Лекция №7 Тема: основные металлические конструкционные материалы в судостроении и судоремонте

общая классификация конструкционных материалов

Ранее было установлено, что к группе конструкционных относятся мате­риалы:

• предназначенные прежде всего для изготовления деталей, восприни­мающих значительные силовые нагрузки;

• имеющие повышенную плотность дефектов кристаллического строе­ния и избыток свободной энергии;

• представляющие собой не простые вещества (например, медь), а спла­вы (бронза - сплав на основе меди).

С учетом изложенного, общую классификацию конструкционных мате­риалов можно представить следующим образом (рис. 2.30)

Приведенная схема позволяет отнести к группе металлических конструк­ционных материалов; стали, чугуны и сплавы на основе цветных металлов.

Неметаллические материалы - пластмассы и композиты - создаются на базе полимеров. Полимеры представляют собой соединения с молекулярной массой свыше 10⁴а.е.м., состоящие из более простых молекул и атомов.

Так как морское судно относится к категории транспортных средств, то одной из важнейших характеристик материалов, используемых для его по­стройки вообще и корпуса судна — в частности, является удельная проч­ность:

Р где - предел прочности материала, МПа; - плотность материала, кг/дм³.

Вполне очевидно, что чем она выше, тем больше или дедвейт судна, или его скорость юга меньше требуемая мощность главного двигателя.

Сопоставление перечисленных групп конструкционных материалов по удельной прочности (рис. 2.31) показывает, что безусловным лидером по этому показателю являются композиционные материалы - материалы, по­лучаемые сочетанием химически разнородных элементов (например, ните­видные кристаллы бора в полимерной матрице).

Материал корпуса сумма и СТС

Рис. 2.31. Сравнительная характеристика материалов в судостроении и судоремонте

по удельной прочности и относительной технико-экономической эффективности

Однако по интегральной характеристике - ТЭЭ (соотношению "удельная прочность/относительная стоимость материала") при современном уровне развития науки и техники стали в 10... 12 раз превосходят и композиты, и титановые сплавы.

Именно по этой причине не только сейчас, но и в будущем использование в торговом судостроении железоуглеродистых сплавов предпочтительнее на их долю приходится не менее 90... 95 % общей массы судна. Что касается композитных материалов и сплавов Ti, Mg и А1, то они уже нашли широкое применение в авиастроении, космической технике, при создании боевых кораблей ВМФ и специализированных научных судов.

Железоуглеродистые сплавы

Классификация и маркировка

В соответствии с диаграммой состояния "железо-углерод" (см. п. 2.6.3) к их числу железоуглеродистых сплавов относятся стали и чугуны. Доминирующей, вследствие благоприятного комплекса свойств, являются группа сталей - соотношение между ними и чугунами по массе в судостроении можно ориентировочно оценить как 20:1. Рассмотрим наиболее важные для морской практики классификационные признаки и маркировку этих материалов.

Для сталей основной является классификация по назначению - она позволяет по отражаемому в марке стали содержанию углерода достаточно точно указать конкретные группы деталей СТС, для изготовления или ремонта которых эта марка может быть применена:

• конструкционные - 0,08... 1,0 %С;

• инструментальные - 0,7... 1,3 % С.

Назначение чугунов зависит от формы графитовых включений, что в значительной мере определяет его механические свойства - именно они на­ходят отражение в марке этих сплавов (рис. 2.32).

С точки зрения строения чугуны можно рассматривать как сталь, в струк­туре которой размещены играющие роль концентраторов напряжений графи­товые включения - практически чистый углерод.

В структуре серых чугунов присутствует графит пластинчатой формы, их механические свойства (особенно пластичность - <0,3%) ниже, чем у других чугунов. Серые чугуны используют для деталей 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.

В высокопрочных чугунах графит шаровидной формы 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, из-за больших габаритов деталей (например, диаметр втулки рабочего цилиндра малооборотного судового 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 %.

Таблица 2.13 - Условные обозначения основных легирующих элементов в сплавах

Легирующий эле­мент	Сплав		Легирующий элемент	Сплав
	сталь	цветных металлов		сталь	цветных металлов
Хром	X	X	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	—

Классификация сталей по химсоставу предусматривает использование качественной и количественной информации по всем основным компонентам сплава - как сталей, так и на основе цветных металлов. Если компонентами в стали являются только Fe и С, то их называют углеродистыми, при наличии дополнительно введенных компонентов с целью изменения свойств в нужном направлении - легированными. Каждый легирующий элемент обозначается определенной буквой (табл. 2.13), а его содержание - числом (табл. 2.14).

По степени легирования стали условно подразделяют на низколегиро­ванные с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5 %; средне-легированные-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. 2.14).

Таблица 2.14 – условные обозначения сталей и чугунов,

Применяемых в судостроении и судоремонте

Материал	Принципы и примеры маркировки
	Cm ал и
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	Буквой У и цифрами, показывающими среднее содержа-
инструментальная	ние 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
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. 2.13) 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 и алюминия 1 %; остальное -железо и примеси Пример: Сталь 12Х18Н9Т —» качественная коррозионно-стойкая сталь с содержанием углерода ~ 0,12 %, хрома 12 %, никеля 9 %. титана 1 %; остальное -Fe. примеси
Легированная инструментальная	Число, стоящее в начале марки, указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Числа, стоящие после букв, обозначающих легирующий элемент, показывают его среднее содержание в процентах. Пример: сталь 9ХС ллегированная 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%Сr, 1%Si, 1% Mn, остальное железо и примеси
Чугуны
Серый	Буквами СЧ и числами обозначающими предел прочности при растяженни в кГс/мм^2 Пример: серый чугун СЧ 15 предел прочности при растяжении 12кГс/мм^2 (120МПа)
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 35Гс/мм^2 (350МПа), относительное удлинение не менее 10%
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 60кГс/мм^2 (600МПа), относительное удлинение не менее 2%.
	Влияние углерода и примесей на свойства сталей и чугунов. Сравнитель­ная характеристика сталей и чугунов

В железоуглеродистых сплавах углерод оказывает наибольшее влияние на их свойства. Механизм его влияния для сталей и чугунов достаточно сильно отличается.

С точки зрения теории сплавов конструкционные стали представляют со­бой двухфазную систему, состоящую из феррита (Ф) и цементита (Ц). Фер­рит - это ограниченный твердый раствор внедрения углерода в ОЦК-решетке железа, практически его не содержащий (не более 0,02 % С). Таким образом, практически весь углерод, входящий с состав стали, находится в форме це­ментита - химического соединения, отвечающего стехиометрической формуле Fe₃C. С увеличением содержания углерода в сплаве количество цементита возрастает, а феррита – снижается (рис. 2.33)

Собственно свойства этих фаз диаметрально противоположны: феррит имеет низкую твердость, прочность и высокую вязкость, цементит - тверд, прочен и хрупок. Дополнительно следует учитывать, что граница между эти­ми фазами является двухмерным дефектом. Поэтому для стали в целом при увеличении содержания углерода изменение свойств будет происходить от свойств феррита к свойствам цементита.

Увеличение содержания цементита ведет также к изменению специальных и технологических свойств. Так, электропроводность будет понижаться вследствие уменьшения числа свободных электронов - в соединении Fe₃C .

они практически все участвуют в формировании связей "Fe-С". По этой же причине свариваемость, предполагающая установление межатомных связей (см. ниже), также будет ухудшаться.

Вредные примеси, несмотря на малое содержание, оказывают на свойства сталей заметное негативное влияние. Превышение установленных норм по сере ведет к красноломкости (раскрашиванию стали при горячей обработке давлением). Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости (резкому снижению ударной вязкости при понижении температуры), что де­лает невозможным использование таких сталей для изготовления деталей хо­лодильных установок, корпусов судов для плавания в высоких широтах и т.д.

Механические свойства чугунов определяются, в основном, не содержа­нием в них углерода (обычно 3...4,5 %), а формой графитовых включений (см. рис. 2.33). Определенную роль играют их количество и размеры: чем выше эти показатели, тем ниже прочностные характеристики чугуна. Приве­денные данные свидетельствуют, что стали и по прочности, и по пластично­сти намного превосходят практически все чугуны (табл. 2.15)

Таблица 2.15 - Сравнительная характеристика механических свойств чугунов и сталей

Показатель	Сталь У8 (перлит)	Чугуны на перлитной		основе
		серый	ковкий	высоко­прочный
Предел прочности при испыта­ниях на растяжение 0"в, МПа	950	210..400	500 .630	500... 1200
Относительное удлинение 5, %	16... 18	0.1..0.3	2.4	2...4

Помимо этого, стали являются более технологичным материалом. Из чу­гунов детали производят по укрупненной схеме "отливка заготовки + после­дующая механическая обработка". Стальные же заготовки получают не толь­ко литьем, но также и обработкой давлением, сваркой, подвергают механиче­ской и различным видам термообработки.

Однако указанные недостатки чугуна в значительной мере компенсиру­ются его преимуществами в сравнении со сталью. Он, как правило, дешевле сталей, имеет более высокие литейные свойства, лучше работает в условиях трения скольжения и др. Это обуславливает широкое применение чугунов, особенно серых, в судостроении и судоремонте. Из них отливают втулки и крышки рабочих цилиндров, изготавливают поршневые кольца, корпуса ре­дукторов и др.