3. Приборы и материалы, используемые при выполнении работы

• микроскоп металлографический МИМ-7 (увеличение ×70…1440);

• комплект фотографий микроструктур;

• комплект микрошлифов разных протравленных.

4. Порядок выполнения работы

• во время самоподготовки к выполнению работы заполнить пп. 1 и 2.2.1 – 2.2.5 протокола лабораторной работы;

• на занятии, перед началом работы, ответить на вопросы билета контроля;

• получить у преподавателя задание;

• уточнить характеристики используемых приборов и инструментов, заполнить данные по п.3.2 протокола лабораторной работы;

• рассмотреть в микроскоп установленные микрошлифы, зарисовать их микроструктуру и указать микроструктурные составляющие (см. п.3.3);

• определить возможные области использования исследованных материалов в судостроении и судоремонте;

• закончить оформление отчета и представить его преподавателю для защиты и окончательной оценки.

5. Влияние химического состава материалов на свойства и применение в судостроении и судоремонте

1. Цель работы

1.1. Изучение принципов маркировки наиболее распространенных судостроительных материалов.

1.2. Приобретение практических навыков в определении основных типов заготовок и марок конструкционных и специальных материалов для изготовления и ремонта деталей судовых технических средств.

2. Основные теоретические положения и методические указания

2.1. Классификация и основные виды заготовок

Заготовка – это полуфабрикат, из которого в ходе технологического процесса изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь. В условиях эксплуатации судна в качестве заготовок обычно выступает прокат (листы, трубы, швеллеры, двутавры и др.) или отливки. Для их изготовления используют обработку давлением и литье.

Суть технологии получения отливок заключается в том, что фасонные детали сложной формы (заготовки) получают заливкой жидкого металла в специально подготовленную форму, который кристаллизуется в ней.

Обработка давлением основа на способности материала пластически деформироваться в результате воздействия на него внешних сил. Заготовки, полученные таким путем, подразделяют на два вида: а) постоянного поперечного сечения по длине (прутки, проволока, ленты, листы), б) имеющие приближенно формы и размеры готовых деталей и требующие обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качества (поковки и штамповки).

2.2. Классификация и маркировка металлических материалов

2.2.1. Железоуглеродистые сплавы

К их числу относятся стали и чугуны. Для практики наиболее важными являются классификация сталей по назначению, качеству, хими­ческому составу и степени легирования.

Для судомехаников основной является первая — она позволяет по отражаемому в марке стали содержании углерода достаточно точно указать конкретные группы деталей, для которых эта марка может быть применена.

Так, стали с содержанием С < 0,25 % называют корпусными и применяют для постройки судов и изготовления конструкций с помощью сварки; 0,15 < С ≤ 0,3 — для деталей, подвергающихся цементации (топливная аппаратура дизе

лей, кулачковые шайбы, шестерни и др.); 0,3 < С ≤ 0,5 % — улучшаемые (для наиболее нагруженных деталей после закалки и высокого отпуска – анкерных связей, коленчатых валов, шатунов и др.); 0,5 <С ≤ 0,7 % — пружинно-рессорные (пружины различных механизмов, мембраны и прочие упругие элементы); около 1 % С — шарикоподшипниковые.

Инструментальные стали содержат не менее 0,7 % С и поэтому имеют высокие твердость, прочность и износостойкость. Их используют для изготовления режущего и измерительного инструментов, штампов и т. д.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами, как правило, относятся к числу высоколегированных. Их применяют в основном в приборостроении, электронной, радио­технической промышленности и т. д.

Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (коррозионностойкие) содержат не менее 12,5 … 13 % Gr. Стали с более высоким содержанием Cr и Ni стойки в агрессивных средах (кислотах, щелочах и пр.).

Назначение чугунов зависит от формы графитовых включений, что в значительной мере определяет его механические свойства — именно они находят отражение в марке этих сплавов.

В структуре серых чугунов присутствует графит пластинчатой формы, их механические свойства (особенно пластичность) ниже, чем у других чугунов. Серые чугуны используют для менее ответственного назначения и при отсутствии ударных нагрузок.

Ковкий чугун имеет в структуре хлопьевидный графит и в связи с этим более высокие механические свойства, прежде всего пластичность. Их более целесообразно использовать для тонкостенных деталей сложной формы.

Высокопрочный чугун имеет графит шаровидной формы, что в мень­шей степени нарушает сплошность металлической основы (особенно по сравнению с графитом пластинчатой формы). Прочностные свойства этих чугунов наиболее высоки — они не уступают углеродистым конструкционным сталям после термической обработки, но их пластичность ниже, чем у стали и ковкого чугуна.

На флоте, вследствие больших габаритов деталей (например, диаметр втулки рабочего цилиндра малооборотного дизеля – до 1,5 м, высота – до 2,5 …3 м, масса – до 3 т) наибольшее распространение получили серые чугуны, имеющие самую низкую стоимость и хорошие литейные свойства.

Классификация сталей по качеству отражает содержание в них вредных примесей – серы и фосфора. В сталях обычного качества оно не должно превышать 0,05 % (каждого элемента), в качественных — 0,035 %.

Классификация по химсоставу предусматривает использование качественной и количественной информации по всем основным компонентам сплава — как сталей, так и на основе цветных металлов. В соответствии с ней каждый легирующий элемент обозначается определенной буквой (табл. 5.1), а его содержание – числом (табл. 5.2).

Таблица 5.1

Условные обозначения основных легирующих элементов в сплавах

Легирующий элемент	Сплав		Легирующий элемент	Сплав
	сталь	цветных металлов		сталь	цветных металлов
Хром	Х	Х	Ванадий	Ф	—
Вольфрам	В	—	Алюминий	Ю	А
Молибден	М	—	Азот	А	—
Титан	Т	Т	Бор	Р	Б
Кобальт	К	—	Цирконий	Ц	—
Никель	Н	Н	Ниобий	Б	—
Медь	Д	М	Фосфор	П	Ф
Кремний	С	К	Цинк	—	Ц
Марганец	Г	Мц	Свинец	—	С
Магний	—	Мг	Бериллий	—	Б
Железо	—	Ж	Селен	Е	—
Серебро	—	Ср	Редкоземельные	Ч	—

По степени легирования стали условно подразделяют на низколегированные с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5 %; среднелегированные — 2,5 … 10 % и высоколегированные — более 10 %.

Наиболее обобщенная информация о том или ином материале содержится в его марке. Ее можно извлечь, зная основные принципы маркировки — для железоуглеродистых материалов и материалов на основе цветных металлов они несколько отличаются (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Условные обозначения марок материалов, применяемых в судоремонте

Материал	Принципы и примеры маркировки
Стали
Углеродистая обычного качества	Буквами Ст. и цифрами от 0 до 6. Увеличение номера означает повышение содержания С и прочности. Пример: Сталь Ст.5 — углеродистая сталь обычного качества, 5-й уровень прочности.
Качественная углеродистая	Двумя цифрами: 05, 08, 10, 15, 20 … 60. Они показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Пример: Сталь 45 — качественная углеродистая сталь, содержание углерода ~ 0,45 %; остальное – железо и примеси.
Углеродистая инструментальная	Буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А после цифр обозначает, что сталь высококачественная. Пример: Сталь У8 — углеродистая качественная инструментальная сталь с содержанием 0,8 % С, остальное железо и примеси.

Продолжение табл. 5.2

Качественные легированные стали	Двузначное число в начале марки показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стоящие за ними блоки (буква и число) указывают на присутствие определенных легирующих элементов (см. табл. 5.1) и их содержание в процентах. Если содержание легирующих элементов менее 1… 1,5 %, то цифра отсутствует. Буква А в конце марок отвечает высококачественным сталям. Пример: Сталь 38Х2МЮА – высококачественная улучшаемая сталь с содержанием углерода ~ 0,38 %, хрома 2 %, молибдена 1 %, алюминия 1 %; остальное – железо и примеси. Пример: Сталь 12Х18Н9Т – качественная коррозионностойкая сталь с содержанием углерода ~ 0,12 %, хрома 12 %, никеля 9 %. титана 1 %; остальное – железо и примеси.
Легированная инструментальная	Число, стоящее в начале марки, указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента, если оно более 0,1%. Числа, стоящие после букв, обозначающих легирующий элемент, показывают его среднее содержание в процентах. Пример: Сталь 9ХС — легированная инструментальная сталь, углерода – 0,9%, хрома и кремния – по 1%, остальное – железо и примеси
Шарикоподшипниковая высококачественная	Буквами ШХ и числом, показывающими содержание хрома в десятых долях процента. Буквы после цифр показывают наличие других легирующих элементов в процентах. Пример: Сталь ШХ15СГ — высокоуглеродистая хромистая сталь, 1% С, 1,5% Cr, 1 % Si, 1% Mn, остальное – железо и примеси
Чугун
Серый	Буквами СЧ и числами, обозначающими предел прочности при растяжении в кГс/мм^2. Пример: серый чугун СЧ 15 — предел прочности при растяжении 12 кГс/мм^2(120 МПа).
Ковкий	Буквами КЧ. Первое число обозначает временное сопротивление разрыву в кГс/мм^2, второе — относительное удлинение в процентах. Пример: ковкий чугун КЧ 35-10 — предел прочности при растяжении 35 кГс/мм^2(350 МПа), относительное удлинение не менее 10%.

Продолжение таблицы 5.2

Высокопрочный		Буквами ВЧ. Первое число обозначает временное сопротивление разрыву в кГс/мм^2, второе — относительное удлинение в процентах. Пример: высокопрочный чугун ВЧ 60-2 — предел прочности при растяжении 60 кГс/мм^2(600 МПа), относительное удлинение не менее 2%.
Цветные металлы и сплавы на их основе
Алюминий	Буквой A, число характеризует чистоту металла. Чем оно больше, тем чище материал. Пример: A99 — 99,99% Al. Остальное примеси.
Литейные алюминиевые сплавы	Буквами АЛ, после которых указывается номер разработки. Пример: АЛ9 — литейный сплав алюминия, разработка № 9.
Деформируемые алюминиевые сплавы	Буквой Д или другими, после которых указывается номер разработки сплава. Пример: Сплав Д16 — деформируемый алюминиевый сплав № 16.
Литейные магниевые сплавы	Буквами МЛ, после которых указывается номер сплава. Пример: Сплав МЛ2 — литейный магниевый сплав № 2.
Деформируемые магниевые сплавы	Буквами МА, затем указывается номер сплава Пример: Сплав МА2 — магниевый деформируемый сплав № 2.
Медь	Буквой М, после которых указывается число (00, 0, 1 …4), характеризующее чистоту металла – чем оно больше, тем выше содержание примесей. Пример: Медь М1 — относительно чистая медь.
Латуни литейные	Буквой Л. Последующие сочетания букв и чисел указывают на присутствие легирующих элементов и их содержание в процентах. Пример: Латунь ЛЦ17К3 — литейный сплав на основе меди, 17% цинка, 3% кремния, остальное – медь и примеси.
Латуни деформируемые	Буквой Л. Последующие буквы указывают на присутствие легирующих элементов. Первое число обозначает содержание меди в процентах, остальные — соответствующее последовательности букв содержание легирующих элементов в процентах. Пример: Латунь ЛЖМц59-1-1— деформируемый сплав на основе меди; Cu – 59%, Fe – 1%, Mn – 1%, остальное – Zn и примеси.

Продолжение таблицы 5.2

Бронзы литейные	Буквами Бр. Последующие сочетания букв и чисел указывают на присутствие легирующих элементов и их содержание в процентах. Пример: Бронза Бр.О5Ц5С5 — литейный сплав на основе меди, Sn – 5 %, Zn – 5 %, Pb – 5 %, остальное – Cu и примеси.
Бронзы деформируемые	Буквами Бр. Последующие буквы указывают присутствующие легирующие элементы, а цифры — их содержание в процентах (соответственно) Пример: Бронза Бр.ОЦС4-4-2.5 — деформируемый сплав на основе меди, Sn – 4%, Zn – 4%, Pb – 2.5%, остальное – Cu и примеси.
Баббиты	Буквой Б и числом, показывающим содержание олова в процентах. Пример: Б83 — антифрикционный сплав, 88 % олова, остальное другие элементы и примеси.
Оловянно-свинцовые припои	Буквами ПОС. Последующие буквы К или Су указывают на присутствие кадмия или сурьмы. Первое число обозначает содержание олова в процентах, второе — содержание кадмия или сурьмы. Пример: Припой ПОССу 61-1,5 — оловянно-свинцовистый припой, олова – 61%, сурьмы – 1,5%, остальное – свинец и примеси.
Серебряные припои	Буквами ПСр и цифрой, указывающей содержание серебра в процентах. Пример: ПСр 40 — серебряный припой Ag – 40%, остальное медь, другие элементы и примеси.

2.3. Классификация и маркировка цветных металлов и сплавов на их основе

Алюминий — легкий металл (плотность 2700 кг/м³), обла­дает высокими теплопроводностью и электропрово­димостью, стоек к коррозии. Температура плавления алю­миния 661 °С. Сплавы Al разделяют на деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы хорошо обраба­тываются давлением — их используют для изготовления листов, фасонного профиля, труб, крыльчаток, фитингов и др.

Из литейных алюминиевых сплавов производят корпуса приборов, электродвигателей, трубопроводную арматуру, крыльчатки насосов и др.

Магний — легкий металл (плотность 1740 кг/м³), температура его плавления 651 °С. Его основным преимуществом по сравнению с алюминием, является меньшая плотность. Это позволяет с успехом использовать литейные и деформируемые сплавы Mg в приборостроении, при постройке маломерных судов, технике летательных аппаратов и пр.

Медь — металл с относительно высокой плотностью (8940 кг/м³), температура плавления 1083 °С. По электро- и теплопроводности медь уступает только серебру. Так как примеси резко снижают эти показатели, для проводников тока применяют только достаточно чистый металл марок М0 и М1. Медь с более высоким содержанием примесей используют как поделочный материал: листы, трубы, прутки и др.

Среди сплавов на основе Cu выделяют две основные группы: латуни — сплавы ме­ди, в которых цинк является основным легирующим элементом; бронзы — сплавы меди с другими элементами, в числе ко­торых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Медные сплавы обладают высокими механическими и тех­нологическими свойствами, хорошо сопро­тивляются износу и коррозии.

Бронзы и латуни разделяют на деформируемые и литейные. Последние отличаются от деформируемых тем, что в их состав вводят добавки, улучшающие литейные свойства сплава. Однако эти добавки снижают пластичность литейных бронз и латуней по сравнению с деформируемыми.

Титан — металл с температурой плавления 1665°C и плотностью 4500 кг/м³. Он об­ладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Удельная прочность⁴ Ti выше, чем у многих легированных конструкционных сталей. Поэтому при замене титановыми сплавами сталей можно при равной прочности уменьшить массу детали на ~ 40 %. Но Ti имеет низкую жаропрочность — при температурах выше 550…600 °С легко окисляется и поглощает водород. Титан хорошо обраба­тывается давлением и сваривается, из него изготовляют сложные от­ливки, но обработка его резанием затруднительна.

Среди сплавов титана наибольшее применение нашли сплавы, легированные алюминием — это позволяет широко использовать его при изготовлении легких корпусных конструкций в судостроении и аэрокосмической технике.

2.4. Классификация и свойства пластмасс

Пластмассами (пластиками) называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в широких пределах.

По связующему веществу пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты) — на основе термореактивных смол.

Термопласты (линейчатая или разветвленная структура) удобны для многократной переработки в изделия, дают незначительную усадку при формовании (1…3%), отличаются большой пластичностью и способностью к ориентации. Наиболее распространенные материалы этой группы — полиэтилен, винипласт, фторопласт (тефлон) и др. Обычно они не содержат наполнителей и применяются для изготовления емкостей для воды, труб, листов, кульков и пр.

Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние (сетчатое строение) хрупки и их повторная тепловая переработка невозможна — гетинакс, текстолит и др. Из них изготавливают листы, корпусные детали в электротехнике, шестерни, платы электронных приборов и т.п.

По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (с наполнителями в виде древесной муки, сульфитной целлюлозы, гра­фита, талька, измельченных стекла, мрамора, асбеста, слюды), волокнистые (с наполните­лями в виде волокон льна, стеклянного волокна, асбеста) и др.

К числу наиболее важных с точки зрения безопасности мореплавания являются газонаполненные пластмассы (наполнитель — воздух или нейтральные газы). В зависимости от структуры их подразделяют на пенопласты и поропласты: первые применяют в спасательных средствах, вторые — в качестве фильтров.

По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные и антифрикционные) и несиловые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление условно, так как одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами. Например, полиамиды применяют в качестве антифрикционных и электроизоляционных материалов и т. д.

Таким образом, пластмассы по своим физико-механическим и технологическим свой­ствам являются прогрессивными и часто незаменимыми мате­риалами для судостроения.