МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО(судноперевізники)

Навчальний посібник розроблено професором, зав. кафедрою «Технологія матеріалів» Стальніченко Олегом Івановичем, доцентом кафедри «Технологія матеріалів» Смажило Богданом Васильовичем та старшим викладачем цієї ж кафедри Котенко Русланом Віталійовичем.

Навчальний посібник схвалено кафедрою ТМ ОНМУ 24.05.2017 р. (протокол № 10) та рекомендовано Вченою радою ОНМУ 31 червня 2017 р. протокол № 12 до внесення в електронну бібліотеку ОНМУ uni/exchange.

РОЗДІЛ I ОСНОВИ МЕТАЛОЗНАВСТВА ТА КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ

Металознавство – наука, що вивчає зв'язки між складом, будовою та властивостями металів і сплавів, а також закономірності змін властивостей під впливом теплової, механічної або фізико-хімічної дії.

Як самостійна наука металознавство виникло в Росії в XIX ст. під назвою «металографія». Виникнення її зумовлене розвитком промисловості і в першу чергу металургії та машинобудування.

Вивчення кристалів різних речовин цікавило вчених ще в XVII та XVIII ст. В 1763 р. в роботі «Про шари земні» М.В.Ломоносов виводить закон сталості кутів для кристалів алмазу. Геометрично правильну форму кристалів різних речовин М.В.Ломоносов пов'язує з певним розташуванням атомів у просторі; групи атомів складають кристалічні многогранники. Внаслідок однакового розміщення атомів в усіх кристалах однієї речовини однаковими будуть і кути між відповідними гранями. В даному питанні М.В.Ломоносов далеко випередив своїх сучасників; він обгрунтував положення, які визнає

П.П.Аносова (І799-І85І), який вперше застосував мікроскоп для дослідження структури металів, та Д.К.Чернова (І839-І92І), який зробив ряд відкриттів світового значення. Важливіші з них - установлення критичних температур сталі (І868 р.) та кристалічної структури литої сталі (І878 р.). П.П.Аносов заклал основи учення про сталь, розробив наукові принципи одержання високоякісної сталі. Заслуга П.П.Аносова також у тому, що він розкрив секрет виготовлення стародавніми майстрами Сходу булатної сталі, яка застосовувалася для виготовлення клинків. Булатна сталь П.П.Аносова славилася в цілому світі і вивозилась за кордон. Клинки з цієї сталі відзначалися високою твердістю і в'язкістю: ними можна було рубати цвяхи без пошкодження леза, розсікати в повітрі підкинутий платок; клинки можна було згинати до зіткнення кінців.

Відкриття Д.К.Черновим критичних точок «а» та «б» (за сучасним позначенням відповідно А, і А3) здійснило революцію в пізнанні природи металевих сплавів і дозволило пояснити ряд «таємних» явищ, які відбуваються при термічній обробці сталі. Своїми працями Д.К.Чернов заклав основи сучасної науки про метали та сплави.

Дальший розвиток металознавства пов'язаний з іменами Н.С. Курнакова (1860 – І941), яким розробив метода фізико-хімічного аналізу сплавів, А.А. Байкова (1870 – 1946), який висвітлив фізико-хімічну суть ряду металургійних процесів. С.С. Штейнберга (1872 – 1940), який узагальнив явища перетворень аустеніту при різних температурах, Н.П. Чижевського (1873 – 1952), який вперше вивчив вплив азоту на властивості сталі, та інших вітчизняних і зарубіжних вчених, які успішно розвивають науку про метали і в наш час.

Глава 1. БУДОВА МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

1.1 Кристалічна будова металів

Речовини у твердому стані мають кристалічну або аморфну будову. В ідеальній кристалічній речовині атоми розташовані за геометрично правильною схемою і на певній відстані один від одного, в аморфній же (скло, каніфоль) атоми розміщені безладно. Всі метали і їх сплави мають кристалічну будову.

Види кристалічних граток. Під час тверднення атоми металів утворюють кристали, які можна розглядати як геометричне правильні системи, побудовані у вигляді кристалічних граток. Порядок розміщення атомів у ґратках може бути різним. Багато з найважливіших металів утворюють гратки, розміщення атомів в елементарних комірках яких являє собою форму централізованого куба (α та β-залізо, α-титан, хром, молібден, вольфрам, ванадій), куба з центрованими гранями (γ-залізо, алюміній, мідь, нікель, свинець, β-кобальт) або гексагональну, як у шестигранної призми, комірку (магній, цинк, α-кобальт).

Більшість технічних металів мають кристалічні гратки: об'ємно центровану кубічну, кубічну гранецентровану або гексагональну. Для уявлення кристалічної гратки достатньо знати розміщення атомів в її елементарній комірці. На рис. 1 показана елементарна комірка кубічної об’ємноцентрованої гратки; вона обмежується дев'ятьма атомами, вісім з яких розміщені по вершинах куба, а дев'ятий – в його центрі. Повторенням цієї комірки шляхом перенесень утворюється вся структура кристала. На рис. 2 подана частина кубічної об'ємно центрованої гратки. Тут взяті вісім суміжних елементарних комірок; вузли, розташовані по вершинах та в центрі кожної комірки, позначені кружками.

Елементарна комірка кубічної гранецентрованої гратки (рис. 3) обмежується 14 атомами: вісім з них розміщені по вершинах куба і шість по гранях. На рис. 4 подана частина кубічної гранецентрованої гратки. На схемі є вісім елементарних комірок; вузли розміщені по вершинах та в центрах граней кожної комірки.

Елементарна комірка гексагональної гратки (рис.5) обмежена 17 атомами, з них 12 атомів розміщені по вершинах шестигранної призми, 2 атоми – в центрах основ і 3 – всередині призми.

Кожний атом складається з позитивно зарядженого ядра та кількох шарів (оболонок) негативно заряджених електронів, що рухаються навколо ядра. Електрони зовнішніх оболонок атомів металів, що звуться валентними, легко відщеплюються, швидко рухаються між ядрами і називаються вільними. Внаслідок наявності вільних електронів атоми металів є позитивно зарядженими іонами.

Таким чином, у вузлах граток, позначених кружками на рис. 2 та 4, знаходяться позитивно заряджені іони. Іони, однак, не перебувають у спокої, а безперервно коливаються навколо положення рівноваги. З підвищенням температури амплітуда коливань збільшується, що викликає розширення кристалів, а при температурі плавлення коливання частинок посилюються настільки, що кристалічна гратка руйнується.

Рисунок 5 – Елементарна комірка гексагональної гратки

Реально кристали мають дефекти, і їх структура відрізняється від схем поданих ідеальних граток. Точковими дефектами є пусті вузли, або вакансії (рис. 6, а), та міжвузлові атоми (рис. 6, б); кількість цих дефектів зростає з підвищенням температури. Найважливішими лінійними дефектами є дислокації (крайові та

гвинтові), що являють собою ніби зсув частини кристалічної гратки (по лінії АВ рис. 6, в).

Дислокації характеризуються великою протяжністю в одному напрямку і малою в другому. Поверхневі дефекти викликаються наявністю субзерен або блоків 1, 2 всередині кристала (рис. 6,г), а також різною орієнтацією кристалічних граток зерен 1, 2 (рис. 6,д). По межі зерен гратка одного кристала переходить в гратку іншого; тут порушена симетрія розташування атомів.

Дефекти кристалів істотно впливають на механічні, фізичні, хімічні та технологічні властивості металів.

1.2. Механічні властивості металів і методи їх випробувань

Механічні властивості металів. При експлуатації на конструкції, деталі або інструменти діють різні зовнішні зусилля (навантаження). Всі діючі навантаження можна поділити на три групи: а) постійно плавно зростаючі і плавно меншаючи; б) ударні; в) знакозмінні.

Наприклад, корпус плаваючого судна зазнає навантаження від власної маси, маси механізмів і устаткування, суднових запасів (палива, води, масла, провізії і ін.); вантажу, який перевозиться, тиску забортної води тощо (рис. 7). Сили ваги корпуса судна, вантажу і суднових запасів РТ діють в місцях іх розташування і направлені вертикально вниз. Сили ваги судна і вантажу лишаються протягом рейсу постійними, а сили ваги суднових запасів – плавно

зменшуються. Сумарна сила ваги протягом рейсу поступово зменшується. Отже, розглянуті сили відносяться до першої групи навантажень.

Сили тиску забортної води РВ пропорціональні об'єму зануреної частини судна в даному місці і направлені вертикально уверх. В умовах тихої води ці сили також постійні, але в умовах хвилювання безперервно змінюються за значенням і напрямком в залежності від положення вершини хвилі (рис. 8). Якщо вершина хвилі знаходиться посередині судна, то ніс і корма під дією сил ваги РТ вигинаються вниз. Якщо вершини двох хвиль знаходяться в районі носу і корми, то середня частина судна вигинається вниз.

а)

можуть бути віднесені до першої або третьої групи. Всі перелічені сили викликають поздовжній вигин судна.

На корпус судна діють також поперечні сили тиску забортної води, удари хвиль, криги і ін. Поперечні сили тиску забортної води в залежності від її стану можуть бути постійними і відносяться до першої або третьої групи навантажень, а сили ударів хвиль, криги і ін. – до другої групи. Поперечні сили викликають поперечне стиснення корпуса судна. Таким чином, на плаваюче судно діють зовнішні сили, які намагаються викликати постійні або змінні зміни його форми і розмірів.

В процесі будови судна його форма і розміри можуть змінюватися під тиском внутрішніх напружень, що викликані нагріванням при зварюванні та охолодженні. Такі напруження називають термічними.

Під дією сил метал здатний змінювати свою форму і розміри, тобто армуватися, деформації можуть бути пружними і пластичними

(залишковими). Пружні деформації зникають після зняття навантаження, а пластичні залишаються. Плаваюче судно зазнає пружних деформацій.

Величини деформацій залежать від значення діючих сил, а види в д напрямку прикладення сил. Найчастіше зустрічаються такі види деформацій:

розтягування, стискування, вигин, крутіння та зрізання (рис. 9). На практиці метал піддається одному або декільком видам деформацій в залежності від прикладених сил.

Рисунок 9 – Види деформацій стержня.

а – розтягування; б – стискування; в – вигин; г – крутіння; д – зрізання.

Вибираючи метал для виготовлення конструкцій, деталей, інструментів, виходять з його механічних властивостей. Механічними властивостями називається сукупність якостей, що характеризують здатність металів протистояти деформації від прикладених сил. До механічних властивостей відносяться: міцність, пружність, пластичність, твердість, в'язкість,

утомлена міцність (витривалість). Щоб визначити механічні властивості металу, його випробовують в лабораторіях на спеціальних машинах.

Випробування металів на розтягування. Випробування металів розтягування дозволяє визначити найбільш важливі механічні властивості металів: міцність, пружність та пластичність.

Міцність – здатність металів чинити опір руйнуванню під дією зовнішніх навантажень. Пружність здатність – металів відновлювати початкову форму і розміри після припинення дії навантажень, які викликали їх зміни.

Пластичність – здатність металів необоротно змінювати свою форму і розміри, не руйнуючись під дією навантаження. Протилежною пластичності властивістю є крихкість.