. Этот комплекс свойств может быть достигнут лишь при высоком металлургическом качестве стали. Еще во второй половине 50-х гг. у нас в стране были разработаны стали типа А1 с гарантированным пределом текучести 490 МПа. Из этих сталей были построены корпуса атомных ледоколов «Ленин», «Сибирь» и других, которые успешно эксплуатировались. Опыт работы этих ледоколов использован при разработке корпусных сталей для судов, работающих в сложных условиях мелководья прибрежных районов Арктики, с заходами в устья сибирских рек. Были разработаны и приняты в качестве корпусных материалов мелкосидящих атомных ледоколов типа «Таймыр» стали марок АБ-1, АБ1-А и АБ-2. В их состав кроме углерода (до 0,14%), кремния и марганца, использованных в качестве раскислителей, входят около 1 % хрома, 2—3 % никеля, до 0,3 % молибдена и до 1 % меди. Высокая дисперсность структурных составляющих достигается микролегированием алюминием и ванадием. Для повышения металлургического качества стали, используемой при изготовлении особо ответственных конструкций, применяют электрошлаковый переплав (на что указывает буква «ш» в марочном обозначении). Требуемый уровень механических свойств стали достигается после закалки и высокого отпуска. Механические свойства перечисленных сталей, а также сталей марок 10ГНБШ и 10ХНДМФ (АБ-А) приведены в таблице 10. Обладая высокой прочностью и пластичностью, эти стали сохраняют и высокие значения работы разрушения КV при температурах до минус 40 — минус 60 °С, т. е. обладают повышенной хладостойкостью. Таблица 10. Механические свойства высокопрочных судокорпусных сталей Механические характеристики Марка стали 10ГНБШ АБ 10ХНДМФ Предел прочности σв, МПа Предел текучести σт, МПа, не менее Относительное удлинение δ,% не менее Относительное сужение ψ,% не менее Работа разрушения при низких температурах испытания: КV, Дж не менее tисп., 0С Относительное сужение ψz,% не менее Доля волокна в изломе при комнатной температуре испытания В, % не менее 470—620 350 20 65 72 —60 35 65 530—690 390 19 50 36 —40 — 50 530—690 390 20 65 78 —40 35 65 Механические характеристики Марка стали АБ-1 АБ1-А АБ-2 Предел прочности σв, МПа Предел текучести σт, МПа, не менее Относительное удлинение δ,% не менее Относительное сужение ψ,% не менее Работа разрушения при низких температурах испытания: КV, Дж не менее tисп., 0С Относительное сужение ψz,% не менее Доля волокна в изломе при комнатной температуре испытания В, % не менее 570—710 490 20 50 47 —40 — 80 570—710 490 21 60 78 —50 35 80 570—800 590 18 60 58 —50 35 80 Стали марок 10ГНБШ и 10ХНДМФ разработаны как материалы для буровых установок типа «Шельф». Важнейшим достоинством этих сталей (зет-сталей) является высокая стойкость к слоистым (ламинарным) разрушениям. Слоистое разрушение в сварных конструкциях, выполненных из листов большой толщины, возникает в результате значительных сварочных напряжений или внешних нагрузок, направленных перпендикулярно поверхности проката. Мировой и отечественной практикой установлено, что высоким сопротивлением слоистым разрушениям обладают стали с высокими значениями характеристик пластичности и ударной вязкости. Их испытывают на образцах, вырезанных в направлении толщины листа (в Z-направлении). В настоящее время сложилась практика оценивать уровень сопротивления стали слоистым разрушениям по величине относительного сужения. Установлено, что при значениях ψz более 30% сталь можно применять в сварных конструкциях без риска слоистого разрушения. Пластичность стали в направлении толщины проката зависит от содержания серы и количества оксидных неметаллических включений. Содержание серы в сталях, стойких к слоистому разрушению, не должно превышать 0,01%. Сталь подвергается полному раскислению, в ее состав вводят измельчающие зерно элементы. Зет-стали подвергают также испытаниям на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом, вырезанных вдоль и поперек направления прокатки. Температура испытания должна быть ниже возможной минимальной рабочей температуры конструкции: - при рабочей температуре —20°С испытания проводятся при —40 °С; - при рабочей температуре —40°С температура испытания понижается до —60 °С. Минимально допустимые значения работы удара при указанных температурах испытания для сталей различной прочности приведены в таблице 11. В настоящее время отечественная промышленность выпускает хорошо свариваемую, стойкую против слоистого разрушения сталь, соответствующую самым высоким требованиям международных классификационных обществ. Таблица 11. Требуемые значения работы удара для зет-сталей, Дж, не менее Образцы Предел текучести, МПа 235 315 355 390 Продольные Поперечные 27 18 31 21 34 24 39 26 3. Стали с особыми свойствами В судостроении широко используются стали с высокой коррозионной стойкостью. Для повышения коррозионной стойкости сталь легируют элементами, придающими ей склонность к пассивированию, т. е. образованию коррозионно-стойкой пленки окислов на поверхности проката. Наибольшее применение получили хромистые, хромоникелевые и хромомарганцевые коррозионно-стойкие стали. Из рисунка 1 видно, что высокую коррозионную стойкость сталь приобретает при содержании хрома более 12,5%. Рисунок 1. Схема влияния содержания хрома на коррозионную стойкость стали Хромистые стали 08X13, 12X13 и 20X13 (ферритного или ферритно-мартенситного класса по структуре) стойки при работе во влажной атмосфере воздуха, морской и речной воде, в азотной и многих органических кислотах. Эти стали пластичны, легко поддаются холодной обработке давлением, хорошо свариваются. Из низкоуглеродистых хромистых сталей изготовляют емкости, арматуру и др. Увеличение концентрации хрома до 17 и 25 % придает этим сталям повышенную жаростойкость, т. е. резко возрастает их способность сопротивляться окислению при нагреве. Недостатком хромистых сталей ферритного класса является возникающая при сварке крупнозернистость, которая не может быть устранена последующей термической обработкой. Крупнозернистость повышает хрупкость стали, смещая порог хладноломкости к более высоким температурам. Дополнительное легирование хромистых сталей никелем позволяет получить аустенитную структуру. Наиболее широкое применение получили хромо-никелевые стали с 18 % Сг и 9—11 % Ni. К этому классу относятся стали марок 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т. Стремление к понижению содержания углерода в этих сталях связано с образованием карбида типа Сг3С6. Чем выше содержание углерода, тем большее количество таких карбидов наблюдается по границам зерен, что приводит к охрупчиванию стали. Повышается и чувствительность к межкристаллитной коррозии, так как границы зерен обедняются хромом, ушедшим на образование карбида, и, следовательно, снижается сопротивление коррозии в этих зонах. Склонность аустенитных сталей к межкристаллитной коррозии можно устранить не только уменьшением содержания углерода (этот путь связан с определенными технологическими трудностями при выплавке стали), но и введением сильных карбидообразующих элементов — титана или ниобия, которые, образуя стойкие карбиды типа МС, исключают возможность образования хромистых карбидов. Чисто аустенитные стали могут проявлять склонность еще к одному виду коррозионного разрушения — коррозии под напряжением. На поверхности изделия, находящегося под нагрузкой или имеющего внутренние остаточные напряжения (например, после холодной пластической деформации), при контакте с относительно слабой коррозионной средой образуются тонкие трещины. Значительно меньшей склонностью к такому разрушению обладают двухфазные аустенитно-ферритные стали, например, сталь марки 09Х17Н7Ю, легированная алюминием, которая используется для изготовления крыльевых устройств, рулей и кронштейнов гребных валов быстроходных морских судов. Аустенитные нержавеющие стали пластичны, хорошо деформируются в холодном состоянии, технологичны при сварке. В отдельных участках палуб и рубок иногда применяют немагнитные аустенитные стали, в состав которых входят такие легирующие элементы, как никель, марганец, хром, алюминий. Содержание углерода в них до 0,4%. Аустенитная структура стали получается в результате закалки, при которой в твердый раствор в железе переходят практически все легирующие элементы. В настоящее время в судостроении все более широкое применение получают двухслойные (биметаллические) материалы, состоящие из двух и более сплавов. Биметаллические листы имеют сравнительно дешевую основу из углеродистой или низколегированной стали и покрытие (плакирующий слой), обеспечивающее им высокую коррозионную стойкость. Это дает значительную экономию дорогостоящих и дефицитных легирующих элементов, которые входят в состав коррозионно-стойких сталей. ГОСТ 10885—85 предусматривает изготовление горячекатаных двухслойных листов толщиной от 4 до 160, шириной от 1200 до 2800 и длиной от 2000 до 9400 мм. В качестве основного слоя используют стали ВСтЗсп, 10, 09Г2С, 10ХСНД и другие, а плакирующим слоем служат стали и сплавы марок 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х17Т, ХН65М13, Н70МФ. Раздел 3. Сплавы алюминия и титана в судостроении Тема 3.1. Классификация алюминиевых сплавов. Свойства и применение деформируемых алюминиевых сплавов. 1. Основные свойства алюминия Алюминий — самый распространенный в природе металл. В земной коре содержится 7,5% алюминия. В природе он находится в виде алюмосиликатов и окиси алюминия — глинозема, который служит основным сырьем для промышленного производства алюминия, которое может осуществляться химическим, электротермическим и электрохимическим способами. В судостроении и транспортном машиностроении используется до 4% всего получаемого алюминия, главным образом в виде алюминиевых сплавов. Основными свойствами алюминия являются: - лёгкоплавкость, так как температура плавления 6600С; - лёгкий, так как плотность (ρ) составляет 2,7·103 кг/м3; - кристаллическая решётка ГЦК; - прочность чистого технического алюминия в литом состоянии мала и составляет 80-100 МПа, у отожженного алюминия высокой чистоты – 50 МПа; - предел текучести составляет 35 МПа; - повышенная пластичность, которая составляет 35 – 40%, поэтому хорошо ОМД; - невысокая твёрдость (мягкий), 20 НВ; - низкие показатели механических свойств отожженного технического алюминия (σв = 8 - 10 кгс/мм2, σ0,2 = 3 - 5 кгс/мм2) могут быть повышены за счет наклепа (нагартовки); - высокая электропроводность, которая составляет 65% от теплопроводности меди; - высокая коррозионная стойкость, так как образуется окисная плёнка. Объём окисла и металла отличается незначительно, поэтому окисная плёнка обладает хорошим сцеплением с металлом и малопроницательна для всех газов. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость; - хорошо сваривается газовой и контактной сваркой (любой сваркой); - плохо обрабатывается резанием; - невысокие литейные свойства; - растворяется в едких щелочах (NaOH). В судостроении алюминий марки АД1 применяют при изготовлении переговорных труб, а также емкостей для хранения пищевых продуктов и воды. Алюминий марки А00 в виде фольги используют для теплоизоляции. Основными примесями являются железо и кремний, которые содержаться в очень малом количестве. Особенно опасно железо, которое не растворяется в алюминии, а образует с ним хрупкое интерметаллидное соединение FeAl3, имеющее игольчатое строение и снижающего пластичность. Это соединение образуется даже при небольшом содержании железа. Кремний образует с алюминием эвтектическую смесь (Al + Si). Кристаллики кремния хрупки, их твёрдость составляет 800 НВ. При одновременном присутствии кремния, железа и алюминия образуется тройная эвтектика и тройное химическое соединение, понижающее пластичность. Медь, кремний, магний и цинк резко изменяют свойства алюминия и его сплавов; Марганец, никель и хром дополнительно улучшают свойства; Натрий, бериллий, титан, селен и ниобий измельчает структуру. 2. История применения алюминиевых сплавов Алюминиевые сплавы являются важнейшими конструкционными материалами. Впервые их пытались применить в судостроении в конце XIX в. Во Франции и в России из алюминиевых сплавов были изготовлены торпедные катера. Однако этот опыт не получил широкого распространения, поскольку сплавы обладали низкой коррозионной стойкостью и прочностью. Внедрение алюминиевых сплавов в судостроении началось в сороковых годах и особенно после Великой Отечественной войны, когда были созданы высокопрочные и коррозионно-стойкие сплавы. Опыт проектирования и постройки судов из алюминиевых сплавов показывает, что применение их вместо стали, позволяет снизить вес ряда конструкций на 50—60%. Полученная экономия в весе дает возможность увеличить грузоподъемность, улучшить мореходные качества, повысить скорость или уменьшить мощность главных механизмов. Из алюминиевых сплавов изготовливают надстройки на пассажирских судах, надстройки речных трамваев на 150 пассажиров, корпуса и все корпусные конструкции теплоходов на подводных крыльях, спасательные шлюпки морских судов, лодки и многие другие плавсредства и сооружения. Практически на каждом судне имеются конструкции из алюминиевых сплавов. Объем применения сплавов на различных судах составляет от 3 до 10% веса корпуса. Современные алюминиевые сплавы обладают рядом ценных свойств, отличающих их от других традиционных для судостроения материалов. Важнейшими свойствами являются высокая удельная прочность и коррозионная стойкость, немагнитность, малая склонность к хрупким разрушениям, устойчивость механических свойств, при низких температурах, высокая технологичность, эстетичность в конструкциях и неограниченный запас сырья для производства. 3. Классификация алюминиевых сплавов По технологическим свойствам алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные; По способности упрочняться на упрочняемые термической обработкой и не упрочняемые. Алюминиевые сплавы маркируются буквой А, при этом цифра, следующая за буквой, указывает условный порядковый номер сплава. В зависимости от предела прочности все деформируемые алюминиевые сплавы разделяются на сплавы низкой прочности (σв ≤ 300 МПа), средней (σв = 300 – 450 МПа) и высокой (σв > 450 МПа). Сплавы высокой прочности маркируются дополнительно буквой В, а сплавы, предназначенные для ковки и штамповки, - буквами АК. Деформируемые сплавы используют при производстве прокатных, прессованных и тянутых полуфабрикатов, а также заготовок для штамповок и поковок; литейные сплавы — для фасонного литья. Деформируемые алюминиевые сплавы, в зависимости от характера легирующих элементов, разделяют на группы, имеющие соответствующую маркировку: алюминиево-марганцевые сплавы — АМц (буква А обозначает алюминий, Мц — марганец); алюминиево-магниевые сплавы — АМг (Мг — магний); алюминиево-меднистые сплавы типа дюралюминия. Обозначается буквой Д с цифрами, указывающими номер сплава (Д16); высокопрочные многокомпонентные сплавы. Обозначаются буквами В или К; ковочные (жаропрочные) сплавы. Обозначаются буквами АК. Сплавы типа АМц и АМг — термически не упрочняемые и сваривающиеся. Сплавы типа дюралюминия, высокопрочные и жаропрочные можно упрочнять термической обработкой (закалкой с последующим старением) и наклепом. В конце марки сплавов, кроме основных обозначений, вводят буквы и цифры, указывающие состояние поставки или вид термической обработки: Н – нагартованное состояние (процесс нагартовки: горячая прокатка, отжиг, холодная прокатка, отжиг и холодная прокатка); П – полунагартованное состояние (горячая прокатка, отжиг, холодная прокатка, отжиг частичный); ГК – горячекатаные полуфабрикаты; М – отожжённые сплавы (мягкие); Т – сплавы, прошедшие закалку и естественное старение (твёрдые); Т1 – сплавы, прошедшие закалку и искусственное старение; В – высокопрочные (у литейных сплавов «В» в конце марки означает – вторичный переплав, из отходов). Плакированные листы обозначаются буквами Б, А, У — соответственно для технологической, нормальной и утолщенной плакировки. Плакировкой называется процесс покрытия листов алюминиевых сплавов тонким слоем чистого алюминия для предохранения от коррозии (нормальная плакировка) и появления поверхностных трещин при прокатке (технологическая плакировка) либо улучшения внешнего вида изделий (утолщенная плакировка). При технологической плакировке толщина плакирующего слоя с каждой стороны листа равна 1,5% толщины листа. Нормальная плакировка составляет от 2 до 4%, а утолщенная плакировка от 1 до 8% толщины листа. В судостроении применяется нормальная и технологическая плакировка соответственно для сплавов Д16 и АМг61. Литейные сплавы обозначаются буквами АЛ (Л — литейный); цифры после букв указывают номер сплава. Недостатком алюминиевых сплавов является: 1. Повышенная по сравнению со сталью способность деформироваться при сварке, что вызывается более высоким, чем у стали коэффициентом линейного расширения; 2. При нагреве алюминиевые сплавы не меняют цвета, поэтому во время сварки и правки конструкций с помощью нагрева газовой горелкой могут произойти прожоги; 3. При соединении алюминиевых сплавов со сталью возникает контактная коррозия, для предотвращения этого явления между соединяемыми поверхностями ставят изолирующие прокладки из резины, тиковой ленты и других материалов. При клёпке этих соединений заклёпки берутся из того материала, который соприкасается с агрессивной средой. Алюминиевые сплавы Деформируемые Литейные Специальные ГОСТ 4784-78 ГОСТ 2685-75 Подшипниковые Al – Mn Al – Si САП Al – Mg Al – Mg САС Al – Cu Al – Cu не упрочняемые термической обработкой упрочняемые термической обработкой 4. Деформируемые алюминиевые сплавы Металлургическая промышленность поставляет судостроению ряд высокопрочных, коррозионно-стойких деформируемых сплавов, пригодных для изготовления судовых конструкций, работающих в условиях морской атмосферы и воды. Химический состав сплавов, применяемых в судостроении, приведем в таблице 1. Виды применяемых в судостроении поставок полуфабрикатов из алюминиевых сплавов указаны в таблице 2. Таблица 1. Химический состав деформируемых алюминиевых сплавов, % Таблица 2. Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов Механические свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов зависят от марки материала, вида полуфабриката (лист, профиль, панель, пруток, труба), их размеров, термической и механической обработки. Поэтому однозначно указать механические свойства какого-либо сплава не представляется возможным. Обычно приводят лишь некоторые средние значения (табл. 3) для всех видов полуфабрикатов из сплава данной марки и определенного состояния поставки (горячекатаный, отожженный, закаленный и естественно состаренный). Алюминиевые сплавы имеют высокую удельную прочность. Под удельной, или весовой, прочностью понимают отношение временного сопротивления к плотности материала. Чем выше удельная прочность, тем больший выигрыш в весе можно получить при изготовлении конструкции. Сравнительные данные об удельной прочности стали и деформируемых алюминиевых сплавов приведены в таблице 4. Они показывают, что алюминиевые сплавы обладают достаточно высокой удельной прочностью, позволяющей изготовлять из них легкие конструкции, равнопрочные выполненным из углеродистых и низколегированных сталей. Таблица 3. Механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов Таблица 4. Удельная прочность стали и алюминиевых сплавов 5. Коррозия алюминиевых сплавов Алюминиевые сплавы (кроме дюралюминия) обладают высокой коррозионной стойкостью в морской атмосфере и воде, в десятки раз превышающей стойкость углеродистых и низколегированных корпусных сталей в этих средах. Коррозионная стойкость обусловливается образованием на поверхности металла плотной пленки окиси алюминия (А1203) толщиной от 0,0001 до 0,001 мм. При длительном действии морской воды, а также под воздействием эрозии, кавитации и других внешних факторов пленка может разрушаться. В результате алюминиевые сплавы подвергаются интенсивной электрохимической коррозии и быстро разрушаются. Для алюминиевых сплавов характерны несколько видов коррозии. Наименее типичной является общая, равномерная, коррозия. При точечной, или язвенной, коррозии (местная коррозия) разрушение происходит на отдельных участках поверхности. Очагами коррозии являются места нарушения оксидной пленки или же участки поверхности, где пленка ослаблена порами или имеет малую толщину. Межкристаллитная коррозия распространяется по границам зерен. Этот вид коррозии приводит к резкому снижению прочности и пластичности вследствие нарушения связей между зернами. Межкристаллитная коррозия возникает при неблагоприятном микростроении высоколегированных алюминиевых сплавов. Процесс коррозии начинается с поверхности металла и постепенно проникает в более глубокие его слои. Склонность к межкристаллитной коррозии в значительной степени зависит от состава и структуры сплава. Структурнооднородные сплавы, не содержащие вторичных фаз (фаз выделения), имеют более высокую коррозионную стойкость, чем сплавы многофазные. Механические свойства алюминиевых сплавов повышаются с помощью термической или механической обработки, а также легирования марганцем, магнием, медью, кремнием, хромом и другими элементами. При этом создаются условия для выпадения вторичных фаз по границам зерен и у сплавов появляется склонность к межкристаллитной коррозии. Типичным не коррозионно-стойким сплавом в условиях морской атмосферы и воды является дюралюминий. Коррозионная стойкость некоторых многокомпонентных сплавов может быть повышена термической обработкой (закалкой). В результате закалки растворяется сетка выделившихся по границам зерен вторичных фаз и устраняется склонность к межкристаллитной коррозии. Контактная коррозия алюминиевых сплавов возникает при контакте с металлами, имеющими более высокий электродный потенциал. Особенно опасен контакт алюминиевых сплавов со сталью и нержавеющими сталями. Переходу общей коррозии в местную или межкристаллитную способствует действие растягивающих напряжений. Коррозионные разрушения всех видов оказывают влияние на механические свойства сплавов. Особенно ухудшаются механические характеристики и сопротивляемость переменным нагрузкам. Изменение механических свойств алюминиевых сплавов после коррозионных испытаний при переменном погружении в 3%-ный раствор NaCl в течение двух месяцев иллюстрируют данные в таблице 5, из которой видно, что наибольшие изменения вследствие коррозии претерпевает относительное удлинение, а у сплава Д16 снижается временное сопротивление и предел текучести. Из всех рекомендуемых к применению в судостроении деформируемых сплавов только сплавы Д16 (ДР), В65 и АКЧ являются не коррозионно стойкими. Поэтому их разрешено применять только для речных судов, а на морских судах только в сухих помещениях. В целях повышения коррозионной стойкости алюминиевых сплавов прибегают к различным методам защиты: плакированию, оксидированию, лакокрасочным покрытиям и протекторной защите. Таблица 5. Изменение механических свойств алюминиевых сплавов после коррозионных испытаний Плакирование применяют для защиты листового материала. Недостатком плакирования является то, что в местах повреждения плакирующего слоя возникают очаги интенсивной местной коррозии. Наиболее эффективными способами защиты конструкций от коррозии служат химическое, или анодное оксидирование — анодирование, в результате которого окисная пленка утолщается до 0,005—0,025 мм. Анодное оксидирование производится в серной или хромовой кислоте. Алюминиевый сплав в этом процессе является анодом. При прохождении тока на аноде выделяется кислород и образуется утолщенная окисная пленка. Химическое оксидирование менее эффективно. Оно позволяет создать пленку толщиной до 0,003 мм. Оксидирование производится в водном растворе хромового ангидрида и фторсиликата натрия при 13—25°С либо же в растворе кальцинированной соды, хромовокислого натрия и едкого натра при 80—100°С. Химическое оксидирование готовых конструкций может осуществляться натиранием поверхности металла при нормальной температуре. Для повышения коррозионной стойкости алюминиевых сплавов применяют лакокрасочные покрытия. В качестве грунтов рекомендуются грунты ВЛ-02, ФЛ-03ж, а также цинково-хроматные грунты АЛГ-1 и АЛГ-5. Не разрешается применять грунты, содержащие окись свинца. В качестве красок можно использовать цинковые белила и краски на синтетических смолах. Чтобы предотвратить контактную коррозию, между алюминиевыми сплавами и сталью помещают изолирующие прокладки из резины, пластмасс, тиоколовой ленты и других материалов. Стальные детали соединений предварительно оцинковывают или фосфатируют. При клепке разнородных металлов материал заклепок должен быть идентичен материалу накрывающей детали со стороны действия агрессивной среды. 6. Свойства и применение деформируемых алюминиевых сплавов Деформируемые алюминиевые сплавы можно разделить на сваривающиеся и несваривающиеся. Конструкции из сваривающихся сплавов изготовляют при помощи дуговой и контактной сварки; из несваривающихся — при помощи клепки (иногда допускается применять для этих сплавов точечную контактную сварку). Сварка алюминиевых сплавов производится плавящимися или неплавящимися электродами в среде инертных газов — аргона или гелия. К сваривающимся сплавам относятся технический алюминий, сплавы АМц, АМг2, АМгЗ, АМг5, АМг6, АМг61. Сплав Д16 — несваривающийся. Алюминиевые сплавы, применяемые для изготовления корпусных конструкций, обладают удовлетворительной технологичностью. Они допускают правку и гибку в холодном и нагретом состоянии. Режутся механическим путем и с помощью газоэлектрической резки. Некоторые сплавы допускают холодную штамповку и глубокую вытяжку. При выполнении ряда технологических операций полуфабрикаты из алюминиевых сплавов подвергаются температурным и другим видам воздействий, оказывающим влияние на механические свойства сплавов. Влияние температур на свойства алюминиевых сплавов можно наблюдать по данным испытаний на растяжение и ударную вязкость для сплавов АМг3 и АМг5 (рис. 1, а и б). Из рисунка 1 видно, что с повышением температуры снижаются прочностные и повышаются характеристики пластичности. Для сплава АМг3 заметное изменение свойств начинается при температурах около 150°С, а для сплава АМг5 —около 100°С. Рис. 1. Зависимость механических свойств алюминиевых сплавов от температуры: а – сплав АМг3, б – сплав АМг5 Длительная работа всех алюминиевых сплавов допускается при температурах не выше 80—100°С. Только сплав АМг3 может быть использован при температурах до 150°С. Ударная вязкость сплава с повышением температуры изменяется так же, как другие показатели прочности. Рис. 2. Зависимость ударной вязкости от температуры: а – сплав АМг3, б – сплав АМг5 Механические свойства сплавов при отрицательных температурах повышаются незначительно. Это видно из данных испытаний на ударную вязкость (рис.2) и растяжение (табл. 6). Работа конструкций из алюминиевых сплавов на морозе не сопровождается опасностью повреждений, встречающихся у конструкций из стали, так как алюминиевые сплавы не обладают хладноломкостью и склонностью к хрупким разрушениям. Однако воздействие высоких температур более опасно для конструкций из алюминиевых сплавов, нежели из стали, с точки зрения снижения прочностных характеристик и в пожарном отношении. Низкая температура плавления алюминиевых сплавов длительно являлась препятствием применению алюминиевых сплавов на судах, в частности на танкерах. Долгое время существовало мнение, что алюминиевые сплавы при воздействии открытого огня не только плавятся, но горят и поддерживают горение. Испытания на огнестойкость опытных отсеков не подтвердили этого мнения. Под воздействием огня алюминиевые сплавы лишь оплавляются. При надежной изоляции и обеспечении необходимых противопожарных мер стойкость конструкций может быть значительно повышена. Таблица 6. Влияние температуры на механические свойства сплавов АМг3 и АМг5 Марка сплава t, °С σв, кгс/мм2 σт, кгс/мм2 δ10, % АМгЗ +20 —50 —74 — 193 23,4 22,6 22,9 33,3 9,7 9,5 9,5 10,1 21,9 25,6 29,0 43,0 АМг5 + 20 —50 — 100 —193 31,5 30,2 31,2 42,0 15,1 14,2 14,9 16,9 27,3 30,9 35,0 41,6 Существенным достоинством алюминиевых сплавов является меньшая, чем у стали, чувствительность к надрезам и концентрации напряжений при отрицательных температурах. К недостаткам алюминиевых сплавов относится повышенная по сравнению со сталью способность деформироваться при сварке. Основная причина этого — высокий коэффициент линейного расширения, примерно в два раза больший, чем у стали. Практическим неудобством является то, что при нагреве алюминиевые сплавы не меняют цвета (нет цветов побежалости), вследствие чего легко допустить прожоги во время сварки и правки конструкций местными нагревами газовой горелкой. Ввиду низкого модуля нормальной упругости, равного примерно 0,7-106 кгс/см2, применяют специальные меры для обеспечения жесткости, а также общей и местной устойчивости элементов корпусных конструкций. В частности, при проектировании прибегают к увеличению толщин связей или же к специальному конструированию сечения с целью повышения его момента сопротивления. В то же время низкий модуль нормальной упругости благоприятствует изготовлению конструкций из разнородных металлов. Например, более низкий модуль нормальной упругости уменьшает влияние надстройки из алюминиевых сплавов на общий изгиб судна и снижает действующие в ней напряжения, обеспечивает меньшие напряжения в конструкциях, по сравнению со стальными, при одних и тех же температурных условиях. Необходимо отметить еще одно положительное свойство, а именно: отсутствие искр при ударе и трении алюминиевых сплавов. В случае же удара стали о сталь возникают искры, которые могут привести к взрыву в помещении с воспламеняющимися веществами и их парами. Указанная особенность позволяет применять алюминиевые сплавы для изготовления конструкций, находящихся во взрывоопасных помещениях. При ударе и трении алюминиевых сплавов о ржавые стальные конструкции могут возникнуть искры, способные воспламенить взрывоопасные смеси. Наиболее предпочтительные области использования алюминиевых сплавов в судостроении. Сплав АМц обладает высокими пластическими свойствами, он может использоваться для изготовления судовых деталей штамповкой и гибкой — вытяжкой. Из него могут быть выполнены сварные конструкции, не рассчитываемые на прочность: различного рода зашивки, резервуары для хранения масел и топлива, межкаютные легкие выгородки, дымовые трубы и декоративные конструкции. Сплав АМг2 используется для деталей и сварных конструкций морских судов, изготовляемых из проката, и прессованных изделий, не рассчитываемых на прочность. Это самый дешевый из алюминиево-магниевых сплавов. Его рекомендуется применять для изготовления вентиляционных труб, легких межкаютных выгородок, декоративных зашивок и штампуемых изделий. Из сплава АМгЗ изготовляют детали и сварные конструкции морских судов, работающие при температуре до 150°С: радиаторы парового отопления, подогреватели, трубопроводы для топлива и масла, кожухи дымовых труб, трубы вентиляции, дельные вещи. Сплаы АМг5 и АМг61 применяют для изготовления прочных сварных конструкции морских судов (корпуса судов, надстройки, мачты, спасательные шлюпки) и дельные вещи. Сплавы АМг6 и АК4 применяют для изготовления судовых поковок. Сплав Д16 применяют для изготовления конструкции, не соприкасающиеся с морской атмосферой и водой, работающие при обычных температурах и в сухих помещениях, а также корпуса клепаных речных катеров, рифленые настилы полов и дельные вещи. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Широко применяются в машиностроении, особенно в самолетостроении, так как обладают малым удельным весом при достаточно высоких механических свойствах. К ним относятся сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем, кремнием и железом. Дюралюмины. Дюралюминиями называют сплавы на основе алюминия – меди и магния, в которые для повышения коррозионной стойкости дополнительно вводят марганец. Дюралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закалённом и состаренном состояниях и плохо – в отожжённом состоянии, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Маркируются дюралюминий буквой Д, при этом цифра, следующая за буквой, указывает условный порядковый номер сплава. Чем выше номер сплава, тем выше его прочность. Дюралюмины имеют следующий состав: 3 - 5% меди, 0,5 - 1,8% магния, 0,3 - 0,8% марганца, 0,5 - 1,8% кремния, до 0,1% железа. Наиболее распространёнными являются сплавы Д18, содержащий 2,2 – 3,0% меди и 0,2 – 0,5% магния, и Д16, содержащий 3,8 – 4,65% меди, 1,2 – 1,85% магния и 0,3 – 0,95% марганца. Из сплава Д16 изготовляют конструкции, не соприкасающиеся с морской атмосферой и водой, работающие при обычных температурах и в сухих помещениях, а также корпуса клепаных речных катеров, рифленые настилы полов и дельные вещи. Вредной примесью для дюралюминиев является железо, так как оно образует нерастворимое соединение (Cu2AlFe), которое снижает эффект упрочнения при старении. Кроме того, присутствие железа снижает прочность и пластичность, поэтому его содержание не должно превышать 0,5 – 0,6%. Дюралюмины хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях, для его упрочнения применяют закалку в воде и естественное старение. Наибольшее упрочнение достигается в первые сутки после закалки и практически заканчиваются в течении пяти суток. Слитки дюралюминия можно подвергать гомогенизирующему отжигу при температуре 480 - 5000С в течении 8 – 24 часов и прокатывать в горячем состоянии при температуре 480 - 4000С. Для защиты листового дюралюминия от коррозии, которая даже при добавке марганца остаётся значительной, широко применяют его плакирование чистым алюминием. Плакирование проводят совместной горячей прокаткой слитка дюралюминия при температуре 4500С, обложенного с каждой стороны листами (толщиной до 6 мм, т.е 3 - 5% от толщины листа дюралюминия) чистого алюминия марок А8 и А85. В процессе прокатки листы прочно свариваются. За счёт диффузии образуется переходный слой промежуточного состава. Коррозионная стойкость плакированного дюралюминия практически такая же, как чистого алюминия. В настоящее время освоено производство труб с внутренней планировкой, срок службы судовых трубопроводов из таких труб значительно повышается. Химический состав, механические свойства и область применения некоторых дюралюминиевых сплавов марка сплава медь маг ний марга нец В , МПа , % НВ примерное назначение Д 1 3,8-4,8 0,4-0,8 0,4-0,8 420 18 100 Листы, трубы прутки, профили, различные детали и элементы конструкций средней прочности, штампованные узлы креплений, лопасти воздушных винтов, заклёпки Д16 3,8-4,9 1,2-1,8 0,3-0,9 460 17 105 То же, что и Д1, шпангоуты, обштвки, стрингера и лонжероны самолётов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузовы грузовых автомобилей Д18П 2,6 0,35 - 300 24 70 Заклёпки Буква П в конце марки сплава обозначает, что сплав предназначается только для изготовления заклёпочной проволоки. Авиаль (АВ). Эти сплавы уступают дюралюминию по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием (после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллитной коррозии. Его применяют для изготовления лёгких конструкций, требующих гибки и других деформаций при монтаже. Авиаль закаливают с 515 - 5250С с охлаждением в воде, затем подвергают естественному (АВТ) или искусственному (АВТ1) при температуре 1600С старению. Искусственное старение надо выполнять сразу после закалки. При увеличении перерыва между временем закалки и началом искусственного старения прочность сплава после старения уменьшается. Из сплавов АВ изготавливают различные полуфабрикаты (листы, трубы, используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки), кроме того, лопасти винтов вертолётов, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях. Высокопрочные сплавы. Прочность этих сплавов достигает 550 – 700 МПа, но при меньшей пластичности, чем у дюралюминия. Представителем высокопрочных алюминиевых сплавов является сплав В95 и более прочный В96. При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозионная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома увеличивают коррозионную стойкость. Сплавы закаливают с 460 - 4700С (с охлаждением в холодной или горячей воде) и подвергают только искусственному старению при 135 - 1450С в течение 16 часов. По сравнению с дюралюминиями эти сплавы обладают большей чувствительностью к концентраторам напряжений и пониженной коррозионной стойкостью под напряжением. У них меньше предел выносливости и сопротивляемость повторным статистическим нагрузкам. Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Листы из сплава В95 плакируют сплавом алюминия с 0,9 – 1,3% цинка для повышения коррозионной стойкости. Сплав В95 хорошо обрабатывается резанием и сваривается контактной сваркой, его применяют в самолётостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при температуре более 100 - 1200С (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны, силовые каркасы строительных сооружений). Сплав В96 используют для изготовления прессованных и кованых изделий. Он рекомендуется для сжатых зон конструкции, для деталей без концентраторов напряжений. Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки. По химическому составу эти сплавы очень близки к дюралюминиям, их применяют для изготовления поршней авиационных двигателей, лопастей винтов, крыльчаток насосов. Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии (подмоторные рамы, фитинги, крепёжные детали, крыльчатки). Сплав АК8 используют для тяжело нагруженных штампованных деталей (подмоторные рамы, стыковые узлы, пояса лонжеронов, лопасти винтов вертолёта). Сплав АК8 менее технологичен, чем АК6. Эти сплавы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой. Сплавы склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии. Ковку и штамповку сплавов проводят при температуре 450 - 4750С. Их подвергают закалке при температуре 520 ± 50С (сплав АК6) или 505 ± 50С (сплав АК8) с охлаждением в воде и старению при температуре 150 - 1650С в течение 6 – 15 часов. Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используют для деталей, работающих при температурах до 3000С (поршни, головки цилиндров, крыльчатки, лопатки и диски осевых компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолётов). Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном. Высокая жаропрочность сплава Д20 достигается благодаря высокому содержанию меди, марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы. Кроме того, титан задерживает процесс рекристаллизации. Сплавы АК4-1 закаливают при температуре 530 ± 50С в холодной или горячей воде и подвергают старению при температуре 2000С. Химический состав (ГОСТ 4784 – 74) и механические свойства*некоторых деформируемых алюминиевых сплавов после закалки и старения марка сплава** содержание элементов, % механические свойства Cu Mg Mn Si другие элементы σ0,2, МПа σв, МПа δ, % Сплав авиаль АВ*** 0,1 - 0,5 0,45 - 0,9 0,15 -0,35 0,5 - 1,2 - 200 260 15 Высокопрочные алюминиевые сплавы В95 1,4 - 2,0 1,8 - 2,8 0,2 - 0,6 - 5-7 Zn 0,1-0,25 Cr 530 - 550 560 - 600 8 В96 2,2 - 2,8 2,5 - 3,2 0,2 - 0,5 - 7,6-8,6 Zn 0,1-0,25 Cr 630 670 7 Ковочные алюминиевые сплавы АК6 1,8 - 2,6 0,4 - 0,8 0,4 - 0,8 0,7 - 1,2 - 300 420 12 АК8 3,9 -4 ,8 0,4 - 1,0 0,4 - 1,0 0,6 - 1,2 - 380 480 10 Жаропрочные алюминиевые сплавы АК 4-1 1,9 - 2,5 1,4 - 1,8 - 0,35 0,8-1,4Fe 0,8-1,4 Ni 0,02-0,1 Ti 280 430 13 Д20 6 - 7 - 0,4 - 0,8 - 0,1-0,2 Ti ≤ 0,2 Zr 250 400 12 Примечание. *Механические свойства даны для прессованных прутков и профилей после закалки и старения. Листы имеют более низкие механические свойства. **Буква Д обозначает сплав типа дюралюмин, А – в начале марки технический алюминий (АД, АД1); АК – алюминиевый ковочный сплав. Нередко в начале марки ставится буква В – высокопрочный. После условного номера часто следуют обзначения, характеризующие состояние сплава: М – мягкий (отожжённый), Т – термически обработанный (закалка и естественное старение), Н – нагартованный, П – полунагартованный. Например, Д16М – дюралюминий отожжённый, Д16Н – дюралюминий закалённый, естественно состаренный и дополнительно нагартованный. ***Механические свойства после закалки и естественного старения. 7. Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов Производство полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов слагается из следующих основных процессов: отливки слитков — плоских для листового материала, круглых сплошных для профилей, панелей и прутков и круглых полых для изготовления труб; горячего деформирования — проката листовых заготовок, прессования круглых профильных и трубных заготовок, ковки и штамповки фасонных деталей. Плавка алюминиевых сплавов производится в электрических и пламенных печах. Расплавленный алюминиевый сплав методом полунепрерывного литья заливается в водоохлаждаемую металлическую форму, имеющую опускающийся поддон. При удалении из формы слиток интенсивно охлаждается водой. Таким методом отливаются плоские и круглые отливки. На следующем этапе слитки проходят гомогенизацию при температурах 450—470°С в течение 24—28ч с целью выравнивания химического состава и устранения дендритной ликвации. Плоские слитки, как правило, после гомогенизации подвергаются правке и разрезаются на слябы в холодном состоянии. Перед прокаткой и прессованием слябы и круглые заготовки обдираются с поверхности на токарных и фрезерных станках с целью удаления поверхностного загрязненного слоя. Горячая прокатка листов и плит осуществляется на прокатных станах при температурах 400—490°С, т. е. выше порога рекристаллизации. С целью устранения трещин и надрывов для некоторых сплавов применяется технологическое плакирование чистым алюминием. Горячей прокаткой изготовляют листы толщиной свыше 5 мм. Листы из алюминиевых сплавов толщиной более 10 мм принято называть плитами. Листы толщиной от 0,3 до 5 мм получают холодной прокаткой с последующей термической обработкой. Изготовление профилей, прутков, труб, панелей осуществляется методом прямого прессования. Сущность этого метода состоит в следующем: заготовку (круглую сплошную или полую), нагретую до 350—450°С, помещают в контейнер пресса (рис. 96). Со стороны выходной части контейнера устанавливается матрица с отверстием, соответствующим сечению прессуемого полуфабриката. В другой конец контейнера входит пуансон, который через пресс-шайбу передает давление поршня пресса слитку. В результате происходит выдавливание нагретого металла. Остаток металла — пресс-остаток — удаляется из контейнера. При изготовлении прессованных труб и полых профилей в пуансоне укрепляется игла по форме внутреннего отверстия профиля или трубы. Прессованием можно получить сплошные и полые изделия различной формы постоянного и переменного (периодические профили) сечения. Прессование открывает большие возможности для изготовления рациональных экономичных профилей, что намного сокращает трудоемкость обработки и сварки при изготовлении подобных изделий методами механической обработки. Примером могут служить монолитные изделия в виде плит с ребрами жесткости, называемые панелями. Существуют два способа производства панелей: первый предусматривает прессование ребристых труб с последующей их разверткой в плоскую панель шириной до 1500—1700 мм, второй — прессование плоской панели с ребрами. Некоторые виды прессованных изделий, применяемых в судостроении, показаны на рис. 97. Изготовление рабочего инструмента (матриц) для прессования несложное, поэтому удается в короткие сроки получить от промышленности профили требуемой конфигурации. На металлургических заводах накоплен большой парк рабочих инструментов, позволяющих изготовлять десятки тысяч профилей. Использование прессованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов помимо снижения трудоемкости дает возможность изготовлять высокоэстетичные изделия для оборудования судовых помещений. Прессованным изделиям можно придать оксидированием любой цвет, что устраняет необходимость дополнительной окраски. 8. Сортамент катанных и прессованных полуфабрикатов За последнее время применение алюминиевых сплавов возросло более чем в 30 раз. Наибольшее распространение получили алюминиево-магниевые сплавы, которые в общем объеме применения сплавов составляют 64%. Вместе с тем, не смотря на значительные темпы внедрения алюминиевых сплавов, уровень их использования на морских судах еще невелик. Отношение веса алюминиевых сплавов к стальным составляет от 2 до 8%. Широкому внедрению алюминиевых сплавов препятствует их высокая стоимость, в 6 — 8 раз превышающая стоимость проката из углеродистых и низколегированных сталей. Для судостроительной промышленности прокатно-прессованные изделия из алюминиевых сплавов рекомендуется выбирать из отраслевого каталога, в котором указаны рациональные виды и размеры полуфабрикатов. В табл. 7 приведен сортамент листов и плит. Толщины листов и плит из алюминиевых сплавов совпадают с толщинами стальных листов. Листы толщиной от 0,5 до 1,5 мм рекомендуется использовать для изготовления деталей крепления, деталей машиностроительной части проекта судна и для зашивки изоляции. Для этих толщин приняты две ширины (1,2 и 1,5 м) и три длины листов. Таблица 7. Сортамент листов и плит Толщина, мм Длина (м) при ширине, мм 1200 1500 2000 0,5; 0,6; 0,8 2 - - 1,0; 1,5 2,3,4 3,4 - 2,0; 2,5 2,3,4 3,4,6 - 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 14; 16; 18; 20 3,4 3,4,6 6 22; 25; 28; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 70; 80 - 4 Листы толщиной более 2 мм используются для обшивки корпусов судов, палуб, гофрированных переборок и других листовых корпусных конструкций. На этих толщинах, наряду с листами малых размеров, приняты листы размером 2000х6000 мм. Однако их применение следует ограничить, учитывая необходимость приплат за габариты по сравнению с листами шириной 1500 мм. Известно, что увеличение размеров листов приводит к снижению стоимости их обработки, сборки и сварки из них полотен. Например, изготовление полотен из листов размерами 1200х3000 мм вдвое дороже, чем из листов 2000x6000 мм. В то же время при увеличении размеров листов свыше 1500х4000 мм возрастает размер приплат за габариты. Изменение текущих затрат, т. е. затрат на обработку, сборку и сварку с учетом стоимости листов различных габаритов, показано на рис. 3. Листы шириной свыше 1500 мм и длиной более 4000 мм экономически нецелесообразны, так как текущие затраты увеличиваются на 30—40% по сравнению с затратами на листы меньших габаритов. Исходя из этого, сортамент листов из алюминиевых сплавов для судостроения ориентирован на применение листов, размеры которых не превышают 1500хХ4000 мм. Все судостроительные профили можно условно разделить на профили общего назначения (полособульбовые, угольники, тавровые балки, трубы, прутки, полосы) и специальные. Рис. 3. Зависимость текущих затрат З от размера листа. p = ℓ + b – полупериметр, м; b – ширина листа, ℓ - длина листа. К профилям специального назначения относятся: корпусные (профили для форштевня, стрингеров, клиновидные листы, листы крыловидного профиля); для устройств и дельных вещей (профили для отделки перил трапов, для козырьков над иллюминаторами, оконные, профили для петель, обрамления ступенек трапов); для оборудования и отделки помещений (различной формы раскладки, отделочные профили); мебельные — для изготовления судовой металлической мебели и коек. Форма некоторых профилей специального назначения показана на рис. 97. Перспективным и прогрессивным видом специальных профилей являются прессованные панели. Надежность конструкций, изготовленных из панелей, повышается ввиду сокращения протяженности сварных швов. Расчеты показывают, что с переходом на прессованные панели протяженность сварных швов уменьшается на 120—150 м на одну тонну конструкции. Кроме того, улучшается внешний вид и качество конструкции: снижается стоимость изготовления вследствие исключения затрат на обработку деталей и приварку ребер. Переход на цельнопрессованные панели вместо сварных позволяет снизить стоимость одной тонны конструкций из алюминиевых сплавов. Помимо панелей, используемых в судостроении, в производство внедряются панели четырех новых видов. Ребра жесткости этих панелей представляют симметричные полособульбы высотой 100, 120, 140 и 160 мм. Расстояние между ребрами у всех панелей — 500 мм. Толщина листа — 6, 8, 10 и 12 мм. Эти панели найдут применение для корпусных конструкций средних и крупных морских судов. С увеличением объема применения цельнопрессованных панелей в судостроении стоимость панелей будет не намного превышать стоимость прессованных профилей. Тема 3.2 Литейные алюминиевые сплавы Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовления фасонных отливок при помощи литья в землю или металлические формы. Эти сплавы должны обладать хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, достаточно высокой прочностью и хорошей обрабатываемостью резанием. В судостроении из литейных алюминиевых сплавов изготавливают детали оборудования, дельные вещи, арматуру, детали механизмов и двигателей. Литейные алюминиевые сплавы для фасонного литья используются при изготовлении деталей оборудования, дельных вещей; арматуры, деталей механизмов и электрооборудования. В зависимости от характера легирующих присадок они делятся на алюминиево-кремнистыесплавы (силумины), алюминиево-магниевые (магналии), алюминиево-меднистые и др. Химический состав и механические свойства литейных сплавов, применяемых в судостроении, приведены в таблице. Химический состав {% ) и механические свойства литейных сплавов Марка сплава Si Mg Мn σв,кгс/мм2 σ0,2кгс/мм2 δ5,% АЛ2 АЛ4В после закалки АЛ9 АЛ8 АЛ13 АЛ28 10—13 8—11 6—8 - 0,8—1,3 - - 0,2—0,4 0,2—0,4 9,5—11 4,5—5,5 4,8—6,5 - 0,2—0,5 - - 0,1—0,4 0,4—1,0 15—16 24—25 15—21 35 15 15—20 8 20 11—15 19 9 12 4 0,4 2-4 15 1,0 3,5—5,0 Свойства силуминов и других алюминиевых сплавов находятся в большой зависимости от материала формы, в которой выполняется отливка, и последующей термической обработки отливки. Наибольшее распространение в судостроении получили литейные сплавы, имеющие в своем составе магний (магналий). Алюминиево-магниевые сплавы, содержащие не более 6% магния, не упрочняются термически, а содержащие 10—11 %,—упрочняются. Если детали, выполненные из литейных алюминиевых сплавов, работают в условиях морской атмосферы и повышенной влажности, то они должны подвергаться анодному оксидированию, грунтовке и окраске. Силумины. К ним относятся сплавы с высоким содержанием кремния (от 4 до 13%), которые имеют лучшие литейные свойства. Для повышения прочности в некоторые силумины вводят медь, магний, марганец и другие элементы. Маркируются буквами АЛ, что значит алюминиевый литейный сплав, при этом цифра, следующая за буквами, указывает условный порядковый номер сплава. Силуминам присуща хорошая жидкотекучесть, небольшая усадка, возможность получения мелкокристаллической структуры путем модифицирования, небольшая склонность к окислению и равномерность механических свойств в сечениях отливки. Недостатки силуминов — низкая пластичность, низкая коррозионная стойкость в морской воде и плохое сопротивление ударным нагрузкам. Для улучшения механических свойств силуминов проводят модифицирование. Перед разливкой по формам на поверхность жидкого сплава насыпают хорошо просушенный модификатор – смесь солей фтористого и хлористого натрия. Модификатор затрудняет кристаллизацию кремния и его кристаллики получаются значительно мельче, а в структуре появляются дендриты алюминия, которых не было раньше. Модифицированный силумин на 30 – 40% прочнее немодифицированного и пластичнее его в 2 – 3 раза. Отливки для нагруженных деталей авиационных двигателей изготавливают из сплавов АЛ4 и АЛ5. Пределы прочности этих сплавов после литья в землю и термической обработки достигают 260 и 240 МПа при удлинении 18 – 20%. Литые детали из алюминиевых сплавов, предназначенные для работы при температурах до 250 - 3000С, изготавливают из жаропрочного сплава АЛ1. Из него делают головки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, поршни. В этот сплав входит 4% меди, 2% никеля, 1,5% магния, предел прочности при комнатной температуре составляет 300 МПа. Сплав АЛ2 применим для изготовления деталей, не соприкасающихся с морской водой, не испытывающих ударных нагрузок (крышки подшипников, контейнеры, рукоятки). Он сваривается газовой и аргоно-дуговой сваркой; АЛ 4 (Al - Si - Mg –Mn) – содержит 8 - 10,5% кремния, обладает хорошими механическими свойствами, удовлетворительной свариваемостью и коррозионной стойкостью. Сплав склонен к мелкой газовой пористости и имеет низкую теплоустойчивость при температуре 3000С. Для средних и крупных деталей применяется закалка и старение при температуре 1800С. Используется в речном судостроении для деталей, не испытывающих ударных нагрузок. AЛ 9 – содержит 6 – 8% кремния, имеет низкие механические свойства, прочность выше, чем у AЛ 2, применяется в следствии лучшей свариваемости. Позволяет изготовлять детали сложной конфигурации (корпуса электродвигателей, корпуса водяных насосов), не испытывающие ударной нагрузки и не соприкасающиеся с морской водой. Сплав удовлетворительно сваривается. Магналии. Сплавы на основе алюминия с магнием, которые содержат от 4,5 до 11% магния (АЛ8, АЛ12, АЛ13, АЛ22), имеют наименьшую плотность из всех алюминиевых литейных сплавов, высокую прочность, пластичность и достаточную коррозионную стойкость. Литейные свойства этих сплавов ниже, чем у силуминов. Однако они получили наибольшее распространение в судостроении, сплавы, имеющие в своем составе не более 6% магния, не упрочняются термически, а содержащие 10 —11 % магния — упрочняются. AЛ8 и AЛ13 – обладают высокой коррозионной стойкостью, но низкими литейными свойствами. AЛ8 (АЛ8У) - упрочняется термической обработкой, применяется для высоконагруженных деталей. В термообработанном состоянии используется для изготовления деталей, работающих в пресной воде при температурах до 75° и не имеющих в сечениях резких переходов; допускает ударные нагрузки. Толщина стенок отливок из него должна быть не более 15—20 мм. При больших толщинах сплав имеет склонность к образованию горячих трещин. AЛ13 - не упрочняется термической обработкой, применяется там, где требуется наиболее высокая коррозионная стойкость. Сплавы алюминия с медью. Эти сплавы содержат не более 15% меди (АЛ7, АЛ19), после термической обработки приобретают высокие механические свойства, но имеют довольно низкие литейные свойства. AЛ7 - содержит не более 5, 65% меди, хорошо сваривается и обрабатывается резанием, коррозионная стойкость невысока, имеет высокие механические и невысокие литейные свойства. Применяется для мелких отливок несложной формы работающих под большим давлением. Для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (поршни двигателей внутреннего сгорания), в речном судостроении и при судоремонте используют алюминиево-меднистый — кремниево-магниевый вторичный сплав. АЛ 10В (Si— 4 - 6%; Сu — 5,0 - 8%; Мg — 0,2 - 0,5%). AЛ19 - содержит более 5, 65% меди, механические свойства выше всех алюминиевых сплавов, может работать при температуре 175 - 3000С. Применяется для отливок простой формы. Жаропрочные литейные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температурах 275 - 3000С. Отливки применяют после закалки и кратковременного старения при температуре 1750С (Т5); поршни подвергают закалке и старению при температуре 2900С (Т7). Дополнительное легирование сплава АЛ1 кремнием (1,5 – 2%) улучшает литейные свойства (сплав АЛ20). Для увеличения жаропрочности и измельчения структуры в сплав АЛ20 добавляют до 1,7% железа, титан, хром и марганец. Для стабилизации размеров и снятия внутренних напряжений сплав подвергают отжигу при температуре 3000С (Т2). Для достижения максимальной жаропрочности отливки закаливают и подвергают старению при температуре 2300С в течение 10 часов (Т7). Такую обработку применяют к деталям, длительно работающим при температуре 250 - 2700С. Для крупногабаритных деталей, работающих при температуре 300 - 3500С, применяют сплав АЛ21. Отливки сложной формы из сплава подвергают отжигу при температуре 3000С. Для получения более высоких механических свойств отливки закаливают с 5250С в горячей воде и подвергают стабилизирующему отпуску при температуре 3000С (Т7). AЛ32 (МТВУ - 1) – содержит Al – Si – Mg – Cu – Mn – Ti, обладает хорошими литейными свойствами и коррозионной стойкостью, обрабатываются резанием, сваривается. Упрочняется старением без предварительной закалки. Специальные алюминиевые сплавы. Алюминиевые подшипниковые сплавы. Основными компонентами сплавов являются олово, медь, никель и кремний, образующие с алюминием гетерогенные структуры. Чем больше в сплаве олова, тем выше его антифрикционные свойства. Однако в литых сплавах содержание олова не должно превышать 10 – 12%, так как образующаяся грубая сетка оловянной составляющей снижает износостойкость и сопротивление усталости при повышении температуры. В деформированных сплавах оловянная составляющая располагается в виде отдельных включений внутри зёрен, это даёт возможность увеличить содержание олова и значительно улучшить антифрикционные свойства сплава. Сплавы АО 3-1 и АО 9-2 применяют для отливок монометаллических вкладышей и втулок толщиной более 10 мм. Сплавы АО 20-1 и АН-2,5 применяют для получения биметаллической ленты со сталью методом прокатки с последующей штамповкой вкладышей. Подшипники из сплава АН-2,5 можно изготавливать и литьём. Сплав АН- 2,5 содержит 2,7 – 3,4% никеля и является антифрикционным, к этой же группе относится и сплав Алькусин Д, содержащий 7,5 – 9,5% меди и 1,5 – 2,5% кремния. Мягкой основой в этих сплавах является твёрдый раствор алюминия с элементами, входящими в данный состав, а твёрдые включения – химические соединения, находящиеся в эвтектике с твёрдым раствором. Микроструктура сплава АН-2,5 состоит из Al(Ni) + эвт. [Al (Ni) + Ni Al3]; сплава Алькусин Д - Al(Cu, Si) + эвт. [Al(Cu, Si) + CuAl2]. Антифрикционные алюминиевые сплавы имеют высокую теплопроводность, что ценно для подшипников. Твёрдость алюминиевых сплавов выше, чем у баббитов, поэтому их можно применять только в паре с твёрдыми валами (азотированные шейки валов, поверхностно закалённые шейки валов). При работе в тяжело нагруженных скоростных подшипниках на рабочую поверхность сплавов АО3-1, АО9-2 и АН-2,5 наносят слой олова толщиной 0,02 – 0,03 мм или другого металла. Подшипники работают при нагрузке не более 200 – 300МПа и окружной скорости 15 – 20 м/с. Химический состав и механические свойства антифрикционных алюминиевых сплавов марка сплава содержание элементов, %* механические свойства ** Sn Cu Ni Si σв, МПа δ, % НВ АО 3-1 2 – 4 0,8 - 1,2 0,3 – 0,5 1,7 – 2,1 110 2 42 АО 9-2 8 – 10 2,0 – 2,5 0,8 – 1,2 0,3 – 0,7 150 4,5 55 АО20-1 17 – 23 0,7 – 1,2 - – 110 30 30 АН-2,5 – - 2,7 – 3,3 – 120 20 35 Примечание. *Алюминий остальное. **Механические свойства сплавов АО3-1, АО9-2 и АН-2,5 для литья в кокиль, а для сплавов АО20-1 после прокатки и отжига. Спечённые алюминиевые сплавы. Наиболее широко используют сплавы на основе Al – Al2О3, получившие название САП (спечённый алюминиевый порошок или пудра). Эти сплавы относятся к композиционным материалам. По сравнению с другими алюминиевыми сплавами материалы САП обладают высокой жаропрочностью при длительном нагреве до 5000С. Длительная прочность σ100 для сплавов САП1 и САП2 при данной температуре составляет 440 – 550 МПа. Спечённые алюминиевые сплавы САС применяют, когда путём литья и обработки давлением трудно получить соответствующие сплавы. Их применяют для деталей приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20 – 2000С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности. Тема 3.3 Титан и сплавы на его основе. Классификация, особенности и область применения. 1. Основные свойства титана Основными свойствами титана являются: - тугоплавкость, так как температура плавления 16650С; - лёгкий, так как плотность (ρ) составляет 4,5·103 кг/м3; - имеет две аллотропические модификации: ниже температуры 882,50С существует -титан, обладающий кристаллической решеткой ГПУ, при более высокой температуре, вплоть до температуры плавления, существует β – титан с кристаллической решеткой ОЦК; - технический титан имеет прочность 300-600 МПа и пластичность 20-30%. Чем больше примесей, тем выше прочность и ниже пластичность титана; - предел текучести составляет 380-500 МПа; - твёрдость 2070 НВ; - высокая удельная прочность не только при температуре 20-250С, но и в условиях глубокого холода; - высокая коррозионная стойкость. По коррозионной стойкости не уступает благородным металлам, коррозионностойким сталям и в ряде случаев превосходит их. В контакте со сталью и цветными металлами в среде морской воды он обычно является эффективным катодом и вызывает интенсивную коррозию этих металлов. - на поверхности титана легко образуется стойкая нерастворимая пассивная оксидная плёнка, повышающая сопротивление коррозии в пресной и морской воде, крепких растворах некоторых кислот (соляной, азотной, серной).. Титан устойчив против гидравлической эрозии, кавитационной коррозии и коррозии под напряжением; - хорошо сваривается аргонодуговой и точечной сваркой и в среде инертных газов. Однако при сварке нужно защищать инертными газами не только шов и место сварки, но и все участки, нагретые до температуры свыше 770К, для того чтобы исключить интенсивное поглощение титаном водорода и кислорода из воздуха. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Прочность шва составляет примерно 90% от прочности основного металла; - подвергаются всем видам механической и тепловой резки; - хорошо обрабатывается давлением; - обработка резанием затруднена. Титан налипает на инструмент и способствует его изнашиванию; - имеет удовлетворительные литейные свойства; - низкие антифрикционные свойства, поэтому при использовании их в узлах трения они подвергаются азотированию для повышения износостойкости; - обладает склонностью к ползучести даже при температуре 20-250С. Предел ползучести титана составляет примерно 60% от предела текучести; - имеет высокую химическую активность, начиная с температуры 50-700С активно поглощает водород, свыше 400-5000С – кислород, при 600-7000С – азот, окись углерода и углекислый газ. Вредными примесями являются азот, углерод, кислород и водород, которые снижают пластичность, ухудшают свариваемость, увеличивают твёрдость и прочность и снижают сопротивление коррозии: Кислород O2 – упрочняет титан, резко понижает его пластичность, коррозионную стойкость и свариваемость. При температуре выше 5000С титан вступает во взаимодействие с кислородом и на поверхности титана образуется твёрдый и хрупкий альфированный слой. Для защиты титана от окисления его легируют дополнительно бериллием в сотых долях %, который при высоких температурах окисляется первым и плотная окисленная пленка затрудняет диффузию газов в глубь титана. В чистых марках титана, предназначенного для сварных изделий ответственного назначения, содержится 0,04-0,05% O2; Азот N2 – упрочняет титан, резко понижает его пластичность. В промышленных марках титана содержится 0,02-0,06% N2; Углерод C – с повышением содержания углерода понижается коррозия стойкость и свариваемость. В промышленных марках титана содержится 0,03-0,06% С; Водород H2 – наиболее вредная примесь, которая приводит к водородной хрупкости (т.е. хладноломкости титана). Водородная хрупкость особенно сильно сказывается при низких температурах и высокой скорости деформирования. Особенно она опасна для сварных соединений, поэтому в деталях предназначенных для сварных конструкций содержание Н2 недолжно превышать 0,002 – 0,006%. В промышленности используется титан, имеющий в своем составе некоторое количество примесей (технический титан), и титановые сплавы, содержащие добавки других металлов, специально вводимые при выплавке для повышения механических свойств сплава. Основными преимуществами титана по сравнению с другими конструкционными материалами являются сравнительно малая плотность (4,5) и высокая механическая прочность (σв = 45 - 70 кгс/мм2— у технического титана и 80—100 кгс/ммг и более — у титановых сплавов). Титановые сплавы в 2—3 раза прочнее алюминиевых сплавов, и даже прочнее легированной стали некоторых марок. В связи с этим можно получить конструкции из титановых сплавов, которые при равной прочности будут примерно на 40% легче стальных. Отличительной особенностью титана и его сплавов является исключительно высокая коррозионная стойкость в морской воде, которая выше стойкости всех известных до сих пор технических металлов. Широкое внедрение титана и его сплавов в судостроении в настоящее время ограничено ввиду дефицитности и высокой стоимости (титан во много раз дороже низколегированной стали). В судостроении наиболее перспективно использование титана и титановых сплавов для плакирования стальных листов, изготовления гребных винтов, крыльевых устройств, труб, различных деталей судовой арматуры, судовых устройств, вспомогательных механизмов (насосов) и деталей аппаратуры, работающих в морской воде, влажной атмосфере, агрессивных и кавитирующих средах, а также для постройки корпусов некоторых типов судов. К основным недостаткам титана следует отнести хладноползучесть при комнатной температуре, высокую чувствительность к надрезам, вызывающим «охрупчивание» металла, воспламеняемость и взрывоопасность в дисперсном (особенно пылеобразном) состояниях. Указанные недостатки, и в первую очередь хладноползучесть, затрудняет применение технического титана для несущих корпусных конструкций. Титан высокой чистоты получается рафинированием от примесей йодидным методом (диссоциацией парообразного четырехйодистого титана при температуре 1300—1400°С) в вакууме. В йодидном титане содержится основных примесей: кислорода и азота менее 0,01% каждого, углерода менее 0,03%, железа менее 0,04%, магния менее 0,04%. Механические свойства при растяжении прокованных и отожженных в вакууме образцов из йодидного титана колеблются в пределах: σв = 25,0 - 32,0 кгс/мм2; σ0,2 = 10,0 - 18,0 кгс/мм2; δ5 = 40 - 50%; ψ = 60 - 75%. Титан высокой чистоты используется для научных целей и создания титановых сплавов. Титан – химически активный элемент, особенно бурно протекает реакция титана с кислородом, сопровождающаяся ярким свечением. В результате реакции образуются различные по составу окислы титана. Химическая активность титана настолько высока, что он может гореть даже в атмосфере азота. В связи с этим плавка титана производится только в вакуумных дуговых печах или в среде инертных газов — аргона, гелия. Тонкая стружка, образующаяся при механическом резании, в результате нагрева может самовозгораться, титановая пыль в воздухе взрывоопасна. 2. Технический титан Получение технического титана — сложный металлургический процесс, состоящий из двух основных этапов: изготовления металлического титана в виде губчатой массы (называемой иногда губчатым титаном либо титановой губкой) или порошка и последующей переплавки этой массы для придания титану компактного состояния в виде слитков или фасонных отливок. Существует несколько методов изготовления титановой губки и последующей ее переработки — переплавки. Исходным сырьем для получения титановой губки являются минералы: рутил (ТiО2) или ильменит (FеТiО3). Очищенная губка представляет исходный продукт, при переплавке которого получается технический титан. Отечественной промышленностью титановая губка выпускается различных марок (табл. 1). Таблица 1. Химический состав (%) и механические свойства при растяжении прокованной титановой губки Марка титана Fe Si C Cl O N σв, кгс/мм2, не более δ ψ НВ, кгс/мм2 не менее, % ТГ00 0,15 0,05 0,005 0,06 0,1 0,03 38 36 64 115 ТГ0 46 28 50 145 ТГ1 0,30 0,10 0,06 0,08 0,2 0,05 53 24 42 165 ТГ2 0,30 0,10 0,06 0,10 0,2 0,06 60 20 35 185 Переплавка губки осуществляется в электрических индукционных или дуговых печах, в нейтральной атмосфере или в вакууме. Если изготовляется фасонное литье, то плавку ведут обычно в индукционных печах, если титан получают в виде слитков, то губку переплавляют, как правило, в электродуговых печах. Из слитков обработкой давлением изготовляют полуфабрикаты: листы, трубы, профили, прутки, проволоку, ленты и др. В техническом титане содержится больше примесей, чем в чистом титане, и особенно углерода, кислорода, азота, железа, кремния и других, оказывающих сильное влияние на механические свойства металла (рис. 1 и 2). Рис. 1. Влияние кислорода и азота на мезанические Рис. 2. Влияние углерода на механические свойства титана. свойства титана. ------------ кислород, - - - - - - азот. Присутствие в титане 0,5% кислорода и 0,25% азота приводит почти к полной потере им пластичности. Водород практически не влияет на прочность и пластичность титана при статическом растяжении (рис. 3), но оказывает сильное отрицательное влияние на чувствительность металла к надрезу и длительному действию постоянной нагрузки, вызывая медленное старение и «охрупчивание» титана, а также снижая сопротивляемость ударным нагрузкам. Высокой вязкостью обладает титан при содержании водорода не более 0,001% (рис. 4). Рис. 3. Влияние водорода на мезанические Рис. 4. Влияние водорода на ударную вязкость свойства титана Однако получить титан такой высокой чистоты затруднительно. Поэтому обычно верхний предел содержания водорода строго нормируется: допускается не более 0,015% (0,010% для сварных конструкций). Таким образом кислород, азот, углерод и водород при содержании выше нормы являются вредными примесями в титане. Примеси железа и кремния оказывают положительное влияние на свойства технического титана и поэтому могут служить (особенно железо) полезными легирующими добавками в титановых сплавах. При обработке заготовок деформированием в холодном состоянии (наклеп) титан упрочняется и теряет пластичность (рис. 5). После обжатия в холодном состоянии до 50% временное сопротивление титана повышается почти в 1,5 раза и пластичность снижается более чем в два раза. Наклеп может быть снят отжигом при температуре 500—600°С. Рис. 5. Влияние наклёпа на мезанические Рис. 6. Длительная прочность отожжённого свойства технического титана листового титана Установлено, что технический титан, подвергающийся длительному воздействию нагрузки при комнатной температуре, имеет склонность к ползучести. Это явление наблюдается уже при напряжениях, равных 60% предела текучести; при нагрузке, составляющей около 90% предела текучести, образец разрушается в течение недели. Легирование существенно повышает сопротивление титана ползучести и длительную прочность. Так, сплав титана с 5% алюминия имеет предел длительной прочности при 20°С более 50 кгс/мм2. Изменение длительной прочности отожженного листового титана при различной температуре показано на рис. 6; влияние высоких температур на механические свойства титана при кратковременном испытании — на рис. 7. Из диаграммы на рис. 7 видно, что σв и σ0,2 титана с повышением температуры интенсивно понижаются. При температурах выше 450°С титан практически теряет свои упругие свойства и как конструкционный материал становится непригодным. Пластические свойства, наоборот, резко повышаются, начиная с температуры 450°С и выше. При температурах ниже 0°С прочность титана увеличивается так же, как у стали, а пластичность понижается. Однако в интервале температур 0—70°С снижение пластичности незначительное, а при —196°С — резкое. Таким образом, титан как конструкционный материал не теряет своих свойств в широком диапазоне низких температур. При знакопеременных (циклических) нагрузках технический титан изменяется, подобно стали. Предел его выносливости (усталости) при симметричном цикле выявляется обычно в случае 2- 106 циклов и составляет около 0,5σв. Излом имеет хорошо выраженные зоны разрушения: гладкую зону прогрессивного развития трещин и зону мгновенного разрушения, после исчерпания статической прочности образца, со структурой разрушения, наблюдаемой при кратковременных испытаниях на разрыв. Типичная диаграмма усталостной прочности гладких и надрезанных образцов титана ВТ1 приведена на рис. 8. Из диаграммы видно, что выточки и особенно острые надрезы резко снижают циклическую прочность титана. Рис. 7. Влияние температуры на мезанические свойства листового титана Обработка поверхности дробью существенно повышает предел выносливости, а шлифовка заметно снижает его. Однако при некоторых режимах отрицательное влияние шлифовки на усталостную прочность может быть исключено. В результате длительного нагрева образцов в атмосфере кислорода и азота на их поверхности появляется хрупкий слой и предел выносливости значительно снижается. Испытания показали, что титан марки ВТ1 обладает меньшей чувствительностью к надрезу при испытаниях на усталость, чем сталь. Коррозионные среды (морская вода, разбавленные кислоты) не оказывают отрицательного влияния на предел выносливости титана. С повышением температуры испытания образцов (от 20 до 350°С) усталостная прочность титана несколько снижается, тогда как у легированной стали такого снижения не наблюдается. Титан с нормальным количеством примесей (Н, О, N и С) обладает высокой динамической прочностью. Его ударная вязкость до стигает 16 кгс-м/см2. С увеличением содержания примесей, и особенно водорода, ударная вязкость титана уменьшается и становится менее 2 кгс-м/см2 (рис. 4). При минимальном содержании водорода (0,001%), с изменением температуры в пределах ±200°С, она остается постоянной и отвечает уровню при 20°С, т. е. металл ведет себя как нехладноломкий. По мере повышения содержания водорода (до 0,008%, 0,018%, 0,04%) и понижения температуры титан переходит в хладноломкое состояние; интервал критической хрупкости титана находится ниже 100°С. Примеси кислорода, углерода и азота при пониженных температурах также вызывают хладноломкость титана. Переход металла в область хладноломкости особенно интенсивно происходит при повышенном содержании кислорода (0,47% 02) и суммы кислорода и углерода (0,38% С+ 0,20% 02). 3. Титановые сплавы Титановые сплавы наиболее широко применяют для изготовления деталей, работающих при температурах 250 - 5500С, когда легкие алюминиевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности. Для повышения свойств титановые сплавы легируют марганцем, хромом, ванадием, молибденом, железом, алюминием, оловом и другими элементами. Марганец, хром, ванадий и молибден повышают жаропрочность сплавов. Железо увеличивает прочность сплавов, но снижает их пластичность. Алюминий повышают жаропрочность, увеличивает прочность и ослабляет вредное влияние водорода. Легирующие элементы, входящие в состав титановых сплавов влияют на температуру полиморфного превращения и делятся на  - стабилизаторы и  - стабилизаторы. К  - стабилизаторам относится алюминий, к  - стабилизаторам относится молибден, ванадий, хром, марганец, железо, никель. Элементы, не влияющие на температуру полиморфного превращения, называются нейтральными, к ним относятся олово и цирконий. По структуре в отожженном состоянии титановые сплавы подразделяют на пять групп: 1 группа.  - сплавы (ВТ1-0, ВТ5 и др.). Сплавы этой группы характеризуются однофазной структурой. Они не упрочняются термической обработкой. Повышение их прочности достигается холодной пластической деформацией. 2 группа. Псевдо -сплавы (ОТ4, ВТ4, ВТ18 и др.) Сплавы этой группы могут закаливаться с образованием титанового мартенсита , представляющего собой твердый раствор легирующих в  - титане элементов. Мартенсит в псевдо  - сплавах имеет малую степень пересыщения. Упрочнение сплава при этом незначительно. 3 группа.  +  сплавы (ВТ6, ВТ3-1, ВТ22 и др.) Сплавы этой группы подвергают упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки и старения. Конечными продуктами термической обработки являются дисперсные  и  - фазы, близкие к равновесному состоянию, образование которых вызывает дисперсионное упрочнение (твердение) сплава. 4 группа. Псевдо  - сплавы (ВТ15, ТС6 и др.) Сплавы этой группы при закалке фиксируют метастабильную  - фаза. При старении из  - фазы выделяется тонкодисперсная  - фаза, повышающая прочность и твердость сплава. 5 группа.  - сплавы (4201 и др.) Сплавы этой группы при всех температурах имеют структуру  - фазы. Термической обработкой такие сплавы не упрочняются. Большинство современных промышленных сплавов составляют сплавы титана  + , содержащие элементы, стабилизирующие как  -, так и  - фазы. К этой группе относятся сплавы систем: Ti - Мn; Ti - А1 – Мn; Ti - А1 - V; Ti - А1 - Fе; Ti - А1 - Сг; Ti - А1 - Мо. Упрочняющее влияние на -титан при сохранении достаточной пластичности оказывают алюминий, олово, цирконий. Поэтому наиболее распространенными сплавами со стабилизированной -фазой являются сплавы систем: Ti - А1; Ti - Sn; Ti - А1 - Sn; Ti - А1 - Zr. Сплавы со стабилизированной -фазой упрочняются дефицитными легирующими элементами (молибденом, ванадием, ниобием); при повышенных температурах эти сплавы склонны к хрупкости. Поэтому они не нашли широкого промышленного применения. Легирование обеспечивает получение материалов более высокой прочности по сравнению с техническим титаном при сохранении удовлетворительной пластичности и вязкости, а также повышает жаропрочность сплавов. Ударная вязкость сплавов титана по сравнению с другими характеристиками прочности более чувствительна к содержанию в металле кислорода, азота, углерода и особенно водорода. Наименее отрицательное влияние водород оказывает на сплавы, содержащие -стабилизирующие элементы. У этих сплавов содержание водорода допускается до 0,015%. Наиболее чувствительны к водородной хрупкости  + -сплавы и особенно сплавы, содержащие марганец. Длительная прочность и ударная вязкость этих сплавов при более чем 0,005% водорода резко ухудшается. Уменьшить содержание водорода в титане и его сплавах можно вакуумным отжигом при 700—950°С и 2—10-часовой выдержке в вакууме. Кроме того, отрицательное влияние водорода на ударную вязкость существенно ослабляют добавки алюминия (рис. 8). Влияние отдельных легирующих элементов на временное сопротивление и пластичность технического титана показано на рисунке 9. Из рисунка видно, что железо оказывает наибольшее упрочняющее влияние, а ванадий наименьшее. Одной из лучших добавок является хром. Рис. 8. Влияние водорода на ударную Рис. 9. Влияние легирующих элементов на прочность и вязкость сплава титан – алюминий. пластичность титана. 1 – технический титан; 2 – Ti + 3,4% Al; 3 - Ti + 6,7% Al. Однако он снижает пластичность сильнее, чем ванадий, но сильнее всех снижает пластичность железо. Большое влияние на прочность сплавов оказывают малые добавки углерода, кислорода и азота, по сравнению с ними даже железо является слабым упрочнителем. Добавки алюминия и олова в качестве легирующих элементов также оказывают существенное влияние на механические свойства титана (рис. 10). Рис. 10. Влияние алюминия и олова на временное сопротивление титановых сплавов. 1 – 4 – содержание олова соответственно 0, 1, 2 и 3%. Химический состав и механические свойства промышленных титановых сплавов приведены в таблице 1. Таблица 1. Марка сплава А1 Сг Мо Мn V Fе Si Примеси: C+ N2+O2 + H2 ВТЗ 4—6,2 2—3 - - - 0,8 0,4 0,36 ВТЗ-1 4—6,2 1,5—2,5 1—2,8 — — 0,8 0,4 0,36 ВТ4 4—5 — — 1—2 — 0,3 0,15 0,26 ОТ4 2—3,5 — — 1-2 — 0,4 0,15 0,31 ВТ5 4—5,5 — — — — 0,3 0,15 0,25 ВТ6 5—6,5 — — — 3,5-4,5 0,3 0,15 0,25 ВТ8 5,8-6,8 — 2,8—3,8 — — 0,4 0,35 0,36 Марка сплава σв,кгс/мм2 σт,ксг/мм2 δ, % Ψ, % КС, кгс·м/см2 Полуфабрикаты втз ВТЗ-1 ВТ4 ОТ4 95—115 95—120 80—90 70—85 85—105 85—110 70—80 55—65 10—16 10—16 15—22 15—40 25—40 25—40 20—30 25—55 3—6 3—6 - 3,5—6,5 Листы, прутки, полосы, поковки, штамповки и др. Листы, прутки, ВТ5 ВТ6 80—95 90—100 70—85 80—90 12—25 8—13 30—45 30—45 3—6 4—8 трубы, проволока, поковки и др. ВТ8 105—118 95—110 9—15 30—55 4—6 Поковки, штамповки Как видно из таблицы, все освоенные титановые сплавы в качестве основного легирующего компонента содержат А1. Установлено, что 1% А1 повышает временное сопротивление сплава на 5 кгс/мм2. Кроме того, алюминий обеспечивает повышенную жаропрочность сплава, более высокую длительную прочность, сопротивляемость ползучести и существенно ослабляет вредное влияние водорода. Добавки марганца и особенно хрома, ванадия и молибдена улучшают механические свойства сплавов при высоких температурах и повышают сопротивляемость их ползучести. Титановые сплавы, как и технический титан, являются нехладноломкими материалами. При температуре ниже 0°С они обладают удовлетворительной прочностью и вязкостью. Однако легирование и ухудшение качества исходной губки при понижении температуры сильно уменьшают вязкость сплава по сравнению с чистым титаном (рис. 11). Титановые сплавы (ВТ5 и -сплавы) подвергаются отжигу с по­следующим медленным охлаждением для стабилизации свойств и снятия внутренних напряжений после ковки, гибки и прокатки. Температура отжига в зависимости от состава сплава колеблется в пределах 550—840°С. В результате термической обработки указанные сплавы не изменяют механических свойств. Сплавы с  + -фазами (ВТ3, ВТ3-1, ОТ4, ВТ6, ВТ8) подвергаются для улучшения механических свойств термической обработке, состоящей из закалки в воде или масле с последующим старением. Прочность может повыситься на 15—30% при незначительном понижении пластичности. Температура нагрева при закалке равна 650—800°С, температура старения — 430—540°С. Рис. 11. Влияние температуры и содержания алюминия на ударную вязкость титана и титановой губки. 1 – чистый титан; 2 – титановая губка ТГ – 1 (1,2% Al); 3 - титановая губка ТГ – 2 (7% Al). Технический титан и титановые сплавы зарубежных марок по химическому составу и механическим свойствам почти не отличаются от отечественных титановых сплавов. Полуфабрикаты из титана и его сплавов поставляются в виде листового и сортового проката различных толщин и профилей, поковок, отливок в отожженном состоянии и с протравленной поверхностью. В судостроении титановые сплавы используют при изготовлении деталей и конструкций, работающих в морской воде, влажной атмосфере, агрессивных и кавитирующих средах (корпусов специальных судов, гребных винтов, труб и арматуры, насосов, некоторых судовых устройств, крыльевых устройств). Титан и его сплавы используют там, где главную роль играют высокая удельная прочность и хорошая сопротивляемость коррозии. Сплав ВТ5 – хорошо деформируется в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой коррозионной стойкостью, но склонен к водородной хрупкости. Дополнительное легирование сплава ВТ5 оловом (ВТ5-1) улучшает технологические и механические свойства. Сплав ВТ6 – обладает хорошими технологическими и механическими свойствами и упрочняется термической обработкой. Сплав ВТ8 – применяют в отожжённом и термически упрочнённом состояниях. Сплав хорошо деформируется в горячем состоянии и предназначен для деталей, работающих при 450 – 5000С. Сплав ВТ14 – применяют для тяжело нагруженных деталей, а так же деталей, длительное время работающих при 4000С или кратковременно при 5000С. Сплав упрочняется закалкой с 850 - 8800С в воде и последующим старением при 480 - 5000С в течение 12 – 16 часов. Полный отжиг проводят при 750 – 800, а неполный при 600 - 6500С. Сплавы типа ОТ4 – хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, свариваются всеми видами сварки, но склонны к водородной хрупкости. Наилучшее сочетание свойств достигается в  +  сплавах. Сплав ВТ5Л – применяют для фасонного литья, он обладает хорошими литейными и механическими свойствами. Литейные титановые сплавы легко взаимодействует с газами, т.е. чувствительны к загрязнению атмосферы газами при нагреве. 4. Технологические свойства титана и его сплавов Титан и его сплавы относятся к деформируемым материалам и поэтому подвергаются всем видам горячей обработки давлением (ковке, прокатке, штамповке, прессованию) и в холодном состоянии резанию, гибке и т. п. Они свариваются, поддаются тепловой резке и обладают удовлетворительными ли­тейными свойствами. Из титана и его сплавов горячим деформированием можно получить все виды проката, поковки, штамповки. Титановые сплавы имеют высокое сопротивление деформированию, и поэтому для их обработки давлением в холодном состоянии требуется мощное оборудование. При длительном воздействии высокой температуры в процессе ковки на поверхности изделий из титана и его сплавов образуется слой хрупких окислов — газонасыщенный слой. В связи с этим нагрев производится в вакууме, нейтральных средах, в крайнем случае в окислительных средах в интервале температур 800—1150°С. Газонасыщенный слой на поверхности металла образуется не только после горячей гибки, прокатки, но и после газовой резки. Этот слой во всех случаях обязательно удаляется химической или механической очисткой. Штамповка изделий из титана и его сплавов производится на том же оборудовании и при тех же режимах, что и ковка. Определяющим фактором качества штамповки по механическим свойствам является температура в конце деформирования металла, которая должна быть не ниже 750°С. Ручьи штампов необходимо смазывать смазкой на основе густых масел с добавкой графита и других компонентов во избежание налипания. Листовые и профильные заготовки из титана и его сплавов удовлетворительно подвергаются гибке в холодном состоянии на вальцах и гидравлических прессах. Минимальный радиус гибки для листов толщиной до 20 мм — 6—8 толщин листа; для листов толщиной более 20 мм — 8—12 толщин листа. В связи с тем, что в местах наибольшей вытяжки и сжатия металла образуются зоны наклепа, после гибки детали обязательно подвергают отжигу при 800—9000С и выдерживают их при этой температуре 1—2 ч. Листовые детали сложной кри­визны гнутся в горячем состоянии. Радиус гибки принимается не менее шести толщин для листов толщиной до 20 мм и не менее восьми толщин — для листов толщиной более 20 мм. Профильный материал подвергается горячей гибке в радиусе не менее десяти высот профиля. Все виды горячей гибки рекомендуется проводить при температуре не ниже 850°С. Титан и его сплавы обрабатываются всеми видами механического резания, а также тепловой резки листов любых толщин свыше 4 мм. Резание на станках должно производиться на малых скоростях, а зона реза — обильно смазываться маслом и охлаждаться водой или эмульсией для уменьшения нагрева инструмента. При газовой резке происходит обильное выделение окислов титана в парообразном и расплавленном виде. Поэтому требуются хорошая вентиляция и специальные приемники для сбора расплавленного шлака. Рис. 12. Пластичность сварнызх соединений титановых сплавов при изгибе поперёк (а) и вдоль (б) сварного шва. 1 – основной металл; 2 – сварной шов. Титан и его сплавы свариваются преимущественно в среде защитного газа аргона как плавящимся (автоматическая и полуавтоматическая сварка), так и неплавящимся электродом (ручная сварка). При сварке титановых сплавов, в отличие от сварки легких сплавов и сплавов на медной основе, должна обеспечиваться газовая защита не только сварочной ванны, но и всех прилегаю­щих к ней зон, нагретых свыше 550°С. Защита производится с целью исключения интенсивного газопоглощения. Эта технологическая операция получила название «поддув». Из титановых сплавов особенно хорошо свариваются однофазные α-сплавы, содержащие от 3 до 5% алюминия. Наиболее высокой пластичностью обладают сварные соединения при содержании в сплаве 3% А1 (рис. 12). Сварка некоторых двухфазных α + β-сплавов встречает ряд затруднений, так как под влиянием ее термического цикла в металле шва и в околошовной зоне возможно появление трещин. Кромки под сварку (после газовой резки) подвергаются механической обработке строганием или фрезерованием. Для удаления загрязнения перед сваркой они промываются растворителями и насухо протираются мягкой тканью (бязью). Плавку титана обычна производят в вакуумных электропечах. В расплавленном состоянии металл обладает достаточно высокой жидкотекучестью, обеспечивающей хорошее заполнение формы при изготовлении сложных и тонкостенных фасонных отливок. Такие отливки обычно заливаются в подготовленные по выплавляемым моделям формы, которые нагреваются перед заливкой до 250—300°С. Литейная усадка титана составляет около 1,5% при заливке в керамическую форму и 2,3% при заливке в медный кокиль. Несмотря на значительную усадку, титан в отличие от стали имеет очень малую склонность к образованию горячих трещин, пористости и других дефектов в процессе остывания, что позволяет получить плотные отливки высокого качества. Благодаря отмеченным положительным литейным свойствам титана показатели механической прочности отливок во всех их частях одинаковы и практически не уступают показателям титана, прошедшего горячую пластическую обработку. Готовые отливки подвергаются травлению и вакуумному отжигу, обеспечивающему удаление водорода, поглощаемого металлом при травлении. Раздел 4. Неметаллические конструкционные материалы Тема 4.1. Пластические массы. 6. Основные сведения и свойства Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, полученные на основе высокомолекулярных органических веществ — полимеров. Полимеры состоят из гигантских молекул — макромолекул, которые образуются в результате последовательного химического присоединения низкомолекулярных (простых) веществ — мономеров, которые построены на основе атомов углерода (поэтому пластмассы и относятся к классу органических веществ). Полимеры называют смолами или связующими веществами. Полимеры или синтетические смолы имеют вид аморфной смолообразной массы. Полимер входит в состав пластмасс в количестве 20 – 60% от её массы (иногда пластмасса состоит из одного полимера – полиэтилен, полистирол, полиамид, оргстекло – полиметилметакрилат) и придаёт пластмассам основные свойства. Характерной особенностью пластмасс является их способность при нагревании переходить в пластическое состояние и под давлением хорошо формоваться в изделия, сохраняя полученную форму. Сырьем для производства пластмасс служат продукты переработки дешевого естественного сырья: каменного угля, нефти, природных газов, т.е. полимеры изготавливают из отходящих газов нефтехимического или коксохимического производства. Производство пластмасс менее трудоемко и более экономично, чем производство металлов. При замене черных металлов пластмассами трудоемкость изготовления изделий снижается в 5 раз, а себестоимость — от 2 до 6 раз. Еще больший экономический эффект получается при замене пластмассами цветных металлов, например, детали из пластмасс в 10 раз дешевле бронзовых. Изделия из пластмасс отличаются высоким классом точности и шероховатости поверхности. Поэтому они не требуют дополнительной обработки (пластмассы хорошо обрабатываются резанием, изготавливают отливки, сваривают). Пластмассы применяются для корпусов судов, отдельных корпусных конструкций, деталей судовых устройств, систем и механизмов, отделки и оборудования судовых помещений; тепло-, звуко- и гидроизоляции, палубных и противокоррозионных покрытий, насалок для спуска судов и т.д. Широкое применение в судостроении обусловлено их ценными физико-механическими и химическими свойствами. Свойства пластмасс: 1. малый удельный вес (1,0 — 1,8 г/см3), т.е. они в 1,2 раза легче сплавов на основе магния, в 2 раза легче алюминиевых сплавов, в 5 — 6 раз легче черных металлов. 2. высокая коррозионная стойкость в различных агрессивных средах, например фторопласты, по химической стойкости превосходят золото и платину. 3. очень высокие электроизоляционные свойства, что дает возможность широко использовать их в электропромышленности, радиотехнике и телевидении. 4. высокие механические свойства. Многие из них по удельной прочности не уступают металлам и даже превосходят их. 5. высокие антифрикционные свойства, поэтому с успехом заменяют антифрикционные сплавы. Большинство типов пластмасс является композиционными материалами, которые состоят из нескольких компонентов, взятых в определённом соотношении. Кроме смол (связующих веществ) в их состав входят наполнители (армирующие материалы), пластификаторы, отвердители, стабилизаторы, пигменты, ингибиторы. Достоинства пластмасс, обуславливающие их широкое применение в судостроении: 1. экономия дефицитных металлических материалов. 2. повышает технико-экономические показатели при постройке судов. Недостатки пластмасс, ограничивающие их применение: 1. низкая теплостойкость, не превышающая 100 – 1200С, некоторые стеклопластики (кремнийорганические), фторопласты обладают теплостойкостью до 3500С. 2. склонны к термической деструкции (обугливаются, разлагаются и горят) при температуре 250 – 4500С. 3. склонны к хладноползучести при 200С, что препятствует применению их в нагруженных конструкциях. 4. склонны к старению в результате взаимодействия с кислородом воздуха, вызывающим окислительную деструкцию (нарушение структуры) полимера. Особенно интенсивно развиваются разрушения под влиянием ультрафиолетовых лучей и повышенной температуры. 5. токсичность – способность в процессе производства и при эксплуатации выделять в окружающую среду вредные для здоровья человека химические вещества. Это является серьёзным препятствием к использованию пластмасс в судостроении. 7. Состав пластмасс и их классификация По своему составу все пластические массы делятся на простые и сложные (композиционные). Простые пластмассы состоят из одного связующего вещества (смолы). К ним относятся полиэтилен, полистирол. Сложные пластмассы, кроме смолы, содержат еще наполнители, пластификаторы, смазывающие вещества, красители и другие добавки. К сложным пластмассам относятся фенопласты, аминопласты и др. Связующие вещества – составляют основу пластмасс, обеспечивает получение монолитного материала и определяет основные свойства пластмассы. По своему происхождению связующие смолы делятся на природные и искусственные. Природные смолы существуют непосредственно в природе (янтарь, копалы, шеллак) или получаются путем несложной переработки каменного угля, нефти и другого естественного сырья (асфальт, битум, пек). Искусственные смолы используются шире, их получают путем химического взаимодействия простых органических веществ (мономеров) в результате реакций полимеризации и поликонденсации. Полимеризация — это сложный химический процесс создания высокомолекулярного вещества (смолы), в котором участвует одно исходное низкомолекулярное вещество — мономер. При полимеризации молекулы мономера соединяются в одну большую макромолекулу. При этом химический состав исходных материалов и образовавшейся в результате реакции смолы остается одинаковым, так как побочных продуктов полимеризации не образуется. К полимеризационным смолам относятся поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен. Поликонденсация — сложный химический процесс, в котором при образовании смолы (полимера) взаимодействуют два или несколько исходных веществ. Поликонденсация происходит с выделением побочных низкомолекулярных продуктов (воды, аммиака, спирта), поэтому химический состав образовавшейся смолы не соответствует составу исходных веществ. Методом поликонденсации получают фенолоформальдегидные смолы (фенопласты), мочевинно- и меламиноформальдегидные смолы (аминопласты). Смолы и изготовленные на их основе пластмассы в зависимости от поведения при нагревании подразделяются на две основные группы: термопластичные и термореактивные. Термопластичные смолы при нагревании размягчаются, а при охлаждении вновь затвердевают. Готовые изделия, изготовленные на основе этих смол, можно подвергать повторному формованию. Большинство применяемых термопластичных пластмасс получено на основе полимеризационных смол. Термопластичные материалы применяют для изготовления изделий, работающих при низких температурах, к ним относятся полиэтилен, полиметилметакрилат, фторопласт, термопластичные полиэфиры, полиамиды, полиуретаны. Термореактивные смолы при нагревании вначале размягчаются, но при дальнейшем повышении температуры переходят в неплавкое, нерастворимое твёрдое состояние. Готовые изделия, изготовленные на основе этих смол, не поддаются повторной переработке. Термореактивные пластмассы получают на основе поликонденсационных смол. Термореактивные смолы (фенолформальдегидные, аминоформальдегидные, эпоксидные смолы и термореактивные полиэфиры) используют для приготовления клеев, лакокрасочных и пропиточных материалов, в качестве связующего при изготовлении слоистых пластиков и стеклопластиков. Наполнители придают пластмассам повышенную прочность, снижают их стоимость, уменьшают усадку пластмасс при прессовании из них изделий, т.е. придают пластмассам определённые физико – механические, теплофизические, технологические свойства и уменьшают расход дорогостоящих связующих элементов. В качестве наполнителей применяются вещества органического (древесная мука, хлопковые очесы, бумага) и минерального (слюда, кварц, асбест) происхождения. Органические наполнители (чаще целлюлоза) повышают прочность, сохраняют низкую плотность, но снижают теплостойкость и сопротивляемость воздействию влаги. Минеральные наполнители повышают прочность и теплостойкость, улучшают её диэлектрические свойства, но некоторые из них повышают плотность и хрупкость. Не зависимо от природы все наполнители не вступают в химическое взаимодействие со смолой. Наполнители по своему строению делятся на порошковые, волокнистые и листовые (слоистые). К порошковым наполнителям (наиболее распространённые) относятся древесная и кварцевая мука, песок, тальк, молотая слюда, графит, мел, целлюлоза. К волокнистым наполнителям относятся лен, очёсы хлопка, асбест, измельчённая ткань или бумага, стекловолокно, древесная стружка. Листовыми наполнителями являются хлопчатобумажная, стеклянная и асбестовая ткани, древесный шпон, бумаги, металлическая фольга. Пластмассы, в состав которых введены волокнистые наполнители, называются волокнитами, а с листовыми – слоистыми пластиками, они имеют более высокую прочность по сравнению с другими пластмассами. Особым типом наполнителей являются газы. При вспенивании смолы большую часть объёма заполняет воздух, после затвердевания пены получается газонаполненная пластмасса – пенопласт. Газонаполненные пластмассы имеют низкую объёмную массу и хорошие теплозащитные свойства. Пластификаторы — вещества, повышавшие пластичность, гибкость, текучесть и снижающие хрупкость пластмасс, а так же повышающие технологические и эксплуатационные свойства. Роль пластификаторов выполняют низкомолекулярные вещества, которые увеличивают расстояние между макромолекулами уменьшая силы межмолекулярного взаимодействия в полимере и облегчают его переход в пластичное состояние, повышают относительное удлинение и морозостойкость. Пластификаторы не вступают в химическое соединение с полимером. К ним относятся дибутилфталат, камфора, олеиновая кислота, трикрезилфосфат, глицерин. Отвердители — вещества, обеспечивающие переход полимера из жидкого в твёрдое неплавкое и нерастворимое состояние. К ним относятся и ускорители и инициаторы, добавляемые к полиэфирным смолам для отверждения их при комнатной температуре. Стабилизаторы — вещества, сохраняющие свойства пластмасс при переработке её в изделие и в процессе эксплуатации. Они предохраняют от старения под действием тепла и света. Пигменты (красители) придают пластмассам нужную окраску. Чаще применяю синтетические красители, не растворимые в воде или окислы металлов, они должны быть ярких тонов, не реагировать на изменение температуры, хорошо окрашивать материал и не вступать с ним в химическое взаимодействие, не выцветать. Из органических красителей применяют нигрозин, мумия, жёлтый пигмент, хризоидин, из минеральных – охру, окись цинка, двуокись титана, ультрамарин. Ингибиторы — вещества, замедляющие процесс отверждения смолы. В качестве ингибитора применяют гидрохинон. Смазывающие вещества (стеарин, воск, парафин) устраняют прилипание материала к горячим стенкам прессформ при изготовлении изделий. Соотношение основных компонентов пластмасс: связующая смола составляет от 20 до 60%, наполнитель — от 40 до 65%, смазывающие вещества — от 1 до 2%, краситель — от 1 до 1,5%, пластификаторы и другие добавки — менее 1 %. 8. Способы переработки пластмасс в изделия Одним из основных преимуществ пластмасс является возможность их переработки в изделия прогрессивными способами. Основными из которых являются: прессование (компрессионное и литьевое), литье под давлением и экструзия (формование выдавливанием), формование, каландрирование, напыление. Способ переработки оказывает существенное влияние на стоимость готового изделия. Компрессионное прессование — один из самых распространенных способов переработки пластмасс в изделия. Основным оборудованием являются гидравлические или механические прессы. Процесс прессования осуществляется в металлических прессформах, которые изготавливают из инструментальных легированных или углеродистых высококачественных сталей. Прессматериал (таблетки, зерна, порошок) загружается в рабочую полость раскрытой прессформы, в которой он разогревается и размягчается, переходя в пластическое состояние. Затем под давлением 5 – 40МПа прессматериал заполняет рельефы полости прессформы. В момент окончания формования пресс выключают и выдерживают прессуемую массу при определенном давлении и температуре. Во время выдержки происходит отвердевание прессматериала и окончательное оформление из него изделия. Готовые изделия из термореактивных материалов (фенолформальдегидные пресс-порошки, аминопласты, меламиноформальдегидные композиции) извлекаются (автоматически или вручную) из горячей пресс-формы, а изделия из термопластичных масс (производные целлюлозы, битумные пластики) — после охлаждения пресс-формы. Способ компрессионного прессования применяется главным образом для переработки термореактивных пластмасс. При переработке этим способом термопластичных материалов возникает необходимость в охлаждении пресс-формы и ее повторном разогреве, что значительно понижает производительность прессования. Поэтому для формования термопластичных материалов этот способ применяется редко. Литьевое прессование отличается от компрессионного тем, что прессматериал размягчается не в оформляющей полости пресс-формы, а в специальной загрузочной камере, соединенной с полостью пресс-формы литниковым каналом. Затем размягченный материал под действием давления нагнетается через литники в оформляющую полость пресс-формы, где и происходит формование изделия. Литье под давлением применяется главным образом для получения изделий из термопластичных масс. Оно осуществляется на специальных автоматических или полуавтоматических литьевых машинах. Исходный прессматериал в виде порошка или мелких зерен загружается в бункер, откуда автоматически в строго определенных дозах подается в специальный цилиндр. В цилиндре прессматериал нагревается до требуемой температуры, переходит в полужидкое состояние и под давлением поршня впрыскивается через сопло и литники машины в пресс-форму. В пресс-форме материал охлаждается, отвердевает и в виде готового изделия автоматически извлекается. Литье под давлением — высокопроизводительный и качественный способ изготовления изделий из пластмасс. Его применяют для переработки полиэтилена, капрона, полипропилена, полиформальдегида, полистирола, фторопласта. Современные литьевые машины производят 15—20 тыс. изделий за смену. Экструзия (формование выдавливанием) является частным случаем литья под давлением. Этот способ осуществляется на шнековых или поршневых машинах. Экструзия основана на выдавливании размягченного прессматериала из цилиндра машины через оформляющий мундштук, имеющий отверстие, соответствующее требуемому сечению изделия (экструзионную головку). При экструзии материал поступает в шнек непрерывно и выходит с другой стороны в виде готового профиля. Этим способом изготавливают плёнки, листы, трубы, ленты, синтетические волокна, изделия сложного профиля для декоративной отделки помещений, изоляцию для проводов и кабелей. Каландрирование это процесс переработки пластмасс на прессах (каландрах), при котором материал пропускают через систему нагретых горизонтальных валков с постепенно суживающимся зазором. В результате получают тонкую полимерную плёнку непрерывной длины. Этим способом перерабатывают термопластичные материалы, наносят тиснение не рисунок или узор. Формование способ выдавливания крупногабаритных изделий одинакового поперечного сечения, большой длины и небольшой толщины: стержни, полосы, пленки, трубы и т. д. Этим способом перерабатывают в изделия термопластические и термореактивные материалы. При горячем формовании нагретый до размягчения лист обжимают со всех сторон до придания ему конфигурации формы, а затем охлаждают. Таким образом перерабатывают винипласт, листовой полистирол, оргстекло (плексиглас). Холодным формованием изготовляют изделия из стеклопластика: на подготовленную технологическую оснастку наносят несколько слоёв стеклоткани, каждый слой пропитывают жидкой синтетической смолой, слои обжимают для уплотнения массы и удаления воздушных пузырей, выдерживают до отверждения. В результате получают изделие, повторяющее форму оснастки. Напыление это способ нанесения слоя пластмассы на поверхность конструкций или изделий. Термопластичные пластмассы (полиэтилен, полипропилен, полиамиды) в расплавленном состоянии напыляют пульверизатором на поверхность металла для защиты его от коррозии и придания красивого внешнего вида. С помощью специальных установок на корпусные конструкции напыляют тепло- и звукоизоляционные пенопласты (пенополиуретан, фенолоформальдегидные). Напылением изготавливают корпуса шлюпок и катеров, крышки люков, переборки и другие корпусные конструкции из стеклопластиков. Сварка используется для изготовления изделий из термопластичных материалов (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид). Сварка пластмасс подобна сварке металлов. В зону сварки вводят сварочный пруток и с помощью сварочного пистолета подают сжатый воздух, нагретый до 250 – 3000С. Сварочный пруток изготавливают из пластмассы, однотипной свариваемому материалу. Процесс сварки заключается в одновременном нагреве горячим воздухом сварочного прутка и основного материала в зоне шва. Расплавившаяся масса после остывания прочно соединяет свариваемые детали. Таким способом приваривают фланцы к винипластовым трубам, изготавливают вентили и другие фигурные изделия, сваривают винипластовые листы, поливинилхлоридный линолеум, полиэтиленовые плёнки, ёмкости из плёночных материалов. Некоторые пластмассы при сварке нагревают токами высокой частоты. 9. Термопластичные массы, широко применяемые в судостроении Термопластичные массы (термопласты) получают на основе термопластичных смол, к ним относятся: пластмассы на основе полимеризационных смол, пластмассы на основе эфиров целлюлозы и пластмассы на основе асфальтов, пеков и битумов. Обладая целым рядом положительных свойств, термопласты в то же время, как правило, имеют низкую теплостойкость. Полиэтилен — продукт полимеризации этилена. Он достаточно прочен, эластичен, обладает очень высокими электроизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью в морской воде и растворителях, имеет низкую паропроницаемость и водопоглощение. Нетоксичен, не имеет вкуса и запаха, безвреден для организма человека. В зависимости от способа производства получают полиэтилен высокого (ВД), среднего (СД) и низкого (НД) давления. Наиболее распространены полиэтилены НД и ВД. Полиэтилен НД более прочен и теплостоек, чем полиэтилен ВД, но плёнки из полиэтилена ВД благодаря их чистоте и высокой эластичности обладают непревзойдёнными изоляционными свойствами. Под влиянием атмосферных условий, воздействия внешних температур и длительного воздействия солнечных лучей полиэтилен стареет: приобретает хрупкость, теряет эластичность и прочность, ухудшает внешний вид. При нагреве полиэтилен легко плавиться, поэтому его перерабатывают литьём под давлением, экструзией, прессованием, напылением и сваркой. При этом в обозначение марки полиэтилена соответственно добавляют буквы Л, Э, П, Н, С, например, полиэтилен Л, полиэтилен П. Полиэтиленовые трубы лёгкие, коррозионностойкие, обладают малым сопротивлением движению жидкости и способны поглощать шумы, возникающие при её движении, морозостойки. При замерзании воды трубы не разрушаются, а лишь незначительно деформируются. Рис. 1. Влияние температуры на предел прочности и относительное удлинение полиэтилена 1,2 — предел прочности и относительное удлинение полиэтилена НД соответственно; 3, 4 — предел прочности и относительное удлинение полиэтилена ВД соответственно Полихлорвинил, или поливинилхлорид (ПХВ) — продукт полимеризации хлористого винила. Поливинилхлоридная смола представляет собой белый порошок. Пластмассы на основе поливинилхлорида могут быть и жесткими, и эла­стичными. Для придания эластичности смолу смешивают с пластификатором — дибутилфталатом. Пластифицированный поливинилхлорид называется пластикатом, а непластифицированный (жесткий) — винипластом. Пластикат представляет собой сложную пластмассу — пластифицированный полихлорвинил. Пластикат широко применяется для изготовления искусственной кожи, линолеума, пленок для гидрозащиты, шлангов, декоративно-отделочных профилей, изоляционной ленты, защитных оболочек электрических кабелей и проводов, химически стойких прокладочных или герметизирующих материалов. Винипласт характеризуется высокой прочностью, химической и коррозионной стойкостью к воздействию морской воды, многих концентрированных кислот, растворов щелочей, бензина, спирта, смазочных масел, промышленных газов до 60°С и электроизоляционными свойствами. Он не имеет запаха и не горит на открытом огне. Из винипласта изготовляют пленки, листы, трубы, прессованные изделия. Листовой винипласт выпускают трех марок: - непрозрачный (ВН), - прозрачный (ВП), - нетоксичный (ВНТ). Он идет на изготовление химической аппаратуры, труб, электроизоляторов. Из листового винипласта в горячем состоянии гибкой, штамповкой, пневматическим и вакуумным формованием получают крупногабаритные изделия — ванны, раковины, двери. Физическое состояние винипласта зависит от температуры окружающей среды. Изделия из винипласта хорошо свариваются и склеиваются. Прочность сварного соединения составляет 80— 90%, а клеевого — около 100% прочности основного материала. Фторопласт получается полимеризацией тетрафторэтилена (полимеры на основе производных этилена, в молекулах которых часть или все атомы водорода замещены атомами фтора). Он обладает исключительно высокой химической стойкостью (более высокой, чем у платины и золота), хорошими электроизоляционными и антифрикционными свойствами, высокими водо-, теплостойкостью и диэлектрическими свойствами, хорошей устойчивостью в условиях радиации. Они имеют невысокую твердость и склонны к хладнотекучести. К фторопластам относятся фторпроизводные этилена с различной степенью замещения в них водорода фтором: поливинилфторид, поливинилденфторид, политетрафторэтилен (тефлон, фторлон, фторопласт-4, который называют «королем» пластмасс, он нерастворим в обычных растворителях, может эксплуатироваться при температуре 350—400°С. Его пленки сохраняют гибкость при температуре ниже минус 100°С. Ряд изделий, тонкостенные трубки, сплошная изоляция проводов, трудно или невозможно изготовить из фторопласта-4. Для этих целей используют фторопласт-4Д), политрифторхлорэтилен (фторопласт-3, выпускаемый в виде мелкодисперсного рыхлого порошка из которого прессованием изготовляют плиты толщиной от 1 до 8 мм, а экструзией — шнуры и трубы, а так же приготовляют суспензии тонко размолотого полимера в органических растворителях, которые применяют для нанесения тонких пленок на металлы. Фторопласт-3 можно использовать при температуре не выше 70 °С). Из фторопласта изготавливают химически стойкие прокладочные, уплотнительные и антифрикционные детали, электроизоляционные материалы, антикоррозионные покрытия на металлы. Исключительно ценные свойства фторопластов открывают широкие перспективы их применения в судостроении. Полистирол образуется в результате полимеризации стирола в присутствии катализатора. Он является одним из самых распространенных полимеров. Его производство составляет более 10 % общего мирового производства пластмасс. По своим свойствам полистирол — жесткий и хрупкий материал. К его достоинствам относятся значительная химическая стойкость (устойчивостью к действию кислот и щелочей), высокие диэлектрические свойства, водостойкость, маслостойкость, Низкая плотность, способность легко перерабатываться в изделия. Полистирол отличается невысокой теплостойкостью (около 80°С), недостаточной ударостойкостью, склонностью к растрескиванию и старению. Стирол представляет собой исходный материал при получении более прочных и теплостойких пластмасс — ударопрочного полистирола и сополимеров стирола (МС, МСН, СНП, САМ), пено- и поропластов. Полистирол широко применяется для производства деталей электро- и радиоаппаратуры. Из него также изготавливают трубы, тару для минеральных кислот, корпусы приборов, предметы ширпотреба. Полиамиды — класс полимерных веществ, в основной цепи макромолекул которых содержится повторяющаяся амидная группа. Их получают в результате реакции поликонденсации в виде крошки цилиндрической или пластинчатой формы. Свойства полиамидов могут изменяться в зависимости от характера исходного сырья, режимов переработки и условий испытаний. При температуре 180—210°С смола легко переходит в жидкотекучее состояние и хорошо заполняет форму. К основным достоинствам полиамидов относятся устойчивость к истиранию, низкий коэффициент трения, высокие механические свойства, стойкость к воздействию масел, бензина и керосина, возможность переработки различными способами. Детали из полиамидов выдерживают нагрузки, близкие к предельным нагрузкам цветных металлов и сплавов. Однако полиамиды обладают низкой теплопроводностью, слабой стойкостью к воздействию кислот, значительным водопоглощением, старением на свету и под воздействием кислорода при нагревании. Из полиамидов в судостроении широко применяются капрон, капролон, полиамид марки П-68" на основе полиамидной смолы № 68. Капрон получают из высокомолекулярного продукта полимеризации капролактама — поликапролактама. Капрон обладает высокими механическими, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, теплостойкостью и другими ценными свойствами, что обусловливает его широкое применение в машиностроении. Из капрона изготавливают подшипники, зубчатые колеса, втулки, манжеты, шкивы и другие детали машин, а также самые различные изделия ширпотреба. Полиметилметакрилат (полиакрилаты) — полимеры, получаемые полимеризацией акриловой или метакриловой (полиметакрилаты) кислот и их производных (эфиров, амидов, нитридов). Этот полимер представляет собой бесцветную оптически прозрачную пластмассу, которая легко и хорошо окрашивается в любые цвета, она имеет высокие физико-механические свой­ства, атмосферо- и светостойкость, водо-, бензо-, маслоустойчивость, нетоксичность. Однако эти пластмассы отличаются низкой теплостойкостью, невысокой твердостью, нестойкостью к ряду органических растворителей и кислот. Полиметилметакрилат — термопластичный материал, превосходящий по светопроницаемости обычное силикатное стекло, легко обрабатывается, деформируется, склеивается, хорошо сопротивляется ударам. Пластмасса из полиметилметакрилата известна под названием органическое стекло или плексиглас. Эту пластмассу получают в виде порошка, гранул, листов, трубок и блоков. Органическое стекло нечувствительно к ударам, устойчиво по отношению к бензину, слабым кислотам и щелочам. Оно широко применяется для остекления самолетов, автомобилей, общественных зданий, а также для изготовления деталей аппаратов и приборов. Полиуретаны — полимеры, содержащие в основной цепи макромолекулы уретановые группировки. Полиуретаны получают по реакции поликонденсации с соединениями, содержащими активные атомы водорода. Свойства полиуретанов изменяются в очень широких пределах и зависят от химической природы, структуры, молекулярной массы и степени кристалличности полимера. Полиуретаны могут быть вязкими или твердыми (аморфными или кристаллическими) продуктами — от высокоэластичных резин до жестких пластмасс. Они устойчивы к действию кислот, минеральных и органических масел, бензина, окислителей. Полиуретаны применяют в виде затвердевших (изоляционные материалы) или эластичных (поролон) пен, каучуков (уретановые эластомеры), термопластичных масс для приготовления лаков, клеевых и герметизирующих составов. 10. Термореактивные пластмассы, применяемые в судостроении Термореактивные пластмассы в зависимости от вида наполнителя делятся на следующие группы: - с порошковым наполнителем — пресспорошки; - с волокнистым наполнителем - волокниты; - с листовым наполнителем — слоистые пластики. Связующим веществом термореактивных пластмасс служат искусственные поликонденсационные смолы: фенолоформальдегидная, мочевинноформальдегидная, меламиноформальдегидная. Для получения изделий из сложных пластмасс с порошковым и волокнистым наполнителями готовят смесь определенного состава (прессматериал), состоящую из связующей смолы, наполнителя, пластификатора, красителя и других добавок. К числу наиболее распространенных в технике и в быту термореактивных пластмасс с порошковым и волокнистым наполнителями относятся фенопласты и аминопласты. Фенопласты - обширная и старейшая группа пластических масс разнообразных свойств и назначений, получаемых на основе фенолоальдегидных полимеров (продукт конденсации фенола с формальдегидом). Они являются типичными представителями поликонденсационных пластмасс. Первый фенопласт в России был получен в 1913 г. Несмотря на бурное развитие полимеризационных пластмасс, фенопласты не утратили своего значения и широко применяются в технике и в быту. Сырьем для их производства служат фенолы (фенол, крезол, ксиленол) и альдегиды (формальдегид, фурфурол, ацетальдегид, акролеин). Наиболее широкое применение получили полиметилфеноловые полимеры — фенолоформальдегидные смолы. В зависимости от соотношения исходных веществ, их состава, характера катализаторов и условий проведения процесса поликонденсации фенолоформальдегидные смолы подразделяются на два класса: термопластичные (новолачные) и термореактивные (резольные). Как новолачные, так и резольные смолы служат связующим для большого количества разнообразных технических изделий, среди которых наиболее распространены литьевые композиции, пресс-порошки, армированные пластики (слоистые, волокнистые), клеевые и герметизирующие составы, фрикционные и антифрикционные композиции. Из всех фенолоформальдегидных пластмасс наибольшее распространение получили фенопласты, они отличаются высокой прочностью при статических нагрузках, тепло- и химической стойкостью, небольшой стоимостью в сравнении с другими пластмассами. Однако их ударостойкость и электроизоляционные свойства недостаточны. В качестве наполнителя фенопластов применяется древесная мука (прессматериалы марок К-15-2, К-17-2, К-18-2, К-19-2, К-20-2). Они обладают сравнительно невысокими прочностными и электроизоляционными свойствами и служат для изготовления ненагруженных технических деталей (рукоятки рычагов управления, кнопки сигналов). Из этих же фенопластов изготавливают самые разнообразные изделия ширпотреба. Более высокими электроизоляционными свойствами и хорошей теплостойкостью отличаются прессматериалы марок К-211-3 и К-211-4, у которых в качестве наполнителей к древесной муке добавляют молотую слюду и кварцевую муку. Эти материалы применяются для изготовления деталей в радиотехнике. К фенопластам относятся волокниты и слоистые пластики. Волокниты — прессуемые армированные пластмассы, наполненные различными органическими волокнами (хлопковой целлюлозой, хлопковым волокном — кордом), они обладают достаточно высокими прочностными свойствами, теплостойкостью и износоустойчивостью. Так, волокнит К-6 с наполнителем из асбестового волокна предназначается для изготовления изделий повышенной теплостойкости и механической прочности. Еще более высокими прочностными свойствами обладают стекловолокниты, содержащие в качестве наполнителей стеклопряжу. Из них изготавливают армированные прочные детали сложной конфигурации. К слоистым пластикам относятся гетинакс, текстолит, асбогетинакс (асболит) и асботекстолит. Гетинакс — пластмасса, армированная бумагой различных сортов и получаемая прессованием, а текстолит — пластмасса, армированная хлопчатобумажными (шифон, миткаль, бязь, нанка), льняными или синтетическими тканями. Асбогетинакс (асболит) и асботекстолит — слоистые прессованные пластмассы, армированные соответственно асбестовой бумагой или асбестовой тканью. Их выпускают в виде листов или плит различной толщины. В последнее время фенолоформальдегидные смолы стали применяться в производстве древесных пластиков и в литейном производстве металлов (литье в оболочковые формы). Почти все фенопласты перерабатывают с применением повышенных температур. Пресс-порошки представляют собой смесь сухой фенолоформальдегидной смолы с порошковым наполнителем. Раствором резольной смолы пропитывают наполнители (волокнистые и порошкообразные материалы, бумагу, ткани, древесные стружки, опилки) и после удаления растворителя (спирта) получают полуфабрикаты пресс-композиций. Из полуфабрикатов прессованием (при температуре 130—180 °С и давлении 40—30 МПа) получают различные прочные изделия: корпуса малых судов, мелкие корпусные конструкции, детали приборов и механизмов, трубы. Аминопласты — пластмассы на основе мочевинноформальдегидных и меламиноформальдегидных смол с различными наполнителями и другими компонентами. Аминопласты обладают меньшей теплостойкостью и водостойкостью, чем фенопласты. Положительным свойством аминопластов является их высокая стойкость к поверхностным электрическим разрядам. Аминопласты непрозрачны, хорошо окрашиваются в светлые и яркие цвета. Из них изготавливают детали корпусов приборов и осветительной арматуры с цветной окраской, детали приборов зажигания, цветные изделия бытового назначения. Повышенная хрупкость и склонность к растрескиванию ограничивают область применения аминопластов. Полиэфиры — полимеры, содержащие в главной цепи макромолекулы кроме углерода кислород. Широкое применение в судостроении находят ненасыщенные полиэфирные смолы, которые получают в результате реакции поликонденсации между спиртами и кислотами или их ангидридами. Отверждение смол происходит под действием инициаторов и ускорителей (органические соединения различных металлов, амины), которые вводят в смолу в виде растворов, паст, порошков. При изготовлении различных изделий из стеклопластика, литьевых композиций, прессовочных масс, а также для получения клеевых составов применяют ненасыщенные полиэфирные смолы НП-1, НПС-609-2Ш, НПС-609-22М. Эпоксипласты — пластические массы на основе эпоксидных смол. Эпоксидные смолы — полимеры, представляющие собой химические продукты различного состава и имеющие в молекуле эпоксидную группу, по которой они получили свое название. В исходном состоянии эпоксидные смолы отличаются высокой реакционной способностью, термопластичностью, недостаточной химической и механической прочностью. Эпоксидные смолы могут быть получены с различной молекулярной массой. Содержание эпоксидных групп определяет их свойства. Низкомолекулярные смолы — вязкие жидкости, содержащие 18—24 % эпоксидных групп. Они более реакционноспособны и поэтому могут отверждаться на холоде. Высокомолекулярные смолы — твердые вещества, содержащие 4—10% эпоксидных групп. Они отверждаются при повышенных температурах (120— 200°С) и отличаются эластичностью. Эпоксидные смолы растворяются в ацетоне, бензоле, толуоле, ксилоле. При введении отвердителей эпоксидные смолы переходят в неплавкое, нерастворимое состояние и приобретают ряд ценных свойств - высокие физико-механические и электроизоляционные, высокую адгезию к различным материалам (металлам, стеклу, дереву, керамике, фарфору, слюде). Для отверждения эпоксидных смол применяют химические вещества основного и кислотного характера: амины (полиэтиленполиамин, гексаметилендиамин), ангидриды (малеиновый, фталевый, их смеси). Введение в смолу пластификаторов улучшает ее вязкость, повышает эластичность и морозостойкость. В качестве пластификаторов употребляют дибутилфталат, трикрезилфосфат, полиэфиры. Для уменьшения усадки, повышения твердости и снижения стоимости в эпоксидную смолу добавляют различные наполнители: кварц, песок, фарфоровую муку, цемент, металлические опилки. Выбор марки эпоксидной смолы определяется назначением изделия. Эпоксидные смолы применяют для приготовления клеевых, шпатлевочных и герметизирующих составов, защитных покрытий, составов для устранения трещин, раковин в деталях и других дефектов. На основе эпоксидных смол производят лаки, краски, эмали, обеспечивающие высокопрочное покрытие, получают стеклопластики, изготовляют штампы для холодной обработки изделий. Наиболее известны эпоксидные смолы марок ЭД-5, ЭД-6, Э-41, Э-44, ЭДФ-1, ЭДФ-2, ЭДФ-11, ЭДФ-21. 11. Слоистые пластмассы, применяемые в судостроении Слоистые пластмассы представляют собой армированные композиции, состоящие из смолы и листового наполнителя. В качестве связующего вещества в слоистых пластиках чаще всего применяется термореактивная фенолоформальдегидная смола. Наиболее распространенными слоистыми пластмассами являются текстолит, стеклотекстолит, древеснослоистые пластики (ДСП), гетинакс. Гетинакс — слоистый пластик на основе бумажных листов, пропитанных фенолоформальдегидной смолой. Гетинакс выпускается в виде листов. Он обладает достаточной механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Из гетинакса изготавливают детали высоковольтных устройств (трансформаторы, масляные переключатели), детали электрооборудования, изделия телефонной и радиоаппаратуры. Текстолит — слоистый прессованный материал из хлоичатобумажной ткани, пропитанной фенолоформальдегидной или кремолоформальдегидной смолой. Он выпускается промышленностью в виде листов, плит, стержней или трубок различных размеров. Текстолит отличается сравнительно высокой механической прочностью, хорошими антифрикционными и электроизоляционными свойствами и хорошо обрабатывается резанием. Текстолит широко используется для изготовления вкладышей подшипников скольжения, втулок, зубчатых колес и других трущихся деталей. Антифрикционные детали из текстолита не только с успехом заменяют аналогичные детали из подшипниковых сплавов, но и обладают по сравнению с ними целым рядом преимуществ. Так, например, подшипники из текстолита хорошо прирабатываются по шейке вала и отличаются более высокой износоустойчивостью, чем бронзовые подшипники. Текстолитовые зубчатые колеса отличаются от металлических бесшумностью в работе, малым весом, хорошей эластичностью и виброустойчивостью, высокой химической стойкостью в различных агрессивных средах, способностью хорошо работать при высоких окружных скоростях. Текстолит применяется также для изготовления деталей электрооборудования (электрощитки, панели, клеммы) и используется как прокладочный материал. Недостатками текстолита как конструкционного материала являются водопоглощение и низкая теплопроводность. Асботекстолит — слоистый пластик на основе асбестовой ткани, пропитанной фенолоформальдегидной смолой, по механической прочности и электроизоляционным свойствам уступает текстолиту, но теплостойкость его выше. Асбестовая ткань повышает коэффициент трения пластмассы, поэтому асботекстолит применяется для изготовления деталей механизмов сцепления и тормозных устройств. Стеклотекстолит — пластмасса, изготовленная на основе стеклянной ткани и смолы. Он обладает повышенной прочностью на растяжение, хорошими электроизоляционными и антикоррозионными свойствами. Применяется как конструкционный и электроизоляционный материал в автомобильной промышленности, самолето- и судостроении, электро- и радиотехнике. Древеснослоистые пластики (ДСП) изготавливают на основе древесного шпона, пропитанного фенолоформальдегидной смолой. Выпускаются ДСП в виде листов и плит. Изделия из древеснослоистых пластиков, изготавливаемые из дешевых материалов, обладают сравнительно высокой прочностью, хорошими антифрикционными и электроизоляционными свойствами. Из ДСП изготавливают зубчатые колеса, подшипники скольжения, втулки, шкивы и другие детали машин. Древесные пластики не только с успехом заменяют дефицитные цветные металлы, но применяются и как самостоятельные конструкционные материалы. При соблюдении требуемых условий эксплуатации подшипники из ДСП благодаря хорошим упругим и противозадирочным свойствам могут служить в 10 раз дольше бронзовых. Зубчатые колеса из ДСП бесшумны в работе, хорошо поглощают удары и вибрации. Они обычно спариваются с зубчатыми колесами из стали, так как коэффициент трения пластика по стали меньше, чем у стальных или пластиковых пар. 12. Газонаполненные пластмассы Газонаполненные пластмассы (пенопласты и поропласты) представляют собой легкие ячеистые материалы, содержащие в массе полимера пустоты, заполненные газом (углекислым, азотом, аммиаком). Эти пластмассы состоят из двух основных компонентов — искусственной смолы и специального вещества — газообразователя (порофора). В качестве смол в производстве газонаполненных пластмасс применяются полистирол, полихлорвинил. Газонаполненные пластмассы обладают исключительно малым удельным весом (от 0,02 до 0,85 г/см3), высокими звуко-, тепло- и электроизоляционными свойствами. Низкая механическая прочность ограничивает область применения газонаполненных пластмасс как конструкционных материалов, однако в последнее время для создания прочных и легких материалов газонаполненные пластмассы комбинируют с обычными прочными пластмассами или металлами. Так, например, изготавливают трехслойные клееные плиты, средний (толстый) слой которых состоит из газонаполненного материала, а внешние слои (более тонкие) — из высокопрочной пластмассы или металла. Такие плиты нашли применение в самолетостроении, где газонаполненные материалы используются для заполнения пространства внутри воздушных винтов, крыльев, внутренних перегородок. Наиболее широко газонаполненные пластмассы применяются в качестве теплоизоляционных и звукоизоляционных материалов (жесткие пенопоропласты) и в качестве амортизационных прокладок (мягкие эластомеры). Пено- и поропласты — очень легкие пластмассы, представляющие собой затвердевшую или эластичную пену. Пенопласты — газонаполненные пластмассы ячеистой структуры с замкнутыми, несообщающимися между собой полостями, разделенными прослойками из полимера. Поропласты имеют губчатую структуру, пронизанную системой сообщающихся между собой каналов — пор и полостей, стенки которых образованы пленкой из полимера. Пенопласта вследствие замкнутой структуры почти не впитывают воду и не пропускают воздух, не тонут в воде. В поропластах вода через сообщающиеся ячейки легко проникает в материал, вытесняя воздух, и запол­няет весь объем. Пенопласта используют в качестве тепло- и звукоизоляционных материалов для изготовления трехслойных конструкций и спасательных средств. В судостроении применяют пенопласта полистирольные (ПСВ-С, ВЗИ), пенополиуретановые (ППУ-304Н), фенолоформальдегидные (ФС-7-2, рипор), полихлорвиниловые (ПХВ) и другие. К поропластам относятся легкие эластичные материалы типа поролона, применяемые для изготовления мягкой мебели, матрацев и при обстройке судовых помещений. 13. Новые пластические массы Полиформальдегид — продукт полимеризации сухого газообразного формальдегида. Он обладает высокой прочностью, термостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами и химической стойкостью ко многим агрессивным средам. Отрицательными свойствами его являются недостаточная светостойкость и способность разрушаться под действием ультрафиолетовых лучей. Из полиформальдегида изготавливают зубчатые колеса, подшипники, втулки и другие детали машин. Поликарбонат — термопластичный продукт поликонденсации фосгена с дифенилолпропаном.. Он обладает достаточно высокой прочностью, хорошими антифрикционными и антикоррозионными свойствами. По прочности превосходит капрон и другие амидопласты. Изделия из поликарбоната легко окрашиваются в любой цвет. Из поликарбоната изготавливают зубчатые колеса, подшипники, втулки, кулачки и другие детали машин. Полипропилен — продукт полимеризации пропилена. Он обладает малым удельным весом (0,9 г/см3), высокой прочностью на растяжение, хорошей химической стойкостью к кислотам и щелочам даже при повышенных температурах. Пропилен, однако, чувствителен к действию кислорода воздуха. Для предотвращения окисления в пластик вводят специальные антиокислители. Из полипропилена изготавливают трубы, фитинги, тару для хранения агрессивных жидкостей, пленки, флаконы, бутыли и другие изделия. 14. Армированные конструкционные материалы Армированными конструкционными пластическими массами называется большая группа композиционных материалов, получаемых на основе разнообразных синтетических смол — связующих и твердого наполнителя (волокнистого, листового). Наполнитель выполняет роль каркаса (арматуры) и придает материалу высокие механические свойства. Армирующий наполнитель — упрочняющий элемент композиции, воспринимающий основные нагрузки при работе пластмассы. Смола обеспечивает связь отдельных элементов армировки и способствует равномерному восприятию нагрузки. Армирование повышает механическую прочность, ударную вязкость, динамическую выносливость пластмассы и снижает ползучесть полимера. Армированные конструкционные пластмассы нашли широкое применение в судостроении благодаря сочетанию высокой прочности, стойкости к морской воде, относительной несложности переработки в изделия и доступности исходного сырья. Армированные конструкционные пластмассы можно классифицировать по составу, свойствам, назначению: - по типу армирования — хаотически армированные (премиксы, высоконаполненные композиции); ориентированные (текстолита, стеклопластики, однонаправленные композиции); - по виду армирующего материала — армированные непрерывными волокнами, пряжей, тканями, листами, рублеными волокнами; по химической природе связующего — полиэфирные, эпоксидные, фенольные, полиамидные, меламиновые, кремнийорганические; - по характеру отверждения — холодного, горячего отверждения; - по давлению при отверждении — высокого, среднего, низкого давления; - по способу переработки в изделия — контактного формования, вакуумного формования, литьевые, напыляемые, изготовляемые намоткой, прессуемые. В наибольшей мере высоким требованиям судостроительной промышленности отвечают пластические массы, называемые стеклопластиками, в которых в качестве связующего применяют полимерные соединения холодного отверждения, а армирующим наполнителем служит стекловолокнистый материал. Помимо достоинств, присущих армированным пластмассам, стеклопластики обладают способностью отверждаться при нормальном давлении и при комнатной температуре, а также технологичностью — возможностью изготовления крупногабаритных конструкций с наименьшими затратами труда и средств. Это определило широкое применение стеклопластиков для изготовления корпусов некоторых типов водоизмещающих судов, катеров, шлюпок, надстроек, корпусных конструкций. Такие конструкции и изделия производят в основном наиболее простым методом — контактным формованием. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики способов изготовления изделий из стеклопластика (баллом 10 оценивались наиболее высокие технологические результаты). Наибольшее применение в судостроении получили стеклопластики на основе ненасыщенных полиэфирных смол марок ПН-1, ПН-3, НПС-609-21М, НПС-609-22М, НПС-609-26, НАС-609-29, и в небольшом объеме — на основе эпоксидных смол ЭД-5 и ЭД-6. Полиэфирные смолы дешевле эпоксидных, но прочность изделий на их основе ниже. Таблица 1. Сравнительные характеристики способов изготовления изделий из стеклопластика (в баллах) Способ изготовления Затраты на оборудование Быстрота изготовления Достигаемая прочность гото­вого изделия Необходимые навыки рабочих Возможность изготовления изделий слож­ной формы Контактный 1 1 3 10 10* Формование с помощью 3 3 6 6 мешка Напыление 4 4 1 10 10 Прессование в формах 8 8 7 4 5 Прессование в авто- 5 5 8 8 8 клаве Намотка 6 6 10 2 4 • Высший балл. До отверждения полиэфирная смола является вязкотекучим веществом. После введения в нее отвердителя, состоящего из инициатора и ускорителя (активатора), происходит отверждение полиэфирной смолы. Ценность ненасыщенных полиэфирных смол состоит в том, что под действием инициаторов и ускорителей они затвердевают при комнатной температуре, позволяют формовать изделия без повышенного давления, хорошо пропитывают и склеивают стекловолокнистые материалы и дерево. В качестве инициатора для полиэфирных смол холодного отверждения используют гипериз (гидроперекись изопропилбензола) с нафтенатом кобальта (10 %-й раствор в стироле). Гипериз, реагируя с компонентами смолы, вызывает ее отверждение. При этом смола полимеризуется при комнатной температуре в течение нескольких дней. Для ускорения процесса отверждения в смолу вводят ускоритель инициатора (нафтенат кобальта), который активизирует действие гипериза на смолу и способствует отверждению в течение нескольких часов. Недостатки полиэфирных смол состоят в их горючести и токсичности. Для уменьшения горючести и обеспечения самозатухаемости смол (прекращения горения при удалении пламени) в них вводят хлористые соединения и окислы металлов. Стирол, входящий в смолы ПН-1 и ПН-3, выделяясь в процессе формования изделий, оказывает вредное воздействие на организм человека. Смолы НПС-609-21М и НПС-609-22М являются бесстирольными. Полиэфирные смолы ПН-1 и ПН-3 применяют для изготовления корпусов малых судов, смолы НПС-609-21М и НПС-609-22М, НПС-609-26 используют при изготовлении и ремонте водоизмещающих судов и их корпусных конструкций, а также для наружной декоративной отделки конструкций из стеклопластика, смолу НПС-609-29 — для изготовления и ремонта прогулочных лодок. Среди стеклоармирующих материалов наиболее распространены стеклоткань, стеклохолст, стекломат, стеклорогожа, стекложгут и другие материалы, основой которых является бесщелочное стекло. Стеклу свойственны хрупкость и низкая прочность. Однако такие свойства характерны для стекла в объемном виде (листы, сосуды). Прочность стекла в нитевидном состоянии очень высока. Ниже приведены сравнительные данные о прочности (в МПа) металлической проволоки и различных волокон толщиной 3—12 мкм: - стальная и бронзовая проволока — 700, - латунная — 500; -стеклянное волокно— 2000—4000, - угольное—1500—2500, - органическое — 1200—3000. Стекловолокно получают из расплавленного стекла при раздувании его струей жидкого воздуха или путем вытяжки. В первом случае образуются короткие волокна длиной от 5 до 500 мм, из которых скручивают штапельные нити. Второй способ применяют для образования непрерывного волокна. Прочность волокна зависит от его диаметра. В зависимости от способа производства все стеклоармирующие наполнители пластмасс подразделяются на тканые (на ткацком оборудовании) и нетканые. Для изготовления стеклопластиков чаще всего используют стеклоткани, которые образуются при взаимном переплетении в перпендикулярных направлениях продольных (основа) и поперечных (уток) нитей и отличаются по массе, толщине, типу нити, числу нитей, количеству нитей в основе и утке, типу переплетения (рис. 2). Выбор стеклянного наполнителя и его количества зависит от стоимости и требуемых прочностных показателей изделия (рис. 3). ис. 2. Схемы переплетения стеклотканей: а—полотняное; б — саржевое; в — сатиновое Стеклянные ткани по сравнению с неткаными стекломатериалами являются наиболее дорогостоящими наполнителями, но стеклопластики, изготовленные на их основе, обладают лучшими физико-механическими свойствами. Оптимальное соотношение связующего и армирующего материалов для сатиновых тканей находится в пределах 50:50, а для жгутовых тканей — 45:55. Для изготовления конструкционных стеклопластиков в судостроении чаще всего применяют стеклоткани марок Т и ТР. Буква Т показывает назначение ткани — конструкционная, ТР — конструкционная ткань из ровинга (стекложгута). Например, конструкционные стеклоткани марок Т-П-ГВС-9 и Т-12-ГВС-9 используют для изготовления корпусных конструкций из стеклопластика контактным способом, армирования декоративных покрытий конструкций из стеклопластика, оклейки деревянных корпусов судов контактным способом. Цифры 11 и 12 условно характеризуют структуру ткани, а ГВС-9 в обозначении марки ткани показывает, что она обработана (аппретирована) гидрофобизирующим составом (аппретом) ГВС-9 на основе кремнийорганических соединений. Конструкционные стеклоткани из ровинга марки ТР-0,56 и ТР-0,56-ГВС-9 применяют для формования корпусов катеров и шлюпок. Эта ткань имеет крупные плетения, у которых в качестве основы и утка использован стекложгут. Цифры 0,56 показывают толщину ткани в миллиметрах. Стеклорогожа имеет высокую прочность и жесткость в направлении основы и утка. Стеклопластик на ее основе обладает высокой ударостойкостью. К нетканым стеклоармирующим материалам относятся стекложгуты (ровинги), стеклохолсты или стекломаты. Стекложгут — наиболее дешевый стеклоармирующий материал из пучка параллельных волокон, соединенных в одну прядь. Стекложгуты выпускают с различным числом сложений (от 6 до 150). В судостроении чаще всего применяют стекложгут 60 сложений. Примером могут служить ровинги из стеклянных нитей типа РБР, РБТ, РБН и РВМН (РНР10-42 х 60-9, РБТ10-1680-78, РБН10-420-78, РВМН 10-2520-80). Первая буква Р обозначает ровинг, Б — алюмоборсиликатный состав стекла, вторая буква Р — рассыпающийся ровинг для изготовления холстов, Т — ровинг для изготовления тканей, ВМ — магнезиально-алюмосиликатный состав стекла, Н — ровинг для изготовления стеклопластиков способами намотки и протяжки, а цифры указывают на особенности тканей (10 — диаметр нитей 10 мкм, 78 и 80 — ширина ткани). Стеклохолсты, или стекломаты, состоят из хаотически расположенных нитей, химически связанных между собой смолой или каким-либо другим связующим. Прошитый мат отличается от обыкновенного тем, что волокна в нем связаны механически. Прошитый мат принимает форму изделия при прессовании, быстро пропитывается смолой, а его волокна при смачивании не сбиваются в комки. В судостроении при изготовлении корпусов катеров, шлюпок и отдельных корпусных конструкций широко применяют химически связанные холсты или маты типа МБС, например МБС10-420-3/С-230. Буква М обозначает мат, Б — алюмоборсиликатное стекло, С — непрерывную нить, цифры характеризуют особенности нитей и холста. Кроме связующего и армирующего наполнителя на свойства стеклопластиков оказывает влияние способ их изготовления. В таблице 2 приведены основные характеристики стеклопластиков, изготовленных различными способами. Таблица 2. Физико-механические характеристики стеклопластиков, полученных различными способами Характеристика способ получения Контакт­ный Вакуум­ный Контакт­ный Вакуум­ный Контакт­ный Вакуум­ный Вид наполнителя Сатиновая ткань типа Т Жгутовая ткань Стекломат Плотность, кг/м3 1672 1680 1670 1712 1498 1467 Предел прочности, МПа: при сжатии 117 111 86 89 84 94 при изгибе 240 251 244 282 124 148 при растяжении 335 393 215 303 94 92 Содержание наполнителя, % 54 59 54 60 42 40 При изготовлении корпусов судов, корпусных конструкций и различных изделий стеклопластики механически обрабатывают: опиливают напильниками, шлифуют, сверлят с развертыванием отверстий и нарезанием резьбы, фрезеруют и режут. Механически обрабатывать можно полностью заполимеризовавшийся стеклопластик через 10 — 15 дней после формования. Стеклопластик как конструкционный материал имеет ряд преимуществ по сравнению с деревом и металлом. Однако у него есть существенные недостатки, которые необходимо учитывать при изготовлении корпусных конструкций: нестабильность физико-механических свойств, зависимость прочностных характеристик от свойств составляющих компонентов и технологии изготовления, затрудненный контроль качества материала. Поэтому при постройке пластмассовых судов, изготовлении конструкций и отдельных изделий проводят контроль качества исходных компонентов, сроков и условий их хранения, контроль за соблюдением технологических режимов формования на всех стадиях производства стеклопластиков, контроль качества технологической оснастки, физико-механические испытания образцов из стеклопластика, контроль за условиями хранения готовых изделий. В качестве армированного листовым наполнителем конструкционного материала в судостроении применяют древесно-слоистые пластики (ДСП). Древеснослоистые пластики — материалы, изготовленные на основе тонкого древесного листа (шпона) лиственных пород. Для получения этих пластиков березовый (реже буковый или липовый) шпон пропитывают растворами термореактивных синтетических смол, просушивают, собирают в пакеты и прессуют на гидравлических прессах при давлении 10—17,5 МПа и температуре 120—150 °С. Добавки графита и масла улучшают антифрикционные свойства пластиков. Для повышения прочности и эластичности пластиков их армируют металлической сеткой, фольгой, прорезиненной тканью. ДСП обладают высокими механическими свойствами, устойчивы к действию многих химических веществ. В судостроении применяют древеснослоистые пластики марок ДСП-А — для дейдвудных подшипников, ДСП-Б и ДСП-В — в качестве конструкционного и антифрикционного материала. Буквы А, Б и В обозначают взаимное расположение волокон шпона в смежных слоях. В судостроении используются стеклопластики пониженной массы на основе микросфер. Их получают механическим смешиванием полых замкнутых микросфер в связующем, способном отверждать и превращать смесь в монолитную композицию. Такие композиционные материалы называют синтактовыми или микросферопластиками. Низкая масса микросферопластиков достигается введением в них до 30 % стеклянных или фенольных наполнителей в виде микросфер. Микросферы МСО-9 —полые стеклянные шарики диаметром 40—80 мкм, плотностью 240 — 370 кг/м3. Фенольные микросферы имеют меньшую плотность, но более хрупки и поэтому реже используются. Связующими служат эпоксидные и полиэфирные смолы. Варьируя материал микросфер, их диаметр и толщину стенок, состав связующего и условия приготовления композиции, можно получать синтактовые материалы, обладающие различными свойствами. Операции, связанные с подготовкой и изготовлением изделий из пластических масс, характеризуются загрязнением окружающей воздушной среды вредными летучими веществами. Поэтому первоочередной задачей обеспечения техники безопасности и гигиены труда в судостроительном производстве является подбор синтетических материалов, отвечающих технологическим требованиям и содержащих минимальное количество летучих токсичных веществ. На судостроительных предприятиях, выпускающих пластмассовые изделия, основной комплекс производственных помещений, как наиболее вредный, объединяют в один блок, изолированный от остальных. Производственные участки оборудуют мощной общей приточно-вытяжной вентиляцией, а рабочие места — местной. Местная вентиляция при формовании малогабаритных изделий должна обеспечивать скорость движения воздуха не менее 0,5 м/с или отсос 1000 м3/ч с 1 м2 формуемой поверхности. При изготовлении крупногабаритных изделий приток воздуха должен быть из расчета 3000 м3/ч на 1 м2 формуемой поверхности. Отдельно предусматривают помещения для предварительного раскроя армирующих материалов. Их оборудуют местной вытяжной вентиляцией в зоне раскроя, обеспечивающей пятикратный об­мен воздуха в 1 ч. Рабочие, изготовляющие изделия из пластмасс, подвергаются специальному медицинскому обследованию. На время работы их должны обеспечивать защитной спецодеждой и индивидуальными противопыльными респираторами. Для работающих устанавливают правила личной гигиены и санитарии, а на участках работы предусматривают санитарно-бытовые помещения, оборудованные шкафами для защитной спецодежды, душевыми и умывальниками с холодной и горячей водой, комнатами для приема пищи и отдыха. Все пластмассы огнеопасны. Поэтому особую осторожность необходимо соблюдать при работе с горючими химическими веществами, являющимися составными частями связующего. Компоненты связующего необходимо хранить только раздельно один от другого. Освещение складов и производственных участков должно быть во взрывобезопасном исполнении. Во избежание образования взрывоопасных смесей необходимо строго соблюдать последовательность введения инициатора и ускорителя в смолу. Рабочие цеха пластмассового судостроения должны знать степень пожароопасности применяемых химических веществ и их способность к образованию взрывоопасных смесей. Незнание свойств применяемых веществ и неаккуратность в обращении с этими веществами могут привести к пожару или взрыву. Таблица3. Физико-механические свойства пластмасс Наименование свойств Марки полиэтилена полипропилен Марки фторопласта Полистирол ВД НД 3 4 4Д блочный эмульсионный А Б Плотность, кг/м3 920—930 935—950 940—960 900—920 2090—2160 2150—2350 — 1050—1100 1050—1080 Предел прочности, МПа: при растяжении 8,4—17,5 19,5—38,5 22,0—45,0 25 30—50 14—25 8—25 350 250 при сжатии 12,5—21,0 20,0—90,0 — 60 50—57 20 14 100 100 при изгибе 12,0—17,0 20,0—38,0 20,0—38,0 56 60—80 11— 14 11 — 14 95 100 Относительное удлинение, % 150—600 100—800 200—900 100—400 100-200 300-350 70-300 - 1,5-3,5 Модуль упругости, МПа 98—245 350—700 500—800 800—1000 1160—1450 800—900 470—850 1200—3200 1200—3200 Наименование свойств Полиамиды Фенопласты Полиакрилаты Отверждённая полиэфирная смола П-68 Капрон капролон Волокниты Гетинакс Текстолит Л -1 Органич. стек ло ПН - 1 НПС-609-22М Плотность, кг/м3 1130—1150 1150—1160 1150—1160 1350—1450 1250—1400 1300—1400 1 200—1600 1180 1250 1350 Предел прочности, МПа: при растяжении 40—60 72—88 90—95 30—60 70-100 65-100 42-60 50 40 30 при сжатии 70—100 139—174 100—125 120 160 200-250 84-133 120-160 90 120 при изгибе 70—100 88,5—130 120—150 50—80 80-140 120-160 91-133 70-140 80 60 Относительное удлинение, % 100 - 20 0,4 - 1 5-15 2,5-4,0 3,6 - Модуль упругости, МПа 1200-2000 2700-3700 2060-2310 850 6000-10000 10000 2100-3500 3200-4000 1400 - Тема 4.2. Древесина. 15. Виды древесных материалов и их применение в судостроении и ремонте судов Основными видами древесных материалов являются круглый лес (брёвна), брусья, доски, шпон, фанера, столярные, древесноволокнистые и древесностружечные плиты. Применение древесины как судостроительного материала обусловлено прежде всего ее положительными свойствами: сравнительно малой плотностью, низкой теплопроводностью, хорошей поглощаемостью звука и обрабатываемостью. Кроме того, запасы древесины в нашей стране большие, стоимость ее производства сравнительно невысокая. В судостроении доски идут для постройки корпусов деревянных судов, лесов, подмостей, изготовления деревянной судовой мебели деревянных трапов, спусковых устройств, отделки специальных помещений. В судостроении фанеру марок ФСФ, ФК, ФБА и др. применяют для отделки помещений, зашивки изоляции, изготовления мебели, настила полов и для других вспомогательных работ. Фанеру марок ФОФ, ФОК, ФО, ДФ используют в качестве облицовочного материала при изготовлении мебели и декоративной зашивки судовых помещений. Из бакелизированной фанеры строят корпуса шлюпок, катеров, спортивных лодок и используют также для отделки судовых помещений. Из ДСП-А изготовляют дейдвудные подшипники, из ДСП-Б и ДСП-В — вкладыши скольжения и втулки, из ДСПТ — зубчатые колеса и трущиеся детали. 16. Породы древесины и её строение В металлическом судостроении из древесины изготовляют настилы палуб, межкаютные выгородки, зашивку изоляции, обрешетники, оборудование и отделку помещений, мебель, детали судовых устройств, инвентарь и судовое снабжение, что составляет до 10% веса корпуса. Трудоемкость работ по переработке древесины и монтажу изделий равняется 2—5% общей трудоемкости постройки судна. Древесина используется также для вспомогательных нужд производства — изготовления спусковых устройств, кильблоков, клеток, лесов, ограждений и для других целей. К положительным качествам древесины как строительного материала относятся малый объемный вес, низкая теплопроводность, высокая звукопоглощаемость, хорошая обрабатываемость. Достоинства: - недефицитность, - низкая стоимость, - разнообразие сортов. Недостатки: - горючесть, - способность к загниванию, - изменчивость механических и физических свойств от влажности и температуры. Породы древесины подразделяются на лиственные и хвойные. К хвойным породам относятся сосна, ель, кедр, лиственница и пихта. К лиственным — дуб, ясень, бук, береза, бакаут и др. Сосна — самый распространенный в судостроении вид древесины. В зависимости от места произрастания различают сосну рудовую и мяндовую. Сосна рудовая, или горная, растет на высоких сухих местах, имеет мелкослойную смолистую древесину. Отличается биостойкостью и прочностью, в разрезе — красноватого или светло-желтого цвета. Высокое качество древесины имеет сосна, возраст которой около 125 лет. Этот вид сосны применяется для корпусов деревянных судов и настилов наружных палуб. Сосна мяндовая (белая) растет на низких болотистых местах. Имеет в разрезе крупные слои бело-желтого цвета. По прочности и биостойкости уступает сосне рудовой. Используется для настилов внутренних палуб и вспомогательных нужд производства. Ель по сравнению с сосной обладает более низкими механическими и физическими свойствами, имеет меньшую стойкость к гниению, при высыхании дает трещины. Применяется ограниченно для настилов внутренних палуб, обрешетника, зашивки изоляции и вспомогательных нужд. Кедр произрастает на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке и по своим свойствам близок к рудовой сосне. Древесина кедра хорошо сохраняется в воде. Кедр применяется для постройки корпусов судов, настилов палуб, мебели, обрешетника, является заменителем сосны. Наилучшие свойства древесина кедра имеет в возрасте около 150 лет. Лиственница по прочности, биостойкости, негорючести превосходит все хвойные породы древесины. Растет в северной полосе Советского Союза. Древесина лиственницы желтовато-бурого цвета, со слоями, пропитанными смолистыми веществами. Лиственница является материалом, пригодным для судостроения, но применяется ограниченно ввиду удаленности мест произрастания от судостроительных предприятий. Древесина пихты сходна с древесиной ели, но отличается от нее более низкой биостойкостью, повышенной хрупкостью и склонностью к растрескиванию. Ограниченно используется для изготовления спусковых устройств, лесов, ограждений и других вспомогательных нужд. Дуб имеет тяжелую, прочную и биостойкую древесину светло-коричневого цвета. Обладает красивой текстурой, особенно в плоскости радиального разреза. Прочность дуба зависит от места произрастания. Дуб, выросший на сухой почве и возвышенном месте, имеет более высокую прочность, нежели дуб, выросший на влажной почве; используется для изготовления всех частей корпуса, мебели и отделки помещений. Ясень произрастает на Кавказе и Дальнем Востоке. Древесина ясеня обладает высокой упругостью и гибкостью. По прочности и пластичности она превосходит дуб. По цвету ясень похож на дуб. Применяется для выделки весел, гнутых деталей корпуса, мебели и для столярных работ. Древесина бука — розовато-белого цвета, плотная и прочная, но не биостойкая. В среде с переменной влажностью она разрушается через 1—2 года, а под водой сохраняется более длительное время. Бук имеет красивую текстуру и хорошо обрабатывается. Применяется для отделочных работ. Береза обыкновенная имеет белый с легким желтоватым оттенком цвет. Древесина березы тяжелая, твердая и упругая. Во лажной атмосфере береза быстро загнивает и разрушается. В судостроении береза используется для отделки кают, мебели и в большом объеме в виде фанеры. Бакаут произрастает на Антильских и Богемских островах. Древесина бакаута очень тяжелая, трудно обрабатывается, однако прекрасно сохраняется в воде, обладает высокой твердостью и сопротивлением истиранию. В судостроении используется для вкладышей (набивки) дейдвудных труб и подшипников гребных валов. Наряду с перечисленными выше породами древесины для изготовления мебели, фанеры, отделки судовых служебных, жилых, парадных помещений и салонов используются красное дерево, клен, орех, груша, карельская береза, карагач и другие породы. Дерево состоит из корней, ствола и кроны (ветвей). В судостроении применяется древесина ствола и корней. Корни ели и дуба (кокорный, корневой лес) используются в деревянном судостроении для изготовления набора, книц фор - и ахтерштевней. Древесина ствола дерева является основным строительным материалом. Его объем составляет от 50 до 90% объема дерева. По длине ствола различают три части: нижняя называется комлем, верхняя — вершиной и средняя — средней частью ствола. Древесина ствола имеет слоисто-волокнистое неоднородное строение. Поэтому свойства ее изучают по трем основным разрезам дерева (рис. 1): поперечному, или торцевому, идущему перпендикулярно оси ствола, и по двум продольным — радиальному и тангенциальному. В поперечном и радиальном разрезах дерева ясно различают: годичные кольца, или слои, сердцевину, ядро, заболонь, камбий и кору (рис. 2). Рис. 1. Основные разрезы ствола. Рис. 2. Поперечный разрез ствола дерева. 1 — торцевой; 2 — радиальный; 3 — тангенциальный. 1 — кора; 2 — луб; 3— камбий; 4 — заболонь 5—ядро; 6 — сердце­вина; 7 — сердцевинные лучи. Годичные кольца представляют результат годовой деятельности камбия. Ежегодно в течение всей жизни дерева образуется один годичный слой. По числу слоев легко определить возраст дерева. Сердцевина является центральной частью дерева. Она состоит из мягкой, рыхлой, непрочной древесины, рассматривается как дефект в судостроительных пиломатериалах и поэтому вырезается при распиловке дерева. Ядро — наиболее старая часть дерева, состоящая из мертвых клеток; имеет более темную окраску по сравнению с заболонью. Древесина ядра обладает высокой прочностью и стойкостью к загниванию; используется для изготовления пиломатериалов. Все древесные породы делятся на ядровые (имеющие ядро) и безъядровые (заболонные), у которых ядро отсутствует. К ядровым породам относятся сосна, лиственница, дуб, ясень. Ель, береза, бук ядра не имеют. Заболонь (оболонь) состоит из живых клеток. Она светлее ядра, богата влагой. Заболонь занимает от 25 до 90% площади сечения ствола. Из заболони вырезают пиломатериалы для обрешетника и других неответственных изделий. Камбий — очень тонкий слой живых клеток последнего образования. Весной камбий обнаруживается в виде слизистого слоя, расположенного на заболони. В сторону заболони камбий формирует клетки древесины, в наружную сторону — лубяные клетки, из которых образуется кора. Кора примыкает к камбию. Наружный слой коры предохраняет дерево от температурных воздействий и механических повреждений. Кора пробкового дуба и бархатного дерева используется для приготовления судовых теплоизоляционных материалов — крошеной пробки, плит пробковых и экспанзита. 17. Физические свойства древесины Основные физические свойства древесины — влажность, вес, тепло- и звукопроводность, цвет, запах, внешний вид (текстура). Влажность - важнейшая характеристика древесины, оказывающая влияние на все физические и механические свойства. Повышенная влажность способствует загниванию древесины, приводит к потере прочности, увеличивает объемный вес, затрудняет обработку и склеивание древесины. При высыхании влажной древесины происходит коробление и растрескивание готовых изделий и полуфабрикатов. Абсолютная влажность определяется отношением Wa= GH - G0/ G0 ∙ 100%, где GH — вес мокрого образца; G0 — вес абсолютно сухого образца. Древесина легко поглощает влагу и также легко отдает ее при сушке. Часть влаги (до 2%) химически связана с веществом древесины и не может быть удалена из нее. Полости клеток древесины заполняет капиллярная вода, или свободная влага; в стенках клеток содержится гигроскопическая, или имбибиционная, влага. Максимально возможная влажность древесины достигает 250%. Степень влажности характеризуется пятью состояниями: 1) мокрая древесина, долгое время находящаяся в воде,— свыше 150%; 1) свежесрубленное дерево — до 150%; 2) воздушно-сухая древесина — от 15 до 20%; 3) комнатно-сухая древесина — от 8 до 15%; 4) абсолютно сухая древесина (высушенная до постоянного веса при температуре 100—105°С) — 0%. Древесина, устанавливаемая на судне, должна иметь влажность не свыше 18%. Усушка и набухание древесины — взаимообратные процессы. Под усушкой понимается свойство древесины при высыхании сокращать свои линейные и объемные размеры. Набухание — свойство древесины увеличивать размеры при поглощении воды. Высыхая, древесина теряет свободную, а затем гигроскопическую влагу. Состояние влажности древесины, при котором отсутствует свободная влага, но находится максимально возможное количество химически связанной с веществом влаги, называется пределом гигроскопичности или точкой насыщения волокна. Влажность при этом составляет около 30%. Изменение количества свободной влаги почти не отражается на физико-механических свойствах древесины. Только при переходе предела гигроскопичности начинают изменяться почти все ее свойства. Усушка древесины происходит при влажности менее чем 30% и неодинакова в различных направлениях. Наименьшая усушка наблюдается в направлении длины волокон — до 0,1% длины, наибольшая — в тангенциальном направлении — от 6 до 12%, в радиальном направлении она составляет от 3 до 6%. Набухание древесины — процесс, обратный усушке. Он происходит до тех пор, пока не достигнет точки насыщения. Набухание в различных направлениях примерно соответствует усушке. Вес древесины. Различают удельный вес древесного вещества и объемный вес древесины. Удельный вес древесного вещества — вес единицы плотного вещества древесины без учета пор — практически не зависит от породы древесины и может быть принят равным 1,54. Этот показатель в практике используется редко. Большое значение и физический смысл имеет объемный вес древесины. Под объемным весом понимают вес единицы объема древесины в натуральном виде с полостями, заполненными влагой и смолой. Объемный вес древесины зависит от породы, влажности, ширины годичных слоев, места и района произрастания, возраста древесины (табл. 1). Таблица 1. Физико-механические свойства основных пород древесины при 15% влажности Порода Объемный вес, г/см3 Предел прочности (кгс/сма) при сжатии вдоль волокон статическом изгибе скалывании вдоль волокон Сосна рудовая Ель обыкновенная - Кедр сибирский Пихта сибирская Лиственница сибирская Дуб Ясень европейский Бук кавказский 0,50—0,57 0,45—0,50 0,44 0,38 0,65-0,68 0,69—0,72 0,67—0,72 0,65 380 370 350 300 500 500 500 460 715 730 600 550 950 900 1000 900 65 60 60 50 80 75 100 100 . Объемный вес древесины принято приводить к объемному весу при 15% влажности по формуле: γ15 = γw [1+0,01(1 - k0)] (15 - W)], где γw — объемный вес при любой влажности, г/см3; k0 = Y0/ W — коэффициент объемной усушки древесины; Y0= V1 – V2/V2 — объемная усушка древесины, %; V1 и V2 — объем образца до и после высушивания; W — влажность древесины, %. Для приближенной оценки коэффициент объемной усушки принимается равным от 0,5 до 0,6. В зависимости от объемного веса при 15% влажности все древесные породы делятся на шесть классов: 1) очень тяжелые (более 0,8) — бакаут, самшит; 1) тяжелые (от 0,8 до 0,71) — дуб, тис; 2) умеренно тяжелые (от 0,70 до 0,61) — береза, бук, клен; 3) умеренно легкие (от 0,60 до 0,51)—-вяз, каштан; 4) легкие (от 0,50 до 0,41) — ель, кедр, сосна; 5) очень легкие (менее 0,40) — пихта сибирская. Теплопроводность древесины характеризуется коэффициентом теплопроводности, который зависит от ее влажности и направления тока тепла по отношению к волокнам. Коэффициент теплопроводности увеличивается с повышением влажности древесины и температуры среды (рис. 3 и 4). Для более твердых пород он выше, нежели для менее твердых. Если древесина исполь­зуется в качестве теплоизоляционного материала, то выгоднее применять менее твердые породы. Рис. 3. Зависимость коэффициента Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопроводности теплопроводности древесины от древесины от температуры (направление тока тепла влажности при температуре 20° (направление- перпендикулярно волокнам). 1 – влажная древесина тока тепла перпендикулярно волокнам). (влажность более 15%); 2 – сухая древесина (влажность 1 – луб; 2 - сосна. не более 15%). Основные породы деревьев имеют следующие коэффициенты теплопроводности (в ккал/м∙ч∙°С): Сосна: поперек волокон 0,13 вдоль » 0,3,0 Ель: поперек волокон .' 0,09 вдоль » 0,17 Дуб: поперек волокон 0,18 вдоль » 0,31 Звукопроводность зависит от влажности древесины, породы и направления звуковых волн по отношению к направлению волокон. Звукопроводность древесины в 5 — 8 раз меньше звукопроводности металла. Дерево способно усиливать звук за счет явления резонанса. Свойство проводить звук и резонировать используется при определении качества древесины. Здоровая древесина издает звонкий и чистый звук, поврежденная— глухой. Наибольшая звукопроводность — по длине волокон, наименьшая — в тангенциальном направлении. Цвет древесины обусловлен диффузионно рассеянным отражением световых лучей от поверхности. Каждый сорт дерева имеет свою окраску. Цвет дерева зависит от возраста, места и условий роста дерева. Он изменяется также под воздействием физико-механических и биологических факторов. По цвету можно определить породу и качество древесины. Окраска, соответствующая естественному цвету, свидетельствует о хорошем качестве древесины, а пятна, измененный цвет, полосы — о повреждении ее грибками. Запах древесины зависит от содержащихся в ней смол, эфирных масел и дубильных веществ. По запаху можно определить породу дерева. Бакаут пахнет ванилью, тис — каучуком, хвойные породы — скипидаром. Запах древесины должен учитываться при изготовлении из нее тары для хранения пищевых продуктов. Текстура — естественный рисунок на поверхности среза древесины, показывающий направление волокон, годичных слоев, сердцевинных лучей, смоляных ходов, изменение окраски и расположение пор; зависит от направления среза, имеет большое значение при изготовлении мебели и отделке судовых помещений. 18. Механические свойства древесины Древесина — анизотропный материал. Ее сопротивляемость действию внешних нагрузок зависит от направления приложения сил, влажности, породы, возраста, пороков древесины и многих других факторов. К важнейшим показателям механических свойств древесины относятся характеристики прочности и твердости. Прочность определяется сопротивляемостью древесины сжатию, изгибу и скалыванию, а твердость — сопротивляемостью проникновению твердых тел (например, режущего инструмента, гвоздей, винтов). Сопротивление сжатию вдоль волокон больше сопротивления сжатию поперек волокон в 10 — 12 раз для хвойных и в 5 — 7 раз для лиственных пород древесины. С уменьшением влажности, начиная с влажности 30%, предел прочности при сжатии увеличивается (рис.5). Результаты испытаний древесины на сжатие при любой влажности можно привести к результатам испытаний при стандартной влажности 15%, если воспользоваться приближенной зависимостью: σ15 = σw [l +α(W — 15)], где σ15 и σw — предел прочности при влажности 15% и влажности в момент испытания, %; α — коэффициент, зависящий от породы древесины и направления приложения нагрузки (α = 0,4 – 0,05 для сжатия вдоль волокон; α = 0,35 для сжатия поперёк волокон); W – влажность испытуемого образца, %. Сопротивление сдвигу в направлении волокон называется скалыванием, сопротивление сдвигу поперек волокон — перерезыванием. Сопротивление скалыванию составляет 12—16% от сопротивления сжатию вдоль волокон (см. табл. 1). Перерезывание древесины сопровождается сжатием поперек волокон и изгибом. Разрушение конструкций наступает обычно от местного сжатия, а не от перерезывания. Сопротивление статическому изгибу поперек волокон в 1,5— 2,0 раза выше предела прочности при сжатии вдоль волокон. Ввиду различной сопротивляемости дерева растяжению и сжатию при изгибе происходит смещение нейтрального слоя в сторону растянутой зоны изгибаемого образца древесины. Твердость древесины определяется по способу Бринелля или по способу Янка. Число твердости по Янку равно величине нагрузки, необходимой для вдавливания в древесину, на глубину радиуса стального пуассона с полусферическим концом, имеющим площадь большого круга 1 см2. Показатели твердости в торцевой плоскости у всех пород древесины выше показателей в радиальном и тангенциальном направлениях. Твердость сосны по Янку в торцевой плоскости равна 273 кгс/см2, а в радиальной — 151 кгс/см2. Модуль нормальной упругости древесины, как и все другие характеристики прочности, зависит от влажности древесины и направления приложения нагрузки. Для пород дерева, применяемых в судостроении, модуль упругости вдоль волокон колеблется от 100 000 до 200 000 кгс/см2. При растяжении и сжатии поперек волокон модуль упругости снижается, в 10—30 раз по сравнению со значением модуля упругости вдоль волокон древесины. 19. Пороки древесины Под пороками древесины понимают различные ее повреждения и отклонения от нормального строения. Повреждения возникают как в период роста дерева, так и при его хранении на складе. В период роста дерева могут возникнуть пороки от поражения древесины насекомыми, грибками, искривления формы ствола и волокон от механических разрушений вследствие атмосферных явлений и изменения температуры. Пороки снижают качество древесины и ограничивают область ее применения. Пороки растущего дерева. К порокам растущего дерева относятся гниль древесная, сучковатость, пороки строения ствола и трещины. Гниль древесная характеризуется разрушением клеток древесины. Под действием гнили древесина становится дряблой, изменяет цвет, легко крошится и превращается в труху. Гниение в большинстве случаев вызвано грибами. Грибки получают необходимое питание из клеток живых растений (паразитные грибки) или мертвых органических веществ (сапрофитные грибки). Гниль древесины относится к заразным заболеваниям. Благоприятными условиями развития гнили является повышенная влажность. В зависимости от района повреждения, поперечного сечения древесины, цвета и структуры различают: - сердцевинную, или внутреннюю, гниль, поражающую центральные слои ствола; - заболонную гниль, которая поражает заболонь и наружные слои ствола; - белую гниль, придающую древесине более светлый оттенок; - бурую гниль, или краснину, — древесина темно-коричневая, бурая или красная. Из насекомых древесину повреждают на корню главным образом жуки-короеды и усачи. Поверхностная червоточина не снижает свойств древесины. Дерево с глубокой червоточиной непригодно для изготовления пиломатериалов. Сучковатость. Под сучковатостью понимается наличие сучков в стволе дерева, изменяющих направление волокон древесины, нарушающих сплошность и однородность ее. Сучковатость ухудшает механические свойства древесины. Наиболее часто встречаются: 1) сросшиеся сучки (здоровый или роговой). Здоровый сучок окрашен в цвет окружающей его древесины или несколько темнее ее, роговой — сильно пропитан смолой и окрашен темнее, чем окружающая его древесина; 2) несросшиеся сучки (твердый, рыхлый, смолевой и табачный). Твердый выпадающий сучок не связан с окружающей его древесиной, рыхлый — представляет первую стадию разрушения древесины под влиянием гнили, табачный — последнюю стадию; 2) частично сросшиеся и заросшие сучки. К ним относятся крапивный сучок и пасынок. Крапивный сучок имеет губчатое строение, буроватую окраску и заметные крапинки. Гниль такого сучка заразна и быстро распространяется по древесине. Пасынок — сучок, образовавшийся из боковой ветки, вросший в древесину. Пасынок нарушает строение древесины. К порокам строения ствола дерева относятся: - свилеватость — уклонение волокон древесины от оси ствола. Свилеватость может быть волнистой или струйчатой; - завиток — местное искажение годовых слоев, обусловленное влиянием сучков; - крень — эксцентричность роста по диаметру ствола; - косослой — древесные волокна направлены не параллельно оси ствола, а косо, и образуют вокруг ствола спираль. Доски из косослойной древесины непрочные. Косослойные бревна могут быть использованы для пиллерсов и кнехтов деревянных судов; - наплывы (капы) встречаются на стволах и корнях деревьев. У наплыва с сильно свилеватой структурой твердость и сопротивление сжатию почти одинаковы во всех направлениях. Наплывы используются для приготовления деревянных молотков и мушкелей; - сбежистость — относительно равномерное уменьшение диаметра ствола по направлению от комля к вершине; - кривизна — наиболее частый и существенный порок древесины, возникающий вследствие неправильного роста ее. Трещины, появляются на стволе в результате изменения температуры и влажности атмосферы. Различают следующие виды трещин: - морозобоины — наружные продольные трещины, появляются при сильных морозах; - метик — внутренние трещины в радиальном направлении от центра к периферии; - отлуп — внутренние трещины, проходящие по годичным слоям; - солнечные трещины — наружные, образуются на поверхности при быстром высыхании древесины (бревен или пиломатериалов). Трещины являются проводниками влаги, способствуют распространению гнилей и снижают качество древесины. Пороки срубленной древесины появляются главным образом в процессе неправильного хранения древесины на складах и ее эксплуатации в конструкциях. Древесина разрушается от поражения различными грибами, насекомыми и от растрескивания. Многие дефекты возникают при повышенной влажности и отсутствии вентиляции. В этих условиях пиломатериалы поражаются синевой, получают зеленый цвет или розовую окраску в результате заражения грибами. Мебельный точильщик поражает мебель, изготовленную из хвойных и лиственных пород, жук-короед — древесину в полуфабрикатах и пиломатериалах. В морских сооружениях древесина любых пород может подвергаться разрушению некоторыми видами моллюсков и ракообразных. Наиболее опасен моллюск, известный под названием морского червя, или шашня. Шашень проделывает отверстие в древесине и разрушает ее, превращая в труху. 20. Защита древесины от гниения и воспламенения Основные недостатки древесины — горючесть и подверженность загниванию. С целью предохранения от загнивания древесину пропитывают под давлением, вымачивают или промазывают специальными химическими веществами — антисептиками. Для повышения огнестойкости ее пропитывают антипиренами. В качестве антисептиков используют слабые водные растворы фтористого натрия (в меньшей степени хлористого цинка, медного купороса), нитропроизводные фенола, креозотовое масло; для дезинфекции поверхности древесины — сернистый ангидрид, формальдегид и хлорпикрин в паро- и газообразном состоянии. Антисептики убивают грибы или замедляют их рост. Антисептированию подвергаются заготовки, готовые детали и изделия. Антипирены при нагревании плавятся и, выделяя кристаллизационную воду, покрывают изделия огнезащитной пленкой или разлагаются с выделением большого количества негорючих тазов. В качестве антипиренов применяют буру, сернокислый аммоний, хлористый цинк, хлористый аммоний. Огнезащитные составы, включающие несколько веществ, наносятся в виде водных растворов. В качестве связующего применяется жидкое стекло. На судостроительных предприятиях наибольшее распространение получил способ комбинированной пропитки антисептиками и антипиренами под давлением. Процесс пропитки производится в автоклавах. Предварительно высушенная до 18% влажности древесина помещается в автоклав, в котором сначала создается вакуум. Эта операция позволяет отсосать из древесины воздух, после чего в автоклав подается пропиточный состав. Процесс пропитки осуществляется под давлением до 18 кгс/см2 и длится от 12 до 20 ч. Вымачивание дерева в антисептическом растворе в течение 7—14 суток менее эффективно, так как состав неглубоко проникает в древесину. Пропитка антисептиками и антипиренами не приводит к заметным изменениям механических свойств древесины. 21. Сушка и хранение древесины Лесоматериалы, поступающие на судостроительные предприятия, имеют повышенную влажность и не могут быть сразу же использованы. Для уменьшения влажности лесоматериалы подвергаются естественной сушке на открытом воздухе или искусственной сушке в специальных сушильных установках. Естественная воздушная сушка осуществляется на лесных складах предприятия. Лесоматериалы укладывают в штабеля и хранят под открытыми или закрытыми навесами. Ввиду того что регулировать температуру, влажность и циркуляцию окружающего воздуха невозможно, процесс естественной сушки занимает от 2 до 6 лет. Однако влажность древесины удается снизить только до 20 — 22%. При воздушной сушке влага интенсивно испаряется с торцов пиломатериалов, отчего последние растрескиваются. Для устранения этого дефекта торцы закрашивают краской или специальной мастикой. Искусственная сушка древесины позволяет осуществить стерилизацию и сократить длительность процесса до нескольких часов или суток. При этом влажность древесины удается снизить до 7 - 10%. Одним из видов искусственной сушки является камерная сушка. Режим сушки (относительная влажность воздуха и температура) устанавливается в зависимости от породы древесины и сечения заготовок. При камерной сушке циркуляция воздуха осуществляется путем конвекции или принудительно. В поле токов высокой частоты длительность сушки сокращается в 200 — 250 раз (по сравнению с длительностью камерной сушки). Древесина нагревается в высокочастотном поле в результате диэлектрических потерь. Равномерный нагрев древесины исключает появление высоких напряжений по сечению, обеспечивает высокое качество сушки и позволяет получить влажность древесины до 3%. В токах высокой частоты сушат лесоматериалы, предназначенные для изготовления ответственных деталей деревянных судов. В последнее время широкое применение находит сушка древесины в жидкой среде. В качестве жидкой среды используется петролатум (продукт переработки нефти) и вода. Пиломатериалы загружаются в металлические баки с петролатумом, который нагревается до 120—130°С. Процесс сушки считается законченным, если на поверхности петролатума прекратится «кипение», т. е. выход паров влаги из древесины. Длительность сушки в петролатуме в 10 — 20 раз меньше, чем при камерной сушке. Новым методом, который уже внедрен на нескольких судостроительных предприятиях, является сушка твёрдолиственных пород в воде с помощью установок электрического тока промышленной частоты. Принцип действия этих установок состоит в следующем: ток, протекающий от одного электрода к другому, проходит через древесину, равномерно прогревая ее по всей толщине. Через некоторое время лесоматериалы вытаскивают наружу, на воздух. Резкий перепад температур с 90 до 20°С приводит к возникновению внутреннего давления. Дерево как бы «выдыхает» избыточную влагу. Сочетание нескольких нагревов и охлаждений позволяет получить древесину с 12—15% влажности. 22. Лесоматериалы и древесные материалы, применяемые в судостроении Лесоматериалы. Сортамент лесоматериалов, применяемых в судостроении, весьма разнообразен (рис. 6). Бревна (кряж) используют для выпиловки пиломатериалов, изготовления фанеры, в качестве строительных лесов, упоров, подстав и для вспомогательных работ при постройке и спуске судов. - Рис. 6. Заготовки лесоматериалов, применяемых в судостроении; а — бревно (кряж); б —пластины; в — брусья, г — бруски; д— доски (обрезные 1, полуобрезные 2, необрезные 3); е — шпон (лущеный 4, строганный 5). Пластины представляют половины бревен продольной распиловки. Их применяют для вспомогательных нужд при постройке судна. Брусья — бревна, опиленные с четырех сторон. Используются для изготовления деталей спускового устройства, привальных брусьев судов, набора клеток, кильблоков и для выпиловки досок. Бруски имеют ту же форму, что и брусья, но меньше по размерам. Бруски специальной распиловки применяют для настилов палуб. Доски по характеру обработки кромок делятся на обрезные, полуобрезные и необрезные. Все пиломатериалы по качеству древесины и обработке делятся на шесть сортов: отборный, 1, 2, 3, 4 и 5. Шпон — плоский тонкий лист древесины, полученный лущением (лущеный шпон) или строганием (строганный шпон). Применяется для изготовления фанеры и декоративной отделки мебели; вырабатывается из лиственных и хвойных пород дерева. Текстура шпона зависит от направления среза шпона. Древесные материалы. Недостатком натуральной древесины является анизотропия физических и механических свойств. В меньшей степени эти недостатки проявляются у искусственных древесных материалов, таких, как фанера, слоистые пластики и различного рода плиты. Искусственные древесные материалы получают в результате склеивания шпона, стружки и пиломатериалов, с последующей химической и механической обработкой. Фанеру изготовляют склеиванием взаимно перпендикулярных слоев шпона. Наружные слои фанеры называются рубашками, а внутренние — серединками. Для изготовления фанеры используются практически все хвойные и лиственные породы древесины. Фанера считается сделанной из той породы дерева, из которой выполнена ее рубашка. Обычно фанера содержит нечетное число слоев: три, пять, семь, что позволяет получить материал симметричной конструкции и тем самым уменьшить коробление фанеры в процессе эксплуатации. По сравнению с пиломатериалами фанера имеет большую гибкость и меньший коэффициент расширения по всем направлениям. В судостроении используется несколько видов фанеры: клееная (ГОСТ 3916—69); облицованная строганным шпоном (ГОСТ 11519—65); декоративная, склеенная из листов шпона и облицованная пленочными покрытиями в сочетании с декоративной бумагой (ГОСТ 8686—58); березовая (ГОСТ 102—49); бакелизированная (ГОСТ 11539—65). Фанера клееная толщиной от 2,5 до 19 мм поставляется трех марок: - повышенной водостойкости, склеенная фенолоформальдегидными клеями (марка ФСФ); - фанера средней водостойкости, склеенная карбамидными клеями (марка ФК); - фанера, склеенная альбумино-казеиновыми клеями (марка ФБАД). Используется при отделке помещений, для настила полов и зашивки изоляции, а также для изготовления мебели. Фанера, облицованная строганным шпоном, имеет одну или две рубашки. В зависимости от вида применяемого клея она подразделяется на фанеру марки ФОФ, склеенную фенолоформальдегидными клеями, и фанеру марки ФОК, склеенную карбамидными клеями. По текстуре строганного шпона фанера делится на радиальную, полурадиальную и тангенциальную. Она используется в качестве облицовочного материала при изготовлении мебели и декоративной зашивки судовых помещений; поставляется толщиной до 10 мм. Фанера декоративная, склеенная из листов шпона и облицованная смоляными мочевино-меламинофенолоформальдегидными пленочными покрытиями в сочетании с декоративной бумагой или без нее. Различают фанеру марки ФО-1 с облицовкой поверхности древесины пленкой и марки ДФ-2 с облицовкой поверхности древесины пленкой и декоративной бумагой. Фанера изготовляется толщиной от 1,5 до 12 мм. Пленка фанеры является водо-, тепло-и светостойкой и прочно склеивается с подслоем фанеры. Этот вид фанеры находит применение для отделки судовых помещений и мебели. Фанера березовая состоит из трех и более нечетных слоев лущеного березового шпона, склеенных между собой, поставляется трех марок, различающихся видом клея. В судостроении для внешних обшивок применяется атмосферостойкая березовая фанера повышенной жесткости с рубашкой, состоящей из двух слоев. Толщина такой фанеры достигает 6 мм. Рис. 7. Столярная плита. 1 — средняя часть плиты (из реек); 2 — шпона. Фанера бакелизированная изготовляется из листов березового лущеного шпона, склеенных между собой при взаимно перпендикулярном направлении волокон древесины феноло- или крезолформальдегидными смолами. Эта фанера обладает высокой водостойкостью и прочностью. Применяется для отделки судовых помещений, изготовления мелких судов, шлюпок и катеров. Размеры листов бакелизированной фанеры соизмеримы с размерами стальных листов. Поставляется она в толщинах от 5 до 18 мм и бывает нескольких марок, различающихся способом пропитки рубашек и серединок. Столярные плиты представляют щиты, оклеенные шпоном (рис. 7). Средняя часть плиты состоит из склеенных брусков, блоков, реек или блоков шпона. Столярные плиты обладают высокой формоустойчивостью. Они широко используются для изготовления крышек столов, дверей, стенок шкафов, межкаютных легких выгородок и для отделки помещений. Плиты, выпускаемые промышленностью, имеют толщину от 16 до 50 мм. Максимальные размеры плит (длина и ширина) составляют 2500 ∙ 1525 мм. Столярные плиты, устанавливаемые на судах, пропитываются огнезащитными составами и антисептиками. Плиты древесностружечные (ГОСТ 10632—70) изготовляют горячим прессованием древесной стружки со связующими веществами, используют для отделки судовых помещений. Плиты могут быть облицованными и необлицованными; облицовка производится бумагой, лущеным шпоном и фанерой. Толщина плит от 10 до 50 мм. Максимальная длина и ширина плит —3500 ∙ 1750 мм. Объемный вес — от 500 до 800 кг/м3. Плиты древесноволокнистые твердые с окрашенной поверхностью (ГОСТ 8904—66) изготовляют горячим прессованием волокон древесины со связующими и применяют для отделки помещений и мебели. С лицевой стороны плиты покрыты эмалями или красками, а с обратной — грунтом. Толщина плиты колеблется от 3 до 6 мм. Пластики древесные слоистые (ГОСТ 8697—58) представляют собой листовой материал, состоящий из листов шпона, пропитанных синтетической смолой резольного типа и склеенных в процессе термической обработки под давлением. В зависимости от расположения волокон в смежных слоях шпона различают древеснослоистые пластики (ДСП) марок ДСП-А, ДСП-Б, ДСП-В, ДСП-Г. Буквы А, Б, В, Г указывают на порядок укладки шпона в пластике: А — волокна древесины во всех слоях имеют параллельное направление или каждые четыре слоя с параллельным направлением чередуются с одним слоем, имеющим направление волокон под углом 20—25° к смежным слоям; Б — каждые 5—20 слоев с параллельным направлением волокон чередуются с одним слоем, в котором направление волокон перпендикулярно направлению их в смежных слоях; В — направление волокон во всех смежных слоях взаимно перпендикулярное; Г — направление волокон в смежных слоях последовательно смещено на 25—30°. Древеснослоистый пластик марки ДСП-А используется для изготовления дейдвудных подшипников, марок ДСП-Б и ДСП-В — как антифрикционный материал для подшипников, вкладышей и втулок, марки ДСП-Г — для зубчатых колес и пар трения. Древеснослоистые пластики имеют небольшой объемный вес (от 1,25 до 1,33 г/см3). Предел прочности при сжатии вдоль волокон колеблется для разных марок ДСП от 1200 до 1800 кгс/см2, а предел прочности при растяжении — от 1100 до 3000 кгс/мм2. ДСП обладают высокой твердостью (25 кгс/см2), масло- и водостойки, хорошо обрабатываются; поставляются в виде листов толщиной от 15 до 60 мм, длиной до 5600 мм, а шириной до 1200 мм. Прессованная древесина представляет материал, полученный прессованием заготовок древесины при повышенной температуре. Промышленность поставляет прессованную древесину (ДП) следующих марок: ДП-О, ДП-К, ДП-KII, ДП-ГТ, ДП-ГП. Буквенные знаки после ДП указывают на способ прессования древесины: О — одноосное равномерное; К — контурное прессование сложное; KП — контурное прессование полое; ГТ — гнутое торцевое, простое и сложное; ГП — гнутое поперечное с последующим радиальным прессованием изнутри. Прессованная древесина является заменителем цветных металлов. Она обладает высокими механическими и антифрикционными свойствами, износоустойчива. В качестве сырья для прессования может быть использована древесина лиственных и хвойных пород. Изделия из прессованной древесины используются в судовом машиностроении для втулок и вкладышей мелких подшипников, различного рода прокладок, сальниковых уплотнений, ползунов, крейцкопфов двигателей. Прессованная древесина имеет объемный вес от 110 до 130 кг/м3. Предел прочности ее при сжатии вдоль волокон — от 1000 до 1200 кгс/см2; торцевая твердость — до 18 кгс/см2. ДП хорошо воспринимает ударные нагрузки и гасит вибрацию; обладает тем преимуществом перед другими антифрикционными материалами, что может работать в абразивных средах. Тема 4.3. Лакокрасочные материалы. 23. Назначение и основные компоненты лакокрасочных материалов Лакокрасочные материалы в судостроении широко применяют для защиты металлического корпуса судна, механизмов и оборудования от коррозии, а деревянных конструкций от гниения, предохранения подводной части корпуса судна от обрастания и для декоративной отделки помещений и оборудования. Лакокрасочные материалы состоят из следующих основных веществ: пленкообразующих (связующих), пигментов, сиккативов (сушек), растворителей, разбавителей и наполнителей. К пленкообразующим веществам относятся высыхающие масла, олифы, природные смолы, искусственные и синтетические пленкообразующие. Они способствуют образованию прочной и плотной пленки, повышают ее адгезию (прилипание) к окрашиваемым поверхностям. К высыхающим маслам относятся льняное, конопляное и тунговое. Олифы изготовляют из растительных масел, жиров и органических продуктов. Они делятся в зависимости от состава на натуральные, полунатуральные и искусственные. Натуральные олифы состоят из конопляного, льняного и другого растительного масла и сиккатива (окиси свинца, марганца), который ускоряет их высыхание (натуральные олифы высыхают в течение 10—12 ч, а сырое растительное масло — только через 5—7 суток). Натуральные олифы дефицитны и дороги, поэтому их применяют при приготовлении лакокрасочных материалов для особо ответственных работ. Полунатуральные олифы состоят из касторового, подсолнечного, соевого масла или их смесей, сиккатива и разбавителя или растворителя (до 45 %), который сокращает расход масел. К полунатуральным олифам относятся оксоль, сульфоксоль, полимеризованная ИМС (Института минерального сырья), касторовая и комбинированная. Из полунатуральных олиф приготовляют лакокрасочные материалы, предназначенные для ответственных работ. Искусственные олифы — продукты переработки нефти, сланцевой смолы, канифоли и других веществ — не содержат растительных масел. Применяют следующие искусственные олифы: карбоноль, нафтеноль, абиетоль и олифу С. Их используют для приготовления лакокрасочных материалов, предназначенных для неответственных работ. По защитным свойствам краски, составленные на основе заменителей, уступают краскам, составленным на натуральной олифе. Поэтому для окраски подводной части корпуса и ответственных конструкций судна предпочтительно использование красок на натуральной олифе или лаковой основе. Из природных смол в качестве пленкообразующих веществ применяют канифоль (гарпиус), шеллак, копалы и асфальты. Канифоль состоит из смоляных ненасыщенных кислот и продуктов их превращения, которые получают из сосновой смолы (живицы). Она растворяется в спирте, скипидаре, бензоле, нефтяных и растительных маслах и нерастворима в воде. При температуре 50 - 700С размягчается, с при 1200С становится жидкой. На воздухе канифоль постоянно окисляется и в таком виде называется «винсолом». Шеллак получают очисткой гуммилака — продукта жизнедеятельности группы насекомых, живущих в тропиках Юго-Восточной Азии (индия, цейлон, таиланд). Шеллачная смола хорошо растворяется в спирте, ацетоне, образуя спиртовый лак высокого качества. При температуре около 600С она размягчается и при 1400С плавится. При продолжительном нагреве в интервале температур 150 – 2000С шеллак переходит в термореактивное состояние – неплавкую и нерастворимую смолу. Применяется для приготовления спиртовых лаков. Копалы — твердые и тугоплавкие смолы, собираемые с хвойных деревьев тропических стран, а также ископаемые остатки разложившихся в земле хвойных деревьев (наиболее ценные копалы). Имеют температуру размягчения около 2000С, трудно растворяются в органических растворителях. Применяется для приготовления спиртовых лаков. Природные асфальты (битумы) — продукты сгущения и уплотнения нефти и тяжелых масел. Применяется для приготовления асфальтовых лаков. Асфальты имеют чёрный или тёмно-коричневый цвет, хорошо растворяются в скипидаре, керосине, других летучих растворителях, образуя чёрные лаки. В спирте и воде битум не растворим. К искусственным пленкообразующим веществам относятся искусственные асфальты (пеки), эфиры целлюлозы (нитроцеллюлоза, ацетилцеллюлоза и этилцеллюлоза). Искусственные асфальты (пеки) — получают из остатков сухой перегонки нефти и каменного угля. К синтетическим пленкообразующим веществам относятся: виниловые (поливинилбутираль, полихлорвинил, винилацетат), фенолоформальдегидные (идитол и бакелит), алкидные (глифталь и пентафталь), эпоксидные, полистироловые, полиуретановые, неопреновые и другие смолы. Пигменты — это тонкоизмельченные вещества минерального происхождения, придающие лакокрасочным материалам цвет и некоторые специальные свойства. По способу получения пигменты делятся на естественные и искусственные. Естественные пигменты получают механической обработкой природных материалов, а искусственные — путем термической или химической обработки сырья. К естественным пигментам относятся: сурик железный, мумия, охра, умбра, а к искусственным — сурик свинцовый, белила (свинцовые, титановые, цинковые и литопонные); крон (свинцовый и цинковый), ультрамарин. В качестве пигментов применяют также металлические порошки (алюминиевый, бронзовый, медный, цинковый). Сиккативы (сушки) — соли или окислы металлов (свинец, кобальт, марганец), сплавленные с растительными маслами, канифолью или нафтеновыми кислотами. Их вводят в лакокрасочные материалы для ускорения высыхания. Растворители и разбавители разжижают лакокрасочные материалы и помогают довести их до рабочей вязкости. В качестве растворителей обычно применяют летучие жидкости, которые после нанесения лакокрасочного покрытия быстро испаряются. К ним относятся скипидар (терпентиновое масло), бензин и лаковый керосин (уайт-спирит), бензол, ацетон, сольвент, толуол, спирты (метиловый, этиловый и бутиловый). Скипидар — бесцветная жидкость с характерным запахом, получаемая перегонкой смолы хвойных деревьев; является наилучшим растворителем для масляных и эмалевых красок и лаков. Бензин и уайт-спирит — жидкости, получаемые из нефтепррдуктов. Более дешевым является уайт-спирит, который входит в состав многих масляных и эмалевых красок. Бензол — жидкость, получаемая перегонкой нефти и каменноугольной смолы. Его подразделяют на нефтяной и каменноугольный и применяют для растворения лаков. Ацетон — жидкость, получаемая из продуктов сухой перегонки древесины; употребляют для растворения нитролаков. Сольвент и толуол — жидкости, образуемые из продуктов перегонки каменноугольной смолы. Наиболее широко применяют сольвент в смеси с уайт-спиритом для разведения эмалевых красок, а также битумных, пентафталевых и глифталевых лаков. Спирты — жидкости, получаемые путем брожения из сахаросодержащих веществ древесины, зерна, картофеля. Служат для растворения лаков. Наполнители (тальк, каолин, мел, графит, слюда, жжёная кость) используют в целях экономного расходования пигментов и улучшения некоторых свойств красок. Не обладают красящей способностью. Правильный выбор наполнителей положительно сказывается на адгезии, атмосферо- и водостойкости, прочности и твёрдости покрытия, устраняет расслаивание и образование плотных осадков при длительном хранении ЛКМ. Для улучшения свойств наполнители подвергают дополнительному измельчению – микронизации. Пластификаторы применяют для повышения эластичности плёнки лакокрасочного покрытия. Они так же повышают адгезию, морозостойкость, водонепроницаемость покрытия. Пластификаторами служат малолетучие жидкости – касторовое масло, дибутилфталат. 24. Основные виды лакокрасочных материалов Выпускаемые промышленностью лакокрасочные материалы делятся по роду пленкообразующих веществ, назначению, составу, цвету. По роду пленкообразующих веществ они делятся на группы, которые имеют следующие условные обозначения: АД — полиамидные смолы; АК — акриловые и метакриловые смолы; АМЛ — алкидномеламиновые смолы; АМЧ — алкидномочевинные смолы; АСТ — алкидностирольные смолы; АУ — алкидноуретановые смолы; АФЛ — алкиднофенольные смолы; АЦ — ацетилцеллюлоза; АЭП — алкидноэпоксидные, смолы; БТ — битумные (битумы, асфальты, лаки); ВА — поливинилацетатные; ВЛ — поливинилацетатные, смолы; ГФ — глифталевые; КФ — канифольные; КЧ — каучуковые; МА — масляные (на основе растительных масел); МЛ — меламиновые; МЧ — мочевинные; НА — нитроалкидные; НЦ — нитроцеллюлозные; ПС — полистирольные; ПФ — пентафталевые,; УР — полиуретановые; ФА — фенолалкидные; ФЛ — фенольные; ФП — фторопластовые; ХВ — поливинилхлоридные и перхлорвиниловые; ХС— хлорвинилосополимерные; ХВА — перхлорвинилалкидные; ЭП — эпоксидные смолы; ЭТ — полиэтиленовые и полиизобутиленовые; ЭЦ — этилцеллюлозные и многие другие группы. Растворение любого плёнкообразующего вещества в растворителе приводит к образованию лаков (лак – основа, покрывной лак), которые могут наносится на окрашиваемую поверхность как конечный ЛКМ. При введении в лак – основу пигмента получается эмаль (эмалевая краска). Растительные масла с пигментом называют масляными красками или красками. При большом содержании пигмента они называются густотертыми красками. Эмали и краска широко используются для защиты судов от коррозии, декоративной отделки наружных и внутренних поверхностей корпуса, нанесения знаков и марок, окраски трубопроводов. По назначению лакокрасочные материалы делятся на следуюцще группы: атмосферостойкие (1), стойкие внутри помещений (2), ограниченно атмосферостойкие (2), водостойкие (4), специальные (5), маслобензостойкие (6), химически стойкие (7), термостойкие (8) и электроизоляционные (9). Они условно обозначаются цифрами от 1 до 9. Две особые группы составляют грунтовки (0) и шпатлевки (00). Грунтовка — это лакокрасочный материал, наносимый непосредственно на окрашиваемую поверхность с целью предохранения ее от коррозии и обеспечения хорошей прилипаемости (адгезии) последующих слоев покрытия к окрашиваемой поверхности. Шпатлевку применяют для улучшения внешнего вида поверхностей путем исправления (заделывания) дефектов (вмятин, раковин, царапин) на загрунтованной поверхности. В зависимости от состава все лакокрасочные материалы подразделяют на три основные группы — лаки, краски и эмали. Лаки — это жидкости, состоящие из смол или смолоподобных веществ, растворенных в каком-либо растворителе. В некоторые лаки вводят также пигменты, придающие ему необходимый цвет, и сиккативы, ускоряющие их высыхание. Лаки после высыхания на поверхности образуют пленку, которая защищает поверхности конструкций и изделий от коррозии или придает им газонепроницаемость, водостойкость и другие свойства. В зависимости от температуры высыхания различают лаки холодной и горячей сушки. Лаки холодной сушки (общего употребления) высыхают при обычной температуре, а лаки горячей сушки (специального назначения) — при повышенных температурах. По цвету лаки делят на бесцветные, светлые (от светло-желтого до коричневого) и черные (битумные). Краски выпускают в виде порошков, паст и вязких жидкостей. Порошки и пасты перед употреблением предварительно разводят до рабочей густоты. Эмали отличаются от красок тем, что в качестве пленкообразующего (связующего) вещества в них используются только лаки. Они быстрее высыхают и образуют более твердую и глянцевую пленку, чем краски. Для всех лакокрасочных материалов введены единообразные условные обозначения, в которых указывается название (лак, краска, эмаль или грунтовка), род пленкообразующего вещества (АД, АК, АМЛ, АМЧ), преимущественное назначение (цифрами от 1 до 9 и 0), порядковый номер и цвет. Например, эмаль НЦ-25 — эмаль нитроцеллюлозная (НЦ), стойкая внутри помещений (2), имеет порядковый (регистрационный) номер 5, голубая. Марки этинолевых красок состоят из букв и цифр. Первые две буквы ЭК обозначают «этинолевая краска», последующие одна или две буквы — название пигмента, а цифры — содержание пигмента в процентах. Пигменты имеют следующие обозначения: А — алюминий, Г — графит, С — сажа, ЖС — железный сурик, БЦ — белила цинковые, СС — свинцовый сурик, Ц — цинк. Марки этинолевых красок читаются следующим образом: ЭКСС-50 — этинолевая краска, содержит 50% свинцового сурика, остальное — этинолевый лак. В некоторых случаях лакокрасочные материалы могут иметь номерные (например, лак №411) и другие условные обозначения. В судостроении применяют разнообразные лакокрасочные материалы: грунтовки марок ВЛ-02, ВЛ-08, ВЛ-023, ФЛ-ОЗК, ФЛ-ОЗКК, ФЛ-ОЗЖ, ЭФ-065, ЭФ-066, БЭП-0126; краски (масляные, этинолевые, эмульсионные и др.); лаки (масляные, спиртовые, битумные и др.); эмали (масляные, виниловые, глифталевые, пентафталевые). В связи с тем, что суда эксплуатируются в особых условиях, приходится кроме общеупотребляемых применять специальные лакокрасочные материалы. К ним относятся противокоррозионные, негорючие, противообрастающие, флуоресцентные (светящиеся). Противокоррозионные лакокрасочные материалы предназначены для окраски корпусов судов и корпусных конструкций, подвергающихся усиленной коррозии. К ним относятся материалы следующих марок: ХС-534, ХС-782, ЭП-46, ЭП-72, ЭП-755, ЭКА-15, ЭКЖС-40 и др. Негорючие лакокрасочные материалы применяют для защиты оборудования и специальных судовых помещений от огня, а также окраски конструкций, подверженных сильному нагреву (дымовые трубы, кожухи котлов, выхлопные трубы). Их приготовляют на глифталевом или пентафталевом лаке с добавлением антипиренов. Противообрастающие лакокрасочные материалы предназначены для защиты подводной части корпуса судна от обрастания морскими организмами. В их состав вводят ядовитые вещества (соединения ртути и меди, органические токсины), которые, выделяясь из пленки, убивают морские организмы. Особенность лакокрасочных материалов этого типа заключается в необходимости возобновления их при каждой постановке судна в док независимо от его срока пребывания в воде. К группе необрастающих лакокрасочных материалов относятся марки ХВ-53, ХС-79, ХС-512, ХС-519, ХС-526, ХС-712, КЧ-520, КЧ-528, КЧ-529, КЧ-5111, КФ-751, ХВ-5112, ХВ-5151 Их обычно наносят по грунту или этинолевой краске перед спуском судна на воду. Флуоресцентные лакокрасочные материалы после облучения светятся в темноте; их наносят на сигнальные или опознавательные знаки. К ним относятся марки АС-554, АС-554К, АС-560. Окрашивать судовые корпусные конструкции, оборудование, устройства, дельные вещи и механизмы можно лакокрасочными материалами различных марок в зависимости от условий их эксплуатации и вида окрашиваемых материалов. Большое значение для качественной окраски имеет подготовка поверхностей, которые должны быть тщательно очищены от окалины, ржавчины, грязи. После очистки наносят один или несколько слоев грунта. Перед спуском судна на воду выполняют первичную окраску, а перед сдачей судна заказчику — окончательную. Тема 4.4. Изоляционные материалы. Палубные покрытия. Насалки. Цементы и бетоны. 1. Изоляционные материалы, назначение и применение в судостроении и ремонте судов Изоляционные материалы применяют для покрытия поверхностей с целью уменьшения теплообмена между средами с различной температурой, а также для снижения уровня шума в судовых помещениях. В связи с этим все изоляционные материалы делятся на теплоизоляционные и звукоизоляционные. Звукоизоляционные материалы препятствуют проникновению шума извне и его распространению. Материалы, снижающие интенсивность звука относятся к звукопоглощающим. Наибольший эффект обеспечивают звукоизолирующие материалы, снижающие уровень шума в соседних с его источником помещениях на 30-40 Дб. По Правилам Регистра шум в жилых помещениях не должен превышать 40-50, в рабочих помещениях 80-90, в машинных отделениях 100 Дб. Теплоизоляционные материалы служат для покрытия поверхности корпуса, судовых энергетических установок и систем, что способствует сокращению потерь тепла и сохранению необходимых температур в помещениях судна и, таким образом, созданию благоприятных условий обитаемости, сохранению заданных температур в рефрижераторных камерах и трюмах, предохранению судовых конструкций и систем от отпотевания, труб от замерзания, т. е. созданию нормального режима работы оборудования. Внутри корпуса судна изолируют борта, палубы, переборки, двери, крышки люков, тамбуры и иллюминаторные коробки. В энергетических установках и системах судна изоляцию устанавливают на главных механизмах и котлах, вспомогательных механизмах, трубопроводах с температурой рабочей среды выше 330 К и ниже 260 К, трубопроводах рефрижераторных установок. Все теплоизоляционные материалы должны удовлетворять следующим требованиям: иметь низкий коэффициент теплопроводности, малую массу, низкую гигроскопичность и водопоглощение, быть тепло- и огнестойкими, стойкими против гниения, порчи насекомыми и грызунами. Кроме того, они должны быть недорогими и изготовляться из недефицитного сырья. В судостроении применяются следующие виды изоляционных материалов: Пробка — кора пробкового дуба или бархатного дерева — имеет низкий коэффициент теплопроводности и малую плотность. Ее используют в виде пробковой крупы (крошки), пробковых и экспанзитовых плит. Пробковую крупу (крошку) применяют в качестве наполнителей специальных мастик для наружных покрытий изоляции корпуса и клеевых шпаклевочных мастик, а также в виде обсыпной изоляции по мастике или клею для изоляции тамбуров,' труб вентиляции и деталей насыщения в труднодоступных местах. Пробковые плиты изготовляют прессованием размельченной коры пробкового дуба, связанной органическим водостойким веществом (столярный клей, смола, каменноугольный пек и др.). Они служат для изоляции корпуса (бортов, подволок и переборок), вентиляционных каналов, рефрижераторных трубопроводов и оборудования. Экспанзитовые плиты изготовляют прессованием крупной пробковой крошки в металлических формах при нагреве до 550 К без добавления клеящих веществ. Склеивают крошку в плиты с помощью смолистых веществ выделяемых при нагреве. Экспанзитовые плиты применяют в тех же случаях, что и пробковые, но они превосходят их по теплоизоляционным качествам и долговечности. Изоляционные материалы из пробки дефицитны, горючи, подвержены гниению, поэтому их применение в настоящее время ограничено. Асбест— волокнистое вещество минерального происхождения (горный лен), обладающее высокой огнестойкостью, малой теплопроводностью, стойкостью против кислот и щелочей, высокими электроизоляционными свойствами. Его широко используют для изоляции горячих поверхностей котлов, паропроводов, судовых главных и вспомогательных механизмов, дымовых труб, а также в качестве наполнителей многих пластмасс и клеев. Из асбеста изготовляют картон, бумагу, шнуры и ткани. Асбестовый картон и бумагу производят из асбеста с добавлением крахмала и каолина. Картон в сухом состоянии ломок, поэтому перед укладкой изоляции на криволинейные поверхности листы необходимо увлажнить. После высыхания они сохраняют приданную им форму. Асбестовая бумага достаточно эластична и увлажнения не требует. Асбестовый картон и бумагу подкладывают под наружные металлические кожухи судового оборудования и механизмов для уменьшения их нагревания, под теплоизоляционные материалы, обладающие недостаточной температурной стойкостью, применяют в качестве основного теплоизоляционного материала для конструкций, имеющих малую криволинейность. Асбестовые шнуры изготовляют из длинноволокнистого асбеста с добавлением хлопка. Выпускают различных диаметров, состава сердечника и вида наружной оплетки. Их применяют для изоляции трубопроводов малых диаметров, переходных криволинейных частей, фасонных частей и вибрирующих (например, газовыхлопных труб) элементов. Асбестовую ткань изготовляют из асбестовых нитей на ткацких станках и поставляют в рулонах. Применяют для обшивки трубопроводов малых диаметров, нагреваемых до температуры 720 К, в качестве наружного (покровного) слоя изоляции трубопроводов и для изготовления наружной оболочки теплоизоляционных матрацев. Ньювель — белый порошок, состоящий из смеси окиси магния (магнезии альба) и асбеста. Перед употреблением его замешивают в воде до тестообразного состояния, наносят на изолируемую поверхность, а в целях гидрозащиты обшивают тканью и окрашивают. Ньювель применяют также для изготовления формованных изделий и в качестве наполнителя теплоизоляционных матрацев. Температура нагрева поверхностей, изолируемых ньювелем, не должна быть выше 620 К. Совелит — смесь асбеста и углекислых солей магния и кальция — производят в виде порошка, плит и формованных изделий. Порошковый совелит применяют, как и ньювель, в тестообразном состоянии для изоляции судовых систем, а также в качестве наполнителя теплоизоляционных матрацев. Совелитовые плиты и изделия служат для изоляции трубопроводов, дымоходов, механизмов и т. д. Нагревать поверхности с совелитовой изоляцией допускается до 670 К. Асбозурит — порошок серого цвета, состоящий из смеси диатомита и асбеста. Перед употреблением асбозурит разводят в воде и применяют в пастообразном состоянии. Он обладает повышенной прочностью и температурной стойкостью, поэтому его можно использовать в качестве заменителя ньювеля и совелита для изоляции поверхностей, нагревающихся до 1050 К. Минеральная вата — продукт переработки металлургических или топливных шлаков. Служит для изоляции поверхностей с низкими и высокими температурами нагрева. В судостроении применяют в качестве изоляционного материала также плиты на основе минеральной ваты, проклеенной фенольной смолой или битумной эмульсией. Стекловолокнистые материалы изготовляют из тонких стеклянных волокон и поставляют в виде ваты, матов и плит. Они обладают хорошими изоляционными свойствами, стойки при низких и высоких температурах, имеют малую плотность и не гниют. Служат для изоляции корпуса судна, вентиляционных каналов, рефрижераторного оборудования, механизмов энергетических установок. Пеностекло получают спеканием измельченного порошкообразного стекла в присутствии газообразователя (древесный уголь, кокс). Пеностекло не поглощает влагу, не горит, морозостойко, обладает достаточной теплостойкостью. Его используют для изоляции корпуса судна в рефрижераторных, жилых, служебных и вспомогательных помещениях. Пеностекло обычно поставляют в блоках и распиливают на месте. Асбовермикулитовые материалы изготовляют на основе вермикулита и асбеста с введением в качестве связующего вещества бентонитовой глины. Служат для изоляции энергетических установок, а также в качестве противопожарной защиты судовых конструкций. Они не горят, не загнивают и могут применяться (например, марки ВПИ) при нагреве изолированных поверхностей до 1300 К. Войлок грубошерстный делают из смеси коровьей, овечьей или другой шерсти. Его поставляют в рулонах и применяют для изоляции холодных поверхностей пожарных магистралей, вентиляционных каналов, трубопроводов забортной воды. Недостатком войлока является его горючесть и водопроницаемость. Алюминиевую фольгу изготовляют из чистого алюминия в виде тонких полос, свернутых в рулоны. Применяют ее в гофрированном (мятом) и гладком виде в качестве тепловой и звуковой изоляции. Блестящая поверхность фольги отражает тепловые лучи и таким образом изолирует поверхности конструкций. Она предназначена для изоляции бортов и переборок помещений судна, горячих поверхностей (с нагревом не свыше 750 К) механизмов и трубопроводов. Изоляцию из алюминиевой фольги выполняют в несколько слоев с жестким наружным покрытием. Между слоями находится воздушная прослойка, благодаря которой усиливаются изоляционные свойства. Известково-кремнеземистые материалы представляют собой смеси кварцевого песка, извести, гипса и асбеста. Их выпускают в виде плит и изделий, которые весьма эффективно изолируют поверхности, нагревающиеся до 550—850 К. Торфоизоляционные плиты получают прессованием малоразложившегося торфа и применяют в редких случаях для изоляции рефрижераторных помещений и холодных трубопроводов. Большим недостатком этого материала является повышенная склонность к горению и гниению. Асбодревесные плиты состоят из древесных и асбестовых волокон, пропитанных смолами. Они не горят, легко обрабатываются и служат для изоляции корпуса вместо экспанзита и пробковых плит. Капроновые в о л о к н а применяют в виде матов для изоляции корпуса судна, вентиляционных каналов и трубопроводов. Маты изготовляют из капроновых волокон, соединяя их полиамидным лаком или прошивая капроновой нитью. Капроновые волокна не горят и не гниют. Применяют их для изоляции поверхностей, нагревающихся до температуры не свыше 400 К. Пенопласт и поропласт получили широкое распространение в качестве изоляционных материалов благодаря их малой плотности и высоким звуко- и теплоизоляционным свойствам. Поставляют их в виде жестких или эластичных плит. Жесткие пенопластовые плиты используют в 'настоящее время вместо пробковых и экспанзитовых плит при изоляции корпуса судна, вентиляционных каналов, поверхностей жилых и служебных помещений. Эластичные поропластовые плиты служат для звуко- и теплоизоляции поверхностей помещений судна и в качестве амортизационных материалов. Винипластовые гофрированные плиты (винидур, экадур) изготовляют путем склеивания отдельных гофрированных листов поливинилхлорида. Их применяют обычно для изоляции помещений с повышенной влажностью. Предельная температура нагрева поверхностей, изолированных этими материалами, не должна превышать 330 К. Напыляемую изоляцию наносят на изолируемые поверхности распылением при помощи специальных устройств. Для теплоизоляции корпусов судов широко применяют пенополиуретановую напыляемую теплоизоляцию марок ППУ-ЗН и ППУ-304Н. Этот материал при напылении образует слой пенопласта толщиной до 10 мм, который не надо закреплять на изолируемых поверхностях. Асбоцементная напыляемая противопожарная изоляция, состоящая из асбеста и быстро схватывающего цемента, предназначена для изоляции огнестойких конструкций. Для лучшего закрепления напылённого слоя из изолируемой поверхности на ней устанавливают каркас из проволоки и шпилек. Большинство волокнистых и пористых теплоизоляционных материалов имеют низкую звукопроводность (высокое акустическое сопротивление) и поэтому препятствуют распространению звуковых колебаний. Такими материалами являются: АТИМС, ППУ-304Н, ППЖ-200, ПП-80, ПМ-40, ППМ-80, ПМТБ-2-А, ФС-7-2, ПСВ-С, пеностекло и другие. Материалы для обстройки судовых помещений. Понятие обстройка включает комплекс работ по созданию комфортных условий для жизнедеятельности людей при плавании и перевозке грузов на судах. К работам по обстройке судовых помещений относятся монтаж изоляции, установка дверей и стекол иллюминаторов, обрешетников и каркасов, зашивка и отделка, нанесение палубных покрытий, установка оборудования, мебели, электро- и радиоаппаратуры. При обстройке судовых помещений применяются различные материалы, отличающиеся химическим составом, физико-механическими и теплофизическими свойствами, способами получения и назначением. Применяемые при обстройке материалы классифицируют по химическому составу, природе исходного сырья, форме, плотности, горючести и назначению. Каждая группа материалов может иметь свою дополнительную углубленную классификацию. По химическому составу материалы для обстройки подразделяются на металлы и неметаллические материалы. Применяются черные металлы (стали) и сплавы на основе цветных ме­таллов (чаще всего алюминия). По природе исходного сырья различаются органические и неорганические неметаллические материалы. По форме материалы могут быть подготовлены в виде штучных изделий (теплоизоляционные плиты, сегменты, полу­цилиндры, паркет, керамические плитки, модульные панели зашивки), рулонных и листовых изделий (изоляционные маты, листовой пластик, ковровые изделия, ткани, винилискожа, де­коративные плитки, линолеум), сыпучих масс (вспученные теплоизоляционные материалы). При обстройке помещений применяют материалы низкой — до 100 кг/м3 (тепло- и звукоизоляция), средней — от 100 до 500 кг/м3 (противопожарная изоляция, ковры, ткани) и высокой – более 500- кг/м3 (металлы, дерево, пластмассы, плиты зашивки помещений, пластик, палубные мастики) плотности или объёмной массы. В соответствии с международными требованиями пожарной безопасности и Правилами Регистра все неметаллические материалы в судостроении делятся на горючие и негорючие. Эта классификация зависит от многих характеристик: - температуры при нагреве; - возгораемости – времени, необходимого для воспламенения; - продолжительности самостоятельного горения и тления; - массы до огневого воздействия и после него. 2. Материалы для облицовки помещений. Облицовка выполняется для гидрозащиты и предохранения от механических повреждений изоляции, труб и кабелей, а также для декоративной отделки судовых жилых и служебных помещений. В качестве основных материалов для облицовки помещений применяют металлы, лесоматериалы и пластические массы. Металлы (оцинкованная сталь и алюминиевые сплавы) предназначены для зашивки изоляции судовых помещений и изготовления кожухов на кабели, изолированные трубопроводы и их частей. Металлическую облицовку выполняют в виде листов толщиной от 0,5 до 2,0 мм. При зашивке изоляции листы крепят к деревянному или стальному обрешетнику с помощью винтов. Лесоматериалы (вагонка, фанера и древесные плиты) применяют для зашивки помещений, в которых исключена опасность возникновения пожара. Вагонка (строганные узкие доски с пазами) предназначена для декоративной зашивки изоляции и предохранения ее от механических повреждений, поставляют под зашивку предварительно загрунтованной. Она служит также для отделки грузовых трюмов и цепных ящиков. В последнем случае вагонка служит для уменьшения звука от укладываемых якорных цепей. Фанера, поставляемая для зашивки изоляции и отделки помещений, делится на фанеру-переклейку, облицовочную и декоративную. Фанера-переклейка служит для зашивки помещений с последующей окраской или оклейкой (например, павинолом); поставляют под зашивку предварительно загрунтованной. Облицовочная фанера предназначена для облицовки кают-компаний и салонов; поставляют в виде панелей, фанерованных ценными породами дерева (орех, бук, дуб, карагач). Декоративная фанера имеет полированную поверхность с имитацией текстуры ценных пород дерева. Она стойка к воздействию пресной и морской воды, бензина, керосина, минеральных масел, слабых кислот, пара и применяется для отделки кают. Древесные плиты служат для зашивки изоляции и отделки помещений; делят на столярные, древесностружечные и древесноволокнистые. С лицевой стороны древесностружечные и древесноволокнистые плиты облицованы другими материалами или покрыты красками. С обратной стороны древесные плиты должны быть загрунтованы. Пластические массы (пластмассы) в настоящее время являются основным декоративно-отделочным и облицовочным материалом судовых помещений. Их применяют для отделки переборок, подволоков, различных панелей пассажирских и служебных кают, коридоров, туристских помещений, салонов, а также для зашивки и гидрозащиты изоляции. Пластмассы имеют различный цвет и рисунки, мало загрязняются, не нуждаются в специальном уходе, в частом ремонте и окраске, менее горючи и в несколько раз дешевле. Наиболее распространены трудносгорающий слоистый пластик, древесноволокнистые плиты «Рамолит», глакрезит, линкруст, павинол, автобим, текстовинит. Для изготовления деталей отделки помещений (раскладки, карнизы, плинтусы) используют поливинилхлорид. Слоистый трудносгорающий пластик поставляют с однотонной поверхностью различных цветов и с декоративной поверхностью, имитирующей ценные породы дерева или камня. Древесноволокнистые плиты «Рамолит» получают прессованием древесных волокон с минеральными наполнителями, пропитанными синтетическими смолами, и поставляют облицованными декоративным пластиком или павинолом. Глакрезит получают из пропитанных феноломочевиноформальдегидными смолами стекловолокнистых матов под прессом и поставляют в виде плоских и гофрированных листов. Линкруст — горючий материал на бумажной основе, покрытой специальной массой. Из-за, высокой горючести линкруст находит ограниченное применение. Павинол, автобим и текстовинит — материалы на хлопчатобумажной тканевой основе, одна сторона которой покрыта полихлорвиниловой пленкой с декоративным рисунком. Эти материалы менее горючи, чем линкруст. Поставляют в рулонах. Для защиты от воды плиточной изоляции наносят шпаклевку, затем грунтовку и краску. В качестве шпаклевки применяют специальные лаковый или целалитовый составы, в качестве грунтовки — железный сурик, в качестве лакокрасочных материалов — цинковые белила, эмали и лаки. Гидрозащиту войлочной изоляции обеспечивают покрытием поливинилхлоридной пленкой (ПТГМ-609), пергамином (картон, пропитанный нефтяным битумом) или стеклянной тканью с последующей окрайкой. В качестве изоляционных материалов для холодных трубопроводов используют парусину (плотную льняную ткань) или миткаль (хлопчатобумажную ткань) и окрашивают. 3. Палубные покрытия В зависимости от назначения палуб и платформ на судах применяют следующие покрытия: для открытых палуб — деревянный продольный или чаковый настил, палубные мастики, нескользящие покрытия; для палуб в трюмах — деревянный продольный или щитовой настил, цементное покрытие; для палуб в жилых, общественных, служебных, административных, медицинских и бытовых помещений — линолеум по мастике или непосредственно по настилу палубы, на мелких судах допускается окраска, в некоторых помещениях бытового обслуживания допускается мастика с декоративным слоем; для палуб парадных помещений — паркет; для палуб в бытовых, хозяйственно-пищевых и санитарно-хозяйственных помещениях и кладовых — керамические плитки, в некоторых помещениях допускается линолеум, мастика с декоративным слоем и окраска; для палуб в кладовых судового снаряжения, мастерских и некоторых служебных, санитарно-хозяйственных и хозяйственных помещениях — окраска, в некоторых помещениях допускается линолеум, мастичное и керамическое покрытия. Материалы, применяемые для покрытия палуб, должны отвечать следующим основным требованиям: - предохранять палубу от износа и коррозии, - быть нескользкими для обеспечения безопасного передвижения по палубе, - быть водонепроницаемыми и не выделять вредных веществ, - не разрушаться под воздействием морской воды и нефтепродуктов, - не загнивать, не гореть и не поддерживать горения, - не изменяться под воздействием солнечных лучей и изменения температур, - не деформироваться от ударов грузов, - иметь хорошую адгезию к материалу палубы, - обеспечить тепло- и звукоизоляцию палубы, - иметь декоративный вид. Дерево для покрытия палуб применяют в виде брусков, досок, паркета и фанеры. Бруски и доски для настила палуб изготовляют из качественной древесины сосны, ели, лиственницы и сибирского кедра. Деревянный настил открытых металлических палуб бывает двух видов: продольный и чаковый. При продольном настиле бруски и доски укладывают вдоль палубы без поперечных брусков. Чаковый настил состоит из коротких продольных брусков длиной 1—1,5 м (чаков), которые устанавливают между продольными длинными брусками и закрепляют по концам поперечными прижимными брусками или в «ласточкин хвост», образуя квадраты. Доски и бруски к палубе закрепляют шпильками и перед установкой с нижней, боковых сторон и торцов грунтуют. Металлическую палубу и все изделия на ней грунтуют, а неровности выравнивают при помощи мастик. Для стальных палуб выравнивающая мастика состоит из мела, свинцового сурика и натуральной олифы, для палуб из алюминиевых сплавов — из мела и грунта КФ-030. Пазы и стыки брусков и досок настила в целях герметизации конопатят смоляной паклей и заполняют расплавленной массой, состоящей из древесного вара — пека, магнезита и асбестового волокна. После отделки дважды покрывают натуральной олифой, разогретой до температуры 310—315 К, для повышения водостойкости и срока эксплуатации. Герметизацию стыков и пазов настила можно выполнять с помощью специальной эластичной резиновой ленты, которую закладывают между брусками или досками. Вследствие упругой деформации резины обеспечивается непроницаемость палубы при высыхании и разбухании ее настила. Существует также способ уплотнения пазов путем предварительного (до установки) обжатия брусков по боковым кромкам. После установки брусков восстанавливают размер и зазоры устраняют. Продольные палубные настилы при эксплуатации изнашива-тся более равномерно, чем чаковые, их изготовление и монтаж проще и менее трудоемок. При чаковом настиле легче заменять отдельные бруски при ремонте и проще найти для их изготовления древесину. На разделочных палубах промысловых судов устанавливают двухслойный настил: первый слой — чаковый — крепят к палубе шпильками, а второй — продольный — крепят к чаковому шурупами. В трюмах судов без двойного дна деревянный настил, служащий для укладки грузов и защитой корпусных конструкций днища и трубопроводов от ударов грузами, выполняют из съемных щитов, изготовленных из досок. Паркетом называют строганные узкие (30—90 мм) и короткие (150—500 мм) доски с фальцем или пазами, применяемые в судостроении для покрытия палуб в музыкальных салонах, танцевальных залах и других парадных помещениях пассажирских судов. Его изготовляют из ценных пород дерева: дуба, бука, ясеня, клена и др. На металлических палубах с погибью устанавливают паркет с фальцем по асфальтовой мастике, нанесенной на предварительно загрунтованную каменноугольным лаком палубу. Затекая в фальцы паркета, мастика удерживает его от выпадения. На палубах, выровненных деревянным настилом, применяют паркет с пазами, скрепляя его шипами и прибивая к деревянному настилу оцинкованными гвоздями. После отделки (строжки, циклевания и прошкуривания) паркет натирают мастикой или покрывают бесцветным лаком. Бакелизированную фанеру толщиной не менее 7 мм применяют в качестве покрытия палуб во внутренних помещениях. Ее крепят шурупами к лежневым брускам, образующим клетки. Мастики для покрытия палуб находят все большее распространение и во многих случаях заменяют дерево и линолеум, так как более полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам палубных покрытий и, кроме того, дешевле. Их применяют также в качестве выравнивающих покрытий под керамические плитки, линолеум и паркет. В настоящее время применяют в основном мастики: латексно-цементную («Нева-3У»), нейрито-цементную (609) и эпоксидно-цементную (ПМ-2). Они состоят из различных веществ, выполняющих определенную роль: вяжущую, наполнителя, стабилизатора, пластификатора, красителя, ускорителя сушки Например, мастика «Нева-3У» состоит из латекса, асбеста, портландцемента, песка или гравия, пигмента и стабилизатора марки К. Все палубные мастичные покрытия состоят из трех слоев: грунтовочного, подмазочного и основного, а «Нева-3У» и покрытие марки 609 имеют дополнительный декоративный слой. Мастики «Нева-3У» и 609 не горят и не поддерживают горения, поэтому выполняют функции противопожарной изоляции палуб. После нанесения покрытий их необходимо поддерживать во влажном состоянии в течение 5—7 суток до полного схватывания портландцемента. После отвердевания покрытия без декоративного слоя окрашивают. Для устранения скользкости палуб в местах хождения людей наносят нескользкую мастику НМ-42 и краску НК-101. Мастику применяют в местах повышенного хождения, а краску — ограниченного хождения. Нескользкие покрытия состоят из смеси грунта ГФ-020, поливинилхлоридной смолы, растворителя Р-4, хризотилового асбеста, портландцемента марки 400 и выше и песка. Мастика НМ-42 дополнительно содержит натуральную олифу. Недостатком палубных мастичных покрытий является появление трещин в процессе эксплуатации и отслаивание мастики от палубы. Для внутренних палуб судов применяют декоративное покрытие «Повацэт», состоящее из трех слоев на основе поливинилацетатной эмульсии. Первый (грунтовочный) слой состоит из эмульсии и воды, второй (основной) — из эмульсии, кварца и пигмента, третий (лицевой) — из эмульсии, антипирена, смолы, ортофосфорной кислоты, кварца и пигмента. Его наносят на металлические загрунтованные палубы, деревянный настил, слой выравнивающей мастики, палубы из стеклопластика и др. Линолеум для покрытия палуб является одним из основных и наиболее широко применяемых материалов. Его настилают непосредственно на металлические, деревянные, железобетонные и другие палубы или на мастичные покрытия. Для покрытия палуб используют линолеум следующих марок: нитроленолеум (НЛ), глифталевый (УФ), полихлорвиниловый (ПХВ), резиновый (релин). Его выпускают без основы и на тканевой основе (холст, джут, кенаф) в рулонах и плитках (марки ПХВ). Материалами для изготовления линолеума служат: линоксин, канифоль, копал, пробковая или древесная мука и др. Резиновый линолеум (релин) — двухслойный материал. Нижний слой (основа) состоит из битума, дробленой резины, распушенного асбеста, отходов хлопчатобумажного полотна, серы, стеарина и других добавок, а верхний (декоративный) — из дробленой резины, каолина, вазелинового масла и красителей. Релин имеет цвет мрамора, а другие виды линолеума могут быть различных цветов и рисунков. Палубы металлических судов под наклейку линолеумом выравнивают с помощью специальных мастик марок ЖАМ-4с, ГРЖ, «Целалит-5». Мастику ЖАМ-4с приготовляют на основе масляного лака с введением сиккатива, мела, железного сурика и железоаммониевого фосфата. Мастика ГРЖ состоит из мела, железоаммониевого фосфата и грунта марки ГФ-020. Мастика «Целалит-5» состоит из латекса, асбеста, портландцемента и стабилизатора. Линолеум наклеивают на основания палуб с помощью различных клеев: ЛКС-Т, ЭПК-519, 88Н и др. Соединения линолеумного покрытия заполняют специальной заделывающей мастикой или сваривают. Керамические плитки применяют для покрытия палуб в судовых помещениях с высокой влажностью (ванны, душевые, прачечные, камбузы, буфеты, умывальники, гальюны). При покрытии металлической палубы плитки укладывают на мастиках: «Нева-3У», 609, ПМ-2, «Целалит-5». Предварительно на деревянный настил наносят горячую битумную мастику, рубероид, проволочную сетку и цементный раствор, а потом накладывают керамические плитки, соединения которых обычно заливают цементным молоком из белого портландцемента. Иногда в местах общего пользования (умывальниках и гальюнах), банях, прачечных, мастерских и других подобных помещениях делают цементное палубное покрытие. Оно представляет собой смесь, состоящую из портландцемента и речного песка. Если толщина покрытия более 20 мм, то в смесь добавляют гальку, щебенку, кирпичную крошку или дробленый шлак. Эту смесь перед нанесением покрытия разбавляют водой. Цементное покрытие можно наносить на металлическую и деревянную палубы, армированные металлической проволочной сеткой. Перед покрытием деревянного настила вначале на битумной мастике укладывают рубероид и на расстоянии 10— 12 мм от него натягивают проволочную сетку. 4. Насалки В судостроении при спуске судов с наклонных стапелей для уменьшения трения между поверхностями спусковых дорожек и полозьев спусковых салазок наносят специальную смазку, называемую насалкой. Применяют три типа насалок: парафино-петролатумную, парафино-вазелиновую и мыльно-резинатную. Первые две на салки выпускают для зимнего, весенне-осеннего и летнего сезонов. Рис. 1. Строение насалки на спусковой дорожке. 1 — спусковая дорожка; 2 — слой давления; 3 — переходный слой; 4 — слой скольжения. Парафино-петролатумную насалку приготовляют из парафина, петролатума и индустриального масла. Эта насалка обладает необходимой прочностью и адгезией к дереву при температуре от 300 до 253 К. Парафино-вазелиновую насалку делают из парафина, вазелина и индустриального масла. Она сохраняет необходимую прочность и адгезию при температуре от 293 до 258К. Мыльно-резинатную насалку приготовляют из мыла (хозяйственного и зеленого), резината кальция, парафина и льняного масла. Она сохраняет необходимую прочность и адгезию при температуре от 313 до 258К. Выпускают двух видов: для зимнего и летнего сезонов. По своим качествам эта насалка превосходит первые, но значительно дороже их. Состав насалки, а также толщина слоев зависят от температуры воздуха, удельного давления на спусковые дорожки и длины спусковых полозьев. Чем длиннее полозья и чем больше удельное давление, тем толще должен быть слой насалки. Одну и ту же насалку можно применять несколько раз. Насалку наносят на спусковые дорожки и полозья спусковых салазок. На полозья спусковых салазок наносят один слой, а на спусковые дорожки - обычно три слоя (рис. 1). Первый слой, наносимый непосредственно на спусковые дорожки, называется слоем давления. Он обеспечивает насалке прочность, поэтому он должен быть наиболее твердым по составу. Второй слой называется переходным. Его изготовляют из более мягкого состава, чем первый. Переходный' слой предохраняет слой давления от растрескивания и обеспечивает равномерную передачу нагрузки с полоза на спусковую дорожку. Третий слой, который наносят поверх переходного слоя (он называется слоем скольжения), обеспечивает разделение поверхностей трения и уменьшает статическое трение в начальный момент спуска. Это наиболее мягкий слой. При применении мыльно-резинатной насалки на спусковые дорожки наносят два слоя: давления и скольжения. На стапелях находит применение так называемая щитовая насалка. Слой насалки наносят на фанерные щиты, которые перед спуском крепят на спусковые дорожки, а после спуска снимают и восстанавливают насалку только в поврежденных местах. Это позволяет сократить расход насалки. В настоящее время на судостроительных заводах внедряются пластмассовые щиты вместо минеральных и органических насалок. Щиты обеспечивают скольжение судна при спуске его на воду с наклонных стапелей. Они обладают стойкостью к воздействию пресной и морской воды, а их антифрикционные свойства не зависят от температуры воздуха. Пластмассовые щиты выдерживают десятки спусков судов. Их производство в несколько раз дешевле получения минеральной насалки. В результате упрощается спуск судов, увеличивается его надежность, снижается трудоемкость работ, происходит экономия материалов. 5. Цементы и бетоны Бетоном называется водная смесь цемента с песком, гравием или щебнем. Цемент представляет собой мелкий порошок зеленовато- или голубовато-серого цвета. В смеси с водой он затвердевает на воздухе в камнеподобную массу. В зависимости от сырья, и способа производства различают следующие цементы: портландцемент (обычный, быстротвердеющий, сульфатостойкий, пуццолановый, гидрофобный, пластифицированный), глиноземистый, гипсоглиноземистый, расширяющийся. Портландцемент представляет собой обожженную при высокой температуре смесь, состоящую из глины и известняка. Такие смеси (известковые мергели) иногда встречаются и в природе. В ряде случаев вместо глины применяют диатомит, трепел, глинистые сланцы, доменные шлаки и другие вещества. Глину и известняк тщательно измельчают, перемешивают и направляют в обжиговую печь, которая имеет вид цилиндра. В верхнюю часть подают известково-глинистую смесь, а в нижнюю — топливо (нефть или угольную пыль). Благодаря наклону и вращению печи смесь движется навстречу огню и проходит различные стадии нагрева до 1750 К. В результате обжига образуется спекшаяся твердая масса, так называемый цементный клинкер. Его охлаждают и измельчают в мелкий порошок. Чем мельче клинкер, тем большей вяжущей способностью будет обладать цемент. Во время помола клинкера добавляют различные вещества для улучшения качества и получения различных видов портландцемецта. Обычный портландцемент получают путем добавления гипса во время измельчения клинкера. Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) получают в результате добавления значительного количества гипса, соответствующего подбора химического состава сырья при производстве клинкера и более тонкого помола. Сульфатостойкий портландцемент получают путем тонкого помола клинкера, содержащего не более 5 % трехкальциевого алюмината, и добавки гипса. Пуццолановый портландцемент производят путем помола клинкера с гипсом, трепелом диатомитом, пемзой и вулканическим туфом. Гидрофобный портландцемент получают в результате тонкого помола клинкера с гипсом и гидрофобизирующей добавки (асидол, мылонафт, олеиновая кислота или окисленный петролатум). Пластифицированный портландцемент получают в результате помола клинкера с гипсом и пластифицирующей добавки (концентраты сульфитно-спиртовой барды). Глиноземистый цемент производят путем тонкого помола клинкера и бокситов (алюминиевой руды). Гипсоглиноземистый цемент представляет собой смесь глиноземистого цемента, строительного гипса и извести - пушонки. При затвердевании он не дает усадки, а расширяется и самоуплотняется. Глиноземистый и гипсоглиноземистый цементы не предохраняют арматуру от коррозии, поэтому в железобетонном судостроении их не применяют. Бетон характеризуется плотностью, прочностью, долговечностью, водонепроницаемостью и другими свойствами. Плотность — одна из основных характеристик бетона. Различают легкие, облегченные и тяжелые бетоны. Плотность легкого бетона составляет не более 2000 кг/м3, облегченного — 2000 — 2300 кг/м3 и тяжелого — более 2300 кг/м3. Прочность бетона зависит от соотношения цемента, наполнителей и воды. Чем больше введено в бетон наполнителей, тем его сопротивление сжатию меньше. Обычно в судостроении применяют бетон, в котором на одну весовую часть цемента приходится от двух до четырех частей наполнителя. В качестве наполнителя для приготовления бетона применяют песок (мелкий наполнитель) и гравий или щебень (крупный наполнитель). Прочность бетона зависит также от вида и качества применяемого цемента, рода наполнителей, технологии его приготовления и других условий. Основным показателем прочности бетона является прочность на сжатие. В судостроении применяют следующие марки бетона: 250, 300, 350, 400, 500 и 600, показывающие прочность на сжатие в килограмм-силе на квадратный сантиметр. Принято считать, что 100% - ной прочности в соответствии с маркой бетон достигнет по истечении 28 суток. Долговечность бетона определяется его морозостойкостью, коррозионной стойкостъю и способностью не подвергаться вымыванию и выщелачиванию. Морозостойкость — способность бетона не разрушаться в воде или влажной атмосфере под воздействием отрицательных температур. По морозостойкости судостроительные бетоны подразделяются на пять марок: Мрз-50, Мрз-100, Мрз-150, Мрз-200 и Мрз-300. Цифра показывает наибольшее количество циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое может выдержать бетон данной марки. Коррозия, вымывание и выщелачивание бетона происходят в результате растворения водой гидрата окиси кальция и, следовательно, разрушения цементной составляющей бетона, а также вследствие разложения силикатов и алюминатов кислотами, содержащимися в воде. Водонепроницаемость бетона обеспечивается тщательным подбором наполнителей, повышенным содержанием цемента и введением специальных добавок. По водонепроницаемости судостроительные бетоны делятся на десять марок в зависимости от того, какое давление (в кгс/см2) воды они выдерживают: В-2, В-2,5, В-3, В-4, В-5, В-6, В-7, В-8, В-9 и В-10. К судостроительным бетонам могут предъявляться и специальные требования. Например, бетон из которого изготовляют судовые емкости для хранения топлива, должен быть нефтенепроницаемым, т. е. способным не допускать фильтрацию нефти и нефтепродуктов при давлении не менее 2 кгс/см2. По нефтенепроницаемости судостроительные бетоны делятся на пять марок (Н-2, Н-2,5, Н-3, Н-4 и Н-5) в зависимости от того, какое давление (в кгс/см2) нефти или нефтепродуктов выдерживают. Бетон применяют при постройке металлических судов для покрытия палуб в санитарно-бытовых помещениях, заливки льял в трюмах, бетонирования фор- и ахтерпиков при изготовлении цистерн пресной воды. Для постройки корпусов судов и других судовых конструкций используют железобетон, который состоит из бетона и арматуры. В зависимости от типа арматуры и характера ее работы судостроительный железобетон делится на ненапряженный (обычный), предварительно напряженный и армоцемент. В ненапряженном железобетоне арматура испытывает напряжения от усадки бетона во время отвердевания и от внешних усилий. В напряженном железобетоне в процессе изготовления конструкций дополнительно создаются искусственные напряжения за счет растяжения всей арматуры или ее части. В судостроении при растяжении всей арматуры создают общее предварительное напряжение железобетонного корпуса. Его обеспечивают с помощью толстых тросов, проходящих вдоль всего корпуса по днищевым и палубным связям. При растяжении части арматуры создают местное предварительное напряжение в определенных связях корпуса судна. Предварительное натяжение арматуры выполняют механическим способом. При механическом способе арматуру натягивают на упоры или непосредственно на затвердевший бетон. В первом случае после укладки и затвердевания бетона арматуру с упоров снимают, и она, сокращаясь, передает усилие на бетон. Во втором случае арматуру заводят в специальные пазы, предусмотренные в бетонных конструкциях. После натяжения концы арматуры закрепляют по концам секций специальными анкерными устройствами и заделывают пазы бетоном. В результате происходит одновременное растяжение арматуры и сжатие бетона. Для предварительного натяжения арматуры химическим способом применяют специальные расширяющиеся бетоны. Предварительное натяжение арматуры железобетона создает такие условия, при которых внешняя нагрузка конструкции вначале снимает внутренние предварительные напряжения конструкции, а затем, как и в обычном железобетоне, создает растягивающие усилия. В результате напряженный железобетон приобретает высокую трещиностойкость (обеспечивает работу железобетонных конструкций под нагрузкой без трещин или с ограниченным раскрытием их), конструкции, выполненные из него, лучше воспринимают многократно повторяющиеся и знакопеременные нагрузки и, следовательно, становятся долговечнее и надежнее. Армоцемент — разновидность железобетона. В нем в качестве арматуры применяют стальные сетки из проволоки малых диаметров и цементно-песчаный бетон. Это способствует увеличению трещиностойкости и ударной прочности армоцемента. В судостроении железобетон широко применяют для постройки судов внутреннего плавания (особенно стояночного типа): дебаркадеров (пассажирских, грузовых, служебных и специальных), понтонов (причальных, береговых и рейдовых), плавучих перегружателей, брандвахт различных типов, плавучих доков различного водоизмещения, станций (лодочных, спасательных и спортивных), электростанций, кранов различной грузоподъемности. Для постройки упомянутых объектов рекомендуется применять так называемый обычный тяжелый бетон с объемным весом 2300— 2400 кг/м3 в композиции с железной арматурой. Обычный тяжелый бетон обеспечивает высокую прочность и надежность эксплуатации конструкций длительное время. В зависимости от прочности при сжатии различают три марки тяжелого бетона, используемого в судостроении: «300», «400» и «500». При постройке стальных судов чистый цемент и бетон применяют в качестве вспомогательного материала. Водоцементным раствором покрывают внутренние поверхности цистерн для пресной воды. С целью обеспечения водонепроницаемости тестообразным раствором бетона заполняют узкие места в оконечностях судна (форпик и ахтерпик); для образования стока палубной воды по борту (ватервейс) цементным раствором заливают лункообразную полосу. Бетоном обычно заполняются фундаменты под палубные механизмы (палубные лебедки, шпили) и некоторые дельные вещи (кнехты, степсы мачт). Тонкий слой бетона укладывается в льялах для предохранения листов наружной обшивки и скулового стрингера от коррозии и для стока загрязненной воды в узких местах. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОБСТРОЙКИ СУДОВЫХ ПОМЕЩЕНИЙ 10.1. Классификация материалов. Их пожарная опасность Понятие обстройка включает комплекс работ по созданию комфортных условий для жизнедеятельности людей при пла­вании и перевозке грузов на судах. К работам по обстройке судовых помещений относятся монтаж изоляции, установка дверей и стекол иллюминаторов, обрешетников и каркасов, за­шивка и отделка, нанесение палубных покрытий, установка оборудования, мебели, электро- и радиоаппаратуры. При обстройке судовых помещений применяются различ­ные материалы, отличающиеся химическим составом, физико-механическими и теплофизическими свойствами, способами по­лучения и назначением. Применяемые при обстройке матери­алы классифицируют по химическому составу, природе исходного сырья, форме, плотности, горючести и назначению. Каждая группа материалов может иметь свою дополнитель­ную углубленную классификацию. По химическому составу материалы для обстройки подраз­деляются на металлы и неметаллические материалы. Применя­ются черные металлы (стали) и сплавы на основе цветных ме­таллов (чаще всего алюминия). По природе исходного сырья различаются органические и неорганические неметаллические материалы. По форме материалы могут быть подготовлены в виде штучных изделий (теплоизоляционные плиты, сегменты, полу­цилиндры, паркет, керамические плитки, модульные панели за­шивки), рулонных и листовых изделий (изоляционные маты, листовой пластик, ковровые изделия, ткани, винилискожа, де­коративные плитки, линолеум), сыпучих масс (вспученные теп­лоизоляционные материалы). При обстройке помещений применяют материалы низкой — до 100 кг/м3 (тепло- и звукоизоляция), средней — от 100 до 500 кг/м3 (противопожарная изоляция, ковры, ткани) и высо- Тема 4.5. Нормирование расходов и стандартизация судостроительных материалов. 25. Основные понятия Нормой расхода материала называется максимально допустимое количество материала, необходимого для производства единицы продукции (или работы) установленного качества в соответствии с планируемым уровнем техники, запроектированной технологией и организацией производства. Норма расхода материала состоит из чистого (полезного) расхода, технологических потерь и отходов. Чистый расход учитывает количество материала, которое непосредственно входит в конструкцию готового изделия (судна) или полезно используется в процессе производства или постройки судна. Технологические потери и отходы обусловлены технологическим процессом обработки (переработки) исходного материала в продукцию. Потери — часть сырья и материалов, безвозвратно теряющаяся во время производственного процесса. Например, угар металла при нагреве заготовок; усушка пиломатериалов в связи с изменением влажности; потери металла при электродуговой сварке и газовой резке. Отходы — остатки сырья, полуфабрикатов и материалов, образующиеся в процессе превращения (переработки) исходного сырья и материалов в готовую продукцию. Например, металл контуровочных и монтажных припусков при изготовлении секций и монтаже корпуса судна; отходы при вырезке деталей из листов, при механической обработке, штамповке; при раскрое изоляционных и других материалов. Отходы могут быть используемыми и неиспользуемыми. В норму расхода материала не включаются: - используемые отходы; - потери и отходы, вызванные отступлением от технологических процессов, режимов работы, рецептур, установленных норм организации налаженного производства и снабжения, естественной убыли в производстве; - потери при транспортировке и хранении; - потери, обусловленные отступлением от требований по качеству материалов и размерам сортамента; - затраты материала на ремонт, наладку оборудования, на оснастку и изготовление средств механизации и автоматизации, а также связанные с браком продукции. Рациональность использования материала в производстве, а следовательно, и размер нормируемых потерь и отходов оценивается коэффициентом использования материалов, который определяется отношением чистого (полезного) расхода (веса, объема, площади готовой детали, изделия) к установленной норме расхода материала. Величина, обратная коэффициенту использования материала, называется расходным коэффициентом. Коэффициент использования материала η = Р/Нр где Р — полезный расход материала; Нр — норма расхода материала. Расходный коэффициент k = 1/ η Существуют два вида норм расхода материалов — проектные и производственные. Проектные нормы расхода материалов разрабатываются проектными организациями на основе чертежей технического проекта, схем, статистических данных. По ним производится заказ материалов для постройки головного судна серии. Производственные нормы расхода материалов разрабатываются судостроительными заводами по рабочим чертежам, картам раскроя и подетальным расчетам. По ним производится заказ материалов для второго и последующих судов серии. Производственные нормы, как правило, не совпадают с проектными. По отдельным видам материалов они отличаются от проектных на 10—25%. Проектные и производственные нормы представляются в виде специфицированных и сводных норм в весовых единицах, единицах площади, объема или длины, иногда в штуках. Все материалы, расходуемые в процессе постройки судна, разделяются на основные и вспомогательные. К основным относятся материалы, из которых непосредственно изготовляются детали или изделия для судна. К вспомогательным — материалы, из которых судовые детали и конструкции не изготовляются, но которые участвуют и неизбежно расходуются в процессе постройки судна (например, дробь и кислоты для очистки стали от окалины; кислород и ацетилен для газовой резки и сварки; насалки для спуска судов). 26. Нормирование расхода проката Нормирование расхода листового проката. Толстолистовой прокат является основным видом материала для постройки судна. Количество потребляемого проката по весу составляет от 20 до 30% от водоизмещения судна порожнем. На отечественных судостроительных заводах коэффициент использования листовой стали составляет от 0,75 до 0,85. Невозвратные потери и отходы составляют 15—25%. Норма расхода листового металлопроката определяется расчетным методом на основании карт раскроя (копир-чертежей и копир-шаблонов) с учетом технологических потерь и отходов. При раскрое листовых деталей определяется экономически целесообразный вариант размещения деталей на листах выбранных размеров. Рациональность раскроя оценивается коэффициентом использования материала, трудоемкостью, расходом газов и энергии, затрачиваемых на вырезку деталей. Раскрой листовых корпусных деталей характеризуется сложностью и многообразием вариантов из-за большой номенклатуры деталей (корпус судна среднего водоизмещения состоит из 30—40 тыс. деталей) при малой их повторяемости. Он производится вручную квалифицированными плазовыми разметчиками. В последнее время для этой цели применяют ЭВМ. Многолетняя практика выработала приемы, позволяющие наилучшим образом выполнить раскрой и обеспечить наиболее высокий коэффициент использования материала. Рекомендации по раскрою сводятся к следующему: 1. на картах раскроя (листах) располагаются наиболее длинные и широкие детали. Свободные места заполняются сначала деталями средних и мелких размеров; 2. во всех случаях, где это возможно, совмещаются резы смежных деталей; 3. детали, близкие по форме к прямоугольнику, располагаются рядом. 4. детали, имеющие форму треугольника, пятиугольника, трапеции, Т- и Г-образной формы, размещаются на листе встречным порядком (рис. 1). Рис. 1. Схема размещения деталей на картах раскроя: а — деталей различной формы; б — деталей пятиугольной формы; в — деталей треугольной и трапециевидной формы; г — деталей Т-образной формы; д — деталей Г-образной формы. При раскрое листов необходимо учитывать припуски на листы и детали. Вырезая на механическом оборудовании детали с прямолинейными кромками, необходимо располагать кромку детали от кромки листа на расстоянии половины толщины листа, но не менее чем 5 мм для тонких листов и до 10 мм для толстых листов. Этот припуск оставляется с целью обеспечения качества резки. Если после механической резки детали проходят строжку, то по кромкам детали должен быть оставлен припуск от 3 до 12 мм. При вырезке полос из листа должен предусматриваться припуск от 40 до 130 мм (в зависимости от типа гильотины или пресс-ножниц) для зажима полосы листодержателем гильотины или пресс-ножниц. При раскрое листов под газовую резку должно оставляться свободное поле по кромкам на всю длину и ширину листа для обрезки кромок с целью выравнивания кромок листов от косины и серповидности. Для листов длиной до 6 м свободное поле составляет 10 мм, для листов длиной свыше 6 м — от 15 до 20 мм. Рис. 2. Форма разделки кромок под сварку: а, б — V-образная без притупления и с притуплением; в, г — Х-образная без притупления и с притуплением; д — снятие фаски. При разделке кромок под сварку также возникают потери и отходы металла, размер которых зависит от формы разделки кромок и толщины листов. Вес потерь и отходов (кг) определяют расчетным путем: для V-образной разделки кромок (рис. 2) Qv = ½ tgα (s – p)2 ℓγ10-6 для Х-образной разделки кромок Qх = 1/4 tgα (s – p)2 ℓγ10-6 при снятии ласок Qл = 2,5 s2 ℓγ10-6 где α —угол разделки кромок, градусы (а= 15 - 50°); s — толщина листов, мм; (s2 = s1 — s — разность толщин листов, мм, рис. 2); р — величина притупления кромок, мм; ℓ — длина разделки кромки, мм; γ — плотность металла, г/см3. При раскрое листового проката в соответствии с принятым технологическим процессом должны быть предусмотрены припуски на контуровку секций и гибку листов. Контуровочные и монтажные припуски составляют от 20 до 50 мм. Припуски на гибку в горячем состоянии — до 100 мм; в холодном состоянии — до 50 мм. Для листов, подвергающихся термической обработке после гибки, предусматривается дополнительный припуск размером 100 х 200 мм. Из него изготовляют образцы для механических испытаний. Величина контуровочных припусков мелких деталей, причерчиваемых по месту (кницы, бракеты, детали фундаментов), устанавливается 10—15 мм на причерчиваемую сторону. Для листов и деталей, подвергающихся горячей гибке, должны учитываться потери на угар: от 2 до 5% толщины листов. Пути повышения коэффициента использования листового проката: Коэффициент использования листового проката зависит от конструктивных, технологических и организационных факторов: 1. от качества выполнения растяжек наружной обшивки; 2. разбивки корпуса на секции и технологические этапы; 3. качества раскроя и способа вырезки деталей из листов; 4. уровня унификации и размеров листов; 5. организации хранения металла на складах; 6. одним из эффективных мероприятий по повышению коэффициента использования материала является унификация типоразмеров с применением крупногабаритных листов. Существует мнение, что только при большом числе типоразмеров листов можно обеспечить высокий коэффициент использования металла. Теоретически это положение правильно, а практически невыполнимо по условиям заказа стали на металлургических заводах. Согласно существующим положениям вес листов, по отдельным позициям заказа, должен быть равен или кратен установленной норме, так называемой транзитной норме — от 10 до 62 т. Естественно, что при большом числе типоразмеров листовой стали (на крупных заводах число типоразмеров достигает 400—500, на каждую толщину листа до 20—30 различных габаритов листов) достичь транзитной нормы по каждой позиции заказа (типоразмеру) не представляется возможным. Поэтому иногда в отделах материального снабжения судостроительных заводов без согласования с проектными организациями типоразмеры с малым весом исключаются из заказа, что вызывает в дальнейшем многочисленные замены листов и приводит к значительному ухудшению показателей использования материала. Унификация позволяет ограничить число типоразмеров и тем самым исключить замену листового материала. Переход предприятий на работу с крупногабаритными листами обусловливает более высокий коэффициент использования материала за счет улучшения раскроя, уменьшения отходов и потерь металла на операциях обработки и уменьшения случаев замены листов. Влияние размеров листов на изменение коэффициента использования материала можно проиллюстрировать данными исследований, в процессе которых устанавливалось (в функции от полупериметра листов) изменение потерь и отходов: на ширину реза; на обработку и разделку кромок, под сварку; на спрямление кромок — удаление косины и серповидности кромок; на контуровочные и монтажные припуски; от замены типоразмеров и изменения коэффициента использования при раскрое. Результаты этих исследований приведены в таблице 1 и на рисунке 3 и 4. η Рис. 3. Величина потерь и Рис. 4. Зависимость коэффициента отходов на листах различных использования материала при размеров (р— полупериметр). раскрое от полупериметра листов р. Таблица 1 Потери и отходы при использовании листов различных размеров (соотношение сторон листа 4:1), % Наименование отходов и потерь Полупериметр листа, м тиметр киста, м 4 6 8 10 12 На ширину реза » разделку кромок » спрямление кромок » монтажные и контуровочные припуски » замену листов Итого 0,5 0,3 3,1 3,1 2,3 9,3 0,8 0,4 2,5 2,5 1,8 8,0 1,0 0,5 2,0 2,0 1,5 7,0 1,2 0,6 1,6 1,6 1,0 6,0 1,5 1,0 1,2 1,2 0,5 5,4 Из рис. 3 видно, что с увеличением размеров листов (полупериметра) отходы и потери уменьшаются, а коэффициент использования материала за счет раскроя повышается. При переходе на работу с листами, полупериметр которых изменяется от 4 до 10 м, коэффициент использования материала может быть повышен на 6,5%. Норма расхода фасонного, сортового проката1 и труб определяется расчетом. Исходными данными для расчета служат номинальные размеры деталей по чертежу или плазовым данным, а также величины потерь и отходов на технологические припуски и некратность материала. Длина заготовки детали (размеры в см) вычисляется по формуле ℓз = (ℓ + ℓп) kм, где ℓ — длина детали; ℓп — длина припусков; kм — коэффициент некратности материалов. Расчет норм расхода материала сводится к определению расчетной длины заготовки детали и суммарного количества проката на судне. Нормы расхода для данных видов проката устанавливаются в весовых или линейных единицах измерения. 1 К фасонному прокату относятся все виды профилей, к сортовому — прокат круглого, квадратного и шестигранного сечения, а также полосовая сталь. Потери и отходы фасонного и сортового проката зависят от принятого технологического процесса. Они учитывают потери металла при резке заготовки на детали, последующей обточке и обработке торцов, припуски на зажим деталей в процессе обработки и потери по некратности. Сортовой, фасонный прокат и трубы могут заказываться на металлургических заводах по различным формам заказов. Если при заказе материала не указывается длина полос профилей, труб или прутков, то такая форма заказа называется формой заказа по нормальной длине. Металлургический завод может поставить прокат любой длины, предусмотренной государственными стандартами. Форма заказа мерных и кратных длин предусматривает поставку профилей и прутков определенных, оговоренных в заказе, длин. Потери металла во время резки заготовок на детали зависят от ширины реза. При резке фасонного проката механическими способами припуск на ширину реза составляет до 5 мм, а при резке газом — до 10 мм. Припуск на ширину каждого реза сортового проката колеблется от 2,5 до 14 мм в зависимости от диаметра заготовки и способа резки. Если резка проката осуществляется на токарных или револьверных станках, то предусматривается припуск на отрезку временного центра (от 4 до 20 мм) и на зажим заготовок в патроне или цанге (от 30 до 100 мм — в зависимости от типа станков). Потери металла по некратности предусматриваются только в том случае, если металл заказывается нормальной (немерной) длины. Эти потери определяются в процентах от общей длины заготовки детали. Приближенно они принимаются по таблице 2. Таблица 2 Потери по некратности проката, % Вид проката Длина детали, мм 1до 25 25-50 51-100 101-150 1151-200 О201-300 301-400 О401-500 Фасонный Сортовой обыкновенного качества Сортовой качественный прокат Сортовой из цветных сплавов 00,2 0,3 00,4 00,7 0,4 0,5 0,7 1,3 0,8 1,0 1,3 2,6 1,2 1,5 2,0 4,0 1,6 2,1 2,7 5,3 22,4 3,1 44,0 88,0 3,2 4,1 5,3 - 44,0 5,2 66,6 При раскрое деталей длиной более 500 мм следует заказывать сортовой и фасонный прокат по форме мерных или кратных длин, в противном случае могут возникнуть большие отходы по некратности материала. Длина заготовки деталей из сортового и фасонного проката для набора корпуса определяется с учетом припусков: на резку, металлургических, на гибку и контуровку, а в некоторых случаях — на изготовление образцов для механических испытаний и на некратность размеров листов. Некоторые значения припусков: 1. в процессе резки заготовки на детали — 2,5—7,0 мм на каждый рез; 2. при концевых отходах (металлургических) — 20—80 мм на всю длину профиля; 3. в случае пригонки концов после гибки—100—250 мм на деталь; 4. при контуровке в секциях — 30—50 мм на деталь, стыкуемую в секциях; 5. во время изготовления образцов для механических испытаний — 100—150 мм (выборочно); 6. при некратности заготовок — 0,2—4,0%. Пути повышения коэффициента использования профильного проката. Планируемые заводом или проектными организациями нормы расхода фасонного проката предусматривают коэффициент использования материала 0,88—0,90; для сортового проката — от 0,6 и выше. Анализ потерь и отходов фасонного проката показывает, что имеется реальная возможность повысить коэффициент использования материала. В потери и отходы этого вида проката входят монтажные и технологические припуски, суммарная длина которых для одной заготовки колеблется от 10 до 350 мм; припуски на резку и обработку торцов; отходы при обрезке профилей на «ус» и вырезке «голубниц», разделке кромок и металлургические припуски. Назовем отходы, возникающие из-за некратности материала, и металлургические припуски концевыми отходами. Многочисленные наблюдения за раскроем показывают, что величины концевых отходов достигают 5—6,5% от веса или длины раскраиваемых (полос) профилей. В некоторых случаях длина концевых отходов состав­ляет 1,5 м. На отходы длиной более 0,5 м приходится около 60% всех концевых отходов. При организации учета и хранения концевых отходов длиной свыше 0,5 м и использовании их по назначению, а не в качестве металлолома, коэффициент использования материала может быть повышен на 3—4% относительно планируемого. Суммарная длина монтажных и технологических припусков, припусков на резку и другие технологические процессы составляет не более 1,5% от веса или длины профилей. Значительное влияние на величину коэффициента использования материала имеет длина профиля. Чем длиннее полоса, тем меньше концевых отходов, а при определенных условиях раскроя возможно и полное отсутствие концевых отходов. Известно, что применение механизированных линий для сварки полос профилей в бесконечную плеть позволяет величину концевых отходов свести к нулю. В этом случае коэффициент использования материала будет определяться только размером монтажных и технических припусков. Зависимость коэффициента использования профильной стали от длины полосы (без учета технологических и монтажных припусков) показана на рис. 5. Как видно из графика, с изменением длины профиля коэффициент использования материала повышается. При приближенном определении нормативного коэффициента использования материала для судна можно воспользоваться этим графиком, но необходимо учитывать технологические потери и металлургические припуски, составляющие около 2%, а также фактическую длину профилей. Максимальная длина различных профилей (в мм), поставляемых промышленностью, приведена ниже. Полособульб несимметричный № 5—16 6000 » » № 18—24 12000 Равнобокие и неравнобокие угольники 6000 Швеллер до № 12 9000 » свыше № 12 12000 Двутавровые балки 12000 В случае применения профилей максимальной длины коэффициент использования материала профильного проката по судну в целом должен приниматься 0,93—0,97. Нормы расхода материала труб определяются так же, как и для фасонного и сортового проката, но с учетом припусков, свойственных технологическим процессам их обработки. Обычно предусматривают технологические припуски двух видов: 1) на гибку 2) выполнение других операций. Для труб, проходящих операцию гибки, учитываются припуски на длину, необходимую для забивки деревянных пробок или сплющивание концов; на зажим трубы в трубогибочном станке; на отрезку конца при перекосе трубы; на неточность, компенсирующую погрешности шаблонов. Величина припуска на гибку зависит от диаметра трубы d и колеблется от 0,75 до 2d. При холодной или горячей гибке заготовки с числом погибов три и более с расположением погибов у концов трубы предусматривается дополнительный припуск в размере 1,5 d. К припускам на длину трубы, не связанным с гибкой, относятся припуски на отрезку трубы, подрезку торцов, на отбортовку под свободные фланцы, крепление концевой штуцерной арматуры, приварку фланцев и колец. Величины таких припусков приведены в таблице 3. При расчете норм расхода материала для труб судовых систем исходят из предположения, что заказываются трубы мерной длины, и потери по некратности не учитываются. Коэффициент использования для прямых труб составляет 0,9—0,93, для гнутых — 0,80—0,90. Норма расхода труб (в кг) определяется по формуле Нр = ℓVм/η∙100 где ℓ — длина детали по чертежу, м; Vм — вес 1 пог. м трубы, кг; η — коэффициент использования труб. Таблица 3 Припуски на операции, не связанные с гибкой труб, мм Диаметр трубы, мм Отрезка Подрезка торцов Отбортовка Под свободные фланцы Отбортовка по фаскам приварных фланцев Забойные трубы дисковой пилой газом До 50 51—100 101—150 151—200 201—250 Свыше 250 6 8 10 12 15 18 10 11 12 13 15 15 0,7 0,9 1,2 1,5 1,8 2,5 17 18 19 20 25 25 3 4 5 6 8 - 100 100 150 200 250 300 27. Нормирование расхода неметаллических материалов Норма расхода материалов для теплоизоляции судовых помещений определяется расчетом по размерам изолируемой площади, толщине или количеству слоев изоляции с учетом технологических припусков и неизбежных потерь. Потери материала возникают при его обработке на станках, раскрое и монтаже изоляции на судне. Эти потери обычно учитываются статистическими расходными коэффициентами. Нормы расхода изоляционных материалов устанавливаются в единицах веса, длины площади или объема. Расчет норм расхода различных изоляционных материалов производится по следующим формулам: для плиточных материалов (плиты ФС-72, ФФ, ПСБ-С, экспанзит) Нр = Fsnko/1000 м3; для войлочных и формованных материалов без учета припусков (войлок, формованные изделия) Нр = γ (Fsn/1000) ko кг; для пленочных материалов (пергамин, фольга алюминиевая, асботкань) Нр = g (Fn + f) ko кг; для материалов с единицей измерения 1 пог. м (различные ткани) Нр = (Fn + f) ko = (F1/В) ko пог.м; для материалов с единицей измерения 1 м2 Нр = F1 ko м2; В формулах: F — площадь изолируемой поверхности, м2; s— толщина изоляционного материала (при монтаже), мм; n — количество слоев; k0 — расходный коэффициент; f — суммарная площадь припусков, м2; γ — объемный вес материала, кг/м3; g — вес 1 м2 материала, кг; В — ширина изоляционного материала, м; F1 — площадь изоляционного материала, м2. Коэффициенты использования и расхода теплоизоляционных материалов приведены в таблице 4. Таблица 4 Коэффициент использования и расхода теплоизоляционных материалов Наименование и назначение материала Коэффициент использования η Расходный коэффициент k0 Плиты ФС-72: без снятия бумаги изоляция плоскостей » набора со строжкой плоскостей без снятия бу- маги изоляция плоскостей » набора Материал теплоизоляционной марки ВТ-4, АТИМС: изоляция плоскостей » набора Алюминиевая фольга Асбоцементная напыляемая противопожарная изоляция Ткани, пергамин, пленки, сетки 0,91 0,79 0,73 0,60 0,96 0,93 0,95 0,93 0,95—0,91 1,10 1,27 1,37 1,67 1,04 1,08 1,05 1,08 1,05—1,10 Норма расхода клеев и шпаклевок определяется исходя из удельных норм их расхода на 1 м2 покрываемой поверхности по формуле Нр = FHyд, где F— площадь покрываемой поверхности, м2; Нуд — удельная норма расхода клея или шпаклевки на 1 м2 поверхности, кг/м2. Удельная норма расхода клея «изолит», идитолового клея, клея «целалит» при наклейке плиточных материалов составляет от 1,8 до 2,8 кг/м2, при наклейке тканей — до 0,8 кг/м2; для шпаклевки — 1,6—2,0 кг/м2. Нормы расхода лесоматериалов на судно устанавливаются в кубических метрах для пиломатериалов и в квадратных метрах для фанеры и шпона. Расчет норм расхода пиломатериалов и фанеры (м3; м2) производится по формуле Hp = Σi1 Vikpi где i—количество деталей, изготовляемых из определенного вида материала; Vi — объем и площадь детали, м3, м2; kpi — расходный коэффициент на деталь, учитывающий технологические потери и отходы. Расходный коэффициент учитывает припуски на строжку, резку, торцевание и опиловку деталей, усушку материалов (табл. 5). Для пиломатериалов, применяемых при изготовлении деталей деревянных и композитных судов, он составляет от 1,82 ДО 4,17. Таблица 5 Расходный коэффициент пиломатериалов, фанеры и шпона Наименование конструктивных элементов Порода древесины сосна, ель дуб, бук, ясень, береза Настил палуб: внутренних наружных Обрешетник Зашивка изоляции Детали отделки помещений Планшир Детали оборудования помещений Правильный брус, ватервейс Предметы снабжения и прочие детали Детали из фанеры и шпона 1,68—1,90 1,72—2,05 1,61 1,55—1,89 2,10—2,37 — 1,32—2,10 1,56—1,70 1,70—1,86 — — — — — 3,70 1,93—2,13 2,38—2,78 — — 1,6—2,0 Нормы расхода лакокрасочных материалов на судно рассчитываются исходя из площади окрашиваемых поверхностей, схемы окраски и удельного расхода лакокрасочных материалов на 1 м2. Норма удельного расхода лакокрасочных материалов учитывает неизбежные технологические потери при различных способах окраски (потери на стекание краски с кистей, унос при окраске окунанием, остатки краски в ведрах и на стенках тары, распыление при механизированной окраске). Она зависит от способа нанесения лакокрасочных материалов (кистью, окунанием, пульверизатором) и от материала окрашиваемой поверхности (металл, дерево, изоляция). Для грунта норма расхода лакокрасочных материалов на изделие или судно (в кг) определяется по формуле Нр = Fqn/1000, где F — площадь поверхности под грунтовку, м2; q — удельная норма расхода, г/м2; n— число слоев. Норма расхода красок, готовых к употреблению (кроме грунта), на окрашиваемую деталь или изделие вычисляется по формуле Нр = F[q + qп (n – 1)]/1000; где F — общая площадь окраски, м2; q — удельная норма расхода краски на первый слой, г/м2; qn = 0,9 q— удельная норма расхода краски для последующих слоев; n — количество слоев, включая первый. Удельные нормы расхода при окраске деталей окунанием принимаются как средние между нормами, установленными для окраски кистью и окраски пульверизатором. Нормы расхода лакокрасочных материалов приведены в таблице 6. Таблица 6 Нормы расхода лакокрасочных материалов, г/мг Наименование Способ нанесения краски Окрашиваемая поверхность кистью пульвери­затором Сурик свинцовый № 81 » » № 82 » железный № 71 » » № 72 Лак каменноугольный Олифа натуральная Белила цинковые Краска шаровая цинковая № 418 Необрастающая краска 160 120 100 300 150 100 120 160 200 230 500 150 100 - - 120 200 180 - - 190 - - - 180 110 Металл Дерево Металл Экспанзит Металл Дерево без набора » с набором Металл загрунтованный Дерево грунтованное с набором Ткань, промазанная лаковой шпаклевкой Трубопровод, обшитый парусиной Металл загрунтованный Подводная 1. Нормирование расхода сварочных и вспомогательных материалов для основного производства Расход сварочных материалов для выполнения сварочных работ при постройке судна определяется по весу наплавленного материала или по удельным нормам расхода материалов на 1 пог. м сварного шва. Удельные нормы расхода материалов разрабатываются на базе статистических данных и расчетов. Для каждого вида сварки и конструктивной формы разделки кромок они представляются в специальных таблицах. В норму расхода электродов или сварочной проволоки, кроме веса наплавленного металла, входят технологические потери металла в процессе сварки — на угар и разбрызгивание; огарки, а также вес электродного покрытия. Норма расхода готовых электродов (в г) может быть подсчитана по формуле Нр = GℓkЭ = FℓγkЭ Норма расхода сварочной проволоки (в г) Нр = GℓkП где G— вес 1 пог. м наплавленного металла, г; ℓ — длина сварных швов, м; kЭ — общий коэффициент расхода электродов на 1 г наплавленного металла; F — площадь сечения сварного шва, см2; γ — плотность наплавленного металла, г/см3; kП — общий коэффициент расхода электродной проволоки на 1 г наплавленного металла. Для плавящихся электродов kЭ = 1,05 - 1,90; для электродной проволоки kП = 1,03 - 1,37. На все виды прихваточных работ норма расхода электродов увеличивается на 12—15%. Норма расхода углекислого газа определяется из расчета 1600 г на 1 кг наплавленного металла. Нормы расхода сварочной проволоки и флюса при автоматической и полуавтоматической сварке зависят от режимов сварки, рода и полярности сварочного тока, от диаметра электродной проволоки и конструктивной формы разделки кромок. Расчет ведется исходя из удельных норм расхода сварочной проволоки с учетом неизбежных потерь, составляющих около 3% от веса наплавленного металла. Удельные нормы расхода флюса на образование шлаковой корки, распыление и просыпание его во время работы и замену использованного флюса новым устанавливается по весу наплавленного металла с коэффициентом kф = 1,35. При сварке на флюсовых подушках kф = 1,6. Норма расхода аргона при сварке конструкций из алюминиевых сплавов определяется в граммах на 1 кг наплавленного металла из расчета: - при сварке неплавящимся электродом стыковых швов — от 12 000 до 6000 г в зависимости от свариваемых толщин; - при сварке угловых швов — от 15 000 до 6000 г; при сварке плавящимся электродом для стыковых швов — от 2000 до 1200 г; - при сварке угловых швов — 2000 г. На прихваточные работы расход аргона увеличивается на 15%. При замене аргона гелием расход гелия принимается равным удвоенной норме расхода аргона. Нормирование расхода вспомогательных материалов. К вспомогательным относятся материалы, из которых не изготовляются судовые детали, но которые неизбежно расходуются в процессе постройки судна. Вспомогательные материалы делятся на три группы: 1) нормируемые подетально или по нормам на каждое судно; 2) не нормируемые на каждое судно, а рассчитываемые по потребностям цехов и завода на год (по отчетным данным за прошедшие годы); 3) материалы на изготовление и возобновление судостроительной оснастки. Нормирование расхода материалов на насалку спусковых устройств. Для спуска судов используются парафиновазелиновая, петролатумная и мыльно-резинатовая насалки. Насалка состоит из трех слоев: слоя давления, переходного и слоя скольжения. Норма расхода материала на каждый слой насалки (в кг) определяется по формуле Нр = KLBδα, где К—количество спусковых путей; L — длина спусковой дорожки (длина полоза), м; В— ширина спусковой дорожки (полоза), м; δ — толщина слоя насалки по расчету для дорожек (толщина слоя скользящей поверхности спусковых полозьев), м; α — норма удельного расхода материалов для насалки спусковых дорожек или для скользящей поверхности спусковых полозьев, кг/м2 • мм. Общая норма расхода равна сумме норм расхода материала на все слои дорожек и полозьев. Удельные нормы расхода материалов устанавливаются в весовых единицах на 1 м2 слоя насалки толщиной 1 мм и учитывают потери на разбрызгивание и потери в таре. Нормирование расхода материалов для изготовления корпусной оснастки и приспособлений. Потребность в черном прокате для изготовления специальной оснастки судов определяют по формулам: для стапельной сборки и спуска Q1 = Р(А2 + А3 + А4)n; для всех остальных видов оснастки Q2 = Р(А1 + Qд где Р — вес металлического корпуса, т; А1, А2, А3, А4 — нормы удельного расхода проката соответственно: для изготовления специальной оснастки в сборочно-сварочных цехах; для стапель-кондуктора и стапель-постели; для спусковых устройств наклонного стапеля; n — количество линий сборки; Qд — норма расхода на дублируемую оснастку, равная для постелей днищевых секций 0,3—0,5 от веса секций, для палубных бортовых секций и секций оконечностей — 0,8— 1,0. Нормы расхода зависят от веса металлического корпуса и характера обводов судов (табл.7). Таблица 7 Нормы расхода металлопроката на специальную оснастку Вес металлического корпуса, m А1 А2 А3 А4 грузовые и пассажирские суда ледоколы специальные суда 100 500 1000 2000 4000 Более 4000 - 0,67 0,47 0,30 0,11 0,10 - 0,76 0,53 0,38 0,16 - 0,96—1,60 0,57—0,95 0,45—0,70 — — — 0,085 0,065 0,050 0,032 — - 0,065 0,050 0,039 0,018 0,011 0,010 0,035 0,041 0,045 0,048 0,053 0,070 При расчете удельных норм расхода металлопроката для оснастки коэффициент использования материала принят равным 0,90 для листового проката и 0,97 для фасонного и сортового проката. Нормы расхода черного проката (в кг) для изготовления универсальной оснастки (на 1 мг площади оснастки) приведены ниже: Плоские сборочные стенды для секций: крупных и средних судов 190 мелких судов 160 Проверочные стенды 175 Стеллажи для: мелких деталей 30 узлов и полотниш, 50—60 газовой резки листовой стали 40 На ремонт, усовершенствование и восстановление оснастки норма расхода материалов увеличивается на 5—10%. 2. Основные сведения о стандартизации судостроительных материалов Стандартизация способствует внедрению в производство наиболее совершенных машин, приборов, технологических процессов, новейших видов сырья и материалов, повышению экономической эффективности производства, повышению качества и надёжности выпускаемой продукции, механизации и автоматизации процессов. Станлартизация в области судостроительных материаловустанавливает виды и назначение сырья, сортаменты материалов и полуфабрикатов, марки и свойства материалов, нормы и требования по их использованию и приёмке. Разновидностью стандартизации является нормализация и типизация. Нормализация направлена на усовершенствование конструктивных норм и требований к конструкциям машин, приборов и сооружений. Под типизацией понимается разработка типовых конструктивных и технологических решений, являющихся общими для группы изделий и процессов. Наиболее распространённым методом работ по стандартизации является унификация – это рациональное сокращение типов, видов и размеров изделий одинакового функционального назначения. Унификация судостроительных материалов проводится во все периоды проектирования и постройки судов. Важнейшей задачей при стандартизации материалов является разработка нормативных документов, устанавливающих необходимые для судостроения марки и сортаменты материалов. Каждый вид материала имеет совокупность геометрических, прочностных и физико-химических характеристик, которые определяют данный материал. Эту совокупность называют типоразмером или сорто-типоразмером. В качестве основных параметров при унификации стального проката служат следующие характеристики: 1. При унификации марок материала – характеристики прочности, пластичности или химического состава. Для корпусных сталей в качестве основного параметра принимается предел текучести; 2. При унификации сортамента – геометрические размеры проката: толщина, ширина, длина, высота, диаметр, иногда момент сопротивления, инерции, радиус инерции (т.е. производные от геометрических размеров). Если в качестве основных параметров берутся производные от геометрических размеров, то сортаменты получаются менее удобными для металлургического производства и взаимосвязи размеров прокатных профилей с размерами корпусных конструкций.