Технология судостроения. Технология судостроительных материалов

С. В. Власов



ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 629.12:658.512.6
ББК 39.42
     В58



Рецензенты:
к. т. н., профессор кафедры технологии материалов Морского государственного университета им. адм. Г. И. Невельского Горчакова С. А.;
к. т. н., доцент кафедры материаловедения Инженерной школы ДВФУ Ружицкая Е. В.




    Власов, С. В.

В58 Технология судостроения. Технология судостроительных материалов : учебное пособие / С. В. Власов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 140 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1235-3

           Представлены общие требования к корпусным сталям, даны основные понятия сопротивления материалов. Даны теоретические основы процесса гибки судостроительной стали, физические методы неразрушающего контроля металлов и сплавов.
           Для учебно-методического обеспечения практико-ориентированной программы бакалавриата по направлению подготовки 26.03.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры».

                                                    УДК 629.12:658.512.6
                                                    ББК 39.42











ISBN 978-5-9729-1235-3

     © Власов С. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.............................................6
ВВЕДЕНИЕ......................................................7

РАЗДЕЛ I
КОРПУСНЫЕ СТАЛИ

Глава 1. ТРЕБОВАНИЯ К КОРПУСНЫМ СТАЛЯМ.........................14
1.1. Стали в судостроении .....................................14
1.2. Общие требования к корпусным сталям.......................17
1.3. Классификация марок судостроительной стали, обозначение..18
1.4. Основные понятия и терминология сопротивления материалов .21
     1.4.1. Механические свойства при испытаниях на растяжение образцов.................................29
     1.4.2. Предел текучести ..................................29
     1.4.3. Временное сопротивление разрыву ...................30
     1.4.4. Относительное удлинение и относительное сужение....31
1.5. Характеристики пластичности листовой корпусной стали при изгибе и её склонности к хрупким разрушениям.......................33
     1.5.1. Испытание на изгиб широкой пробы ..................34
     1.5.2. Сопротивляемость стали хрупким разрушениям ........35
1.6. Предел выносливости (усталости) корпусной стали...........39
1.7. Чувствительность корпусной стали к отпускной хрупкости и хрупкому отпуску .........................................40
1.8. Чувствительность корпусной стали к механическому и термическому старению.....................................40
1.9. Изменение механических свойств под влиянием нагрева до высоких температур.......................................41
1.10. Технологические свойства корпусной стали.................41
1.11. Свариваемость корпусной стали ...........................41
1.12. Сопротивление действию динамических нагрузок ............43
1.13. Коррозионная стойкость корпусной стали в морской воде и атмосферных условиях ......................................43
1.14. Технико-экономические показатели ........................43
1.15. Профильные стали ........................................45
1.16. Допуски по толщине листов................................47
1.17. Допуски по весу (массе) проката..........................48
1.18. Наружный вид листов и профилей...........................49
1.19. Сортаментлистового проката...............................51
1.20. Сортамент профильного проката............................52
1.21. Стальныеотливки .........................................56

3

1.22. Стальныепоковки ...........................................58

Глава 2. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ Fe - Fe₃C,
       УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ И ГРАФИТИЗИРОВАННЫЕ ЧУГУНЫ................................59
2.1. Фазовые и структурные превращения в сплавах железо - углерод.59
2.2. Связь между диаграммой состояния железо - цементит структурой и свойствам сплавов........................................61
2.3. Чугуны .....................................................63

Глава 3. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ КОРПУСНЫЕ СТАЛИ.......................66
3.1. Механические свойства базовых марок стали нормальной и повышенной прочности и стали высокой прочности...........66
3.2. Химический состав базовых марок стали нормальной и повышенной прочности и стали высокой прочности ..........68
3.3. Металлургическое качество стали базовых марок ..............72
     3.3.1. Сталинормальнойпрочности ............................73
     3.3.2. Стали повышенной прочности...........................74
     3.3.3. Стали высокой прочности .............................74

Глава 4. СТАЛИ И СПЛАВЫ, РАБОТАЮЩИЕ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ....................................76
4.1. Сталь нормальной, повышенной и высокой прочности для конструкций, работающих при низких температурах..........................76
4.2. Высоконикелевые стали на основе железа......................76
4.3. Аустенитные стали на основе железа .........................76
4.4. Сплавы на основе железа - инвар и ниспан ...................77
4.5. Мартенситостареющие стали на основе железа .................79

Глава 5. ГИБКА ЛИСТОВОЙ СУДОСТРОИТЕЛЬНОЙ СТАЛИ....................80
5.1. Теоретические основы процесса гибки судостроительной стали .80
5.2. Холодная гибка судостроительной стали ......................83
5.3. Горячая гибка судостроительной стали .......................85
5.4. Правки и подгибка ..........................................87
5.5. Параметры заготовок для циркульной и угловой гибки судостроительной стали ....................................87
5.6. Расчёт рабочих параметров оборудования
    и технологической оснастки при угловой гибке ...........................................89
5.7. Расчёт параметров циркульной гибки..........................92
5.8. Таблицы расчётных рабочих параметров
    для технологической оснастки при холодной угловой гибке судостроительной стали ......................................93

4

        РАЗДЕЛ II СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Глава 6. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ..............................96
6.1. Общая характеристика сплавов на основе алюминия.....96
6.2. Применение алюминиевых сплавов в судостроении ......98
6.3. Алюминиевые сплавы в надстройках МО................100

Глава 7. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
7.1. Сплавы на основе меди..............................102
7.2. Латуни.............................................102
7.3. Бронзы ............................................105
7.4. Антифрикционные материалы..........................108
     7.4.1. Пористые антифрикционные материалы..........113
7.5. Сплавы на основе титана............................115

Глава 8. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
8.1. Механические свойствадревесины.....................119
8.2. Область применениядревесины .......................121
     8.2.1. Лесоматериалы ..............................122
     8.2.2. Древесные материалы.........................122
8.3. Пластические массы.................................123
8.4. Полимерные композиционные материалы ...............124

Глава 9. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.............................129
9.1. Методы неразрушающего контроля.....................129
9.2. Магнитно-порошковаядефектоскопия ..................129
9.3. Ультразвуковаядефектоскопия .......................131
9.4. Капиллярнаядефектоскопия...........................134

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ........................................137

5

        СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ


ГЦК - гранецентрированная кубическая;
ДПП - динамические принципы поддержания (подводные крылья);
ДП - древесина прессованная;
ДСП - древеснослоистые пластики;
КД - капиллярная дефектоскопия;
ЛД - люминесцентная дефектоскопия;
МО - морской объект (водоизмещающие самоходные и несамоходные плавучие инженерные сооружения различного назначения);
МПД - магнитно-порошковая дефектоскопия;
НК - неразрушающий контроль;
ОТК - отдел технического контроля;
ОЦК - объемно-центрированная кубическая;
ПКМ - полимерные композиционные материалы;
Правила РМРС - Правила Российского Морского Регистра Судоходства;
СПГ - сжиженный природный газ;
ССУ - судовая силовая установка;
ТУ - технические условия;
УЗД - ультразвуковая дефектоскопия;
УЗК - ультразвуковые колебания;
ЦД - цветная дефектоскопия;
ЦЗЛ - центральная заводская лаборатория.

6

        ВВЕДЕНИЕ


     В основе технологических приёмов при постройке корпусов МО лежит преимущественно холодная и горячая обработка металла, коей подвергается преимущественно корпусная судостроительная сталь всех марок.
     Так в процессе всевозможных технологических операций холодная пластическая деформация металлов изменяет их свойства и в результате чего, как правило, прочность стали возрастает, а пластичность снижается [11]. Такое изменение свойств металлов при пластической деформации называют наклёпом.
     Что происходит в процессе деформирования металлов? Если приложенная нагрузка небольшая, то возникает упругая деформация металла, исчезающая после снятия нагрузки. Форма и размеры образцов не изменяются. Если приложенная нагрузка возрастет и станет больше предела упругости оупр, то произойдёт пластическая деформация металла. После снятия нагрузки форма и размеры образцов изменяются, так как возникает остаточная деформация.
     Это явление объясняется тем, что с увеличением нагрузки в металле происходит смещение, или текучесть атомов из положения равновесия. Чем больше нагрузка, тем больше смещение атомов. Когда упругое напряжение превзойдет определённую величину - предел упругости, то смещение некоторых атомов может достичь такого состояния, что после снятия нагрузки они уже не могут занять исходное положение. Такое смещение атомов и вызывает остаточную пластическую деформацию металла, что и подразумевается под термином текучесть судостроительной стали.


Рис. 1. Индексы кристаллографических плоскостей (а—в) и направлений (г)

в ОЦК и ГЦК решётках

7

     Пластическая деформация в кристаллах происходит в результате скольжения или смещения отдельных частей кристалла (рис. 1) относительно друг друга под действием касательных напряжений, которые в плоскости и направлении скольжения достигают определённой критической величины акр.

Рис. 2. Направления скольжений в кристаллах: а - ортогональных: б - гексагональных сингоний

     На Рисунке 2 приведены основные направления скольжений в кристаллах ортогональных (кубической, тетрагональной) и гексагональной сингоний.
     Заметим, что скольжение в кристаллической решётке всегда протекает по плоскостям с наименее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления сдвигу наименьшая. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, а прочность связи между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах, в т.ч. и в судостроительных сталях в процессах их обработки могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.
     В металлах, обладающих кубической объёмно-центрированной решёткой (рис. 1, фр. в и рис. 2, фр. а), процесс скольжения наиболее легко осуществляется по плоскостям решётки и в направлении [111], т.е. по пространственной диагонали куба. Металлы с гранецентрированной решёткой обладают системой скольжения по плоскостям октаэдра и в направлении [110], т.е. по диагонали грани куба. Деформация металлов с гексагональной плотноупакованной атомно-кристаллической решёткой (цинка, магния, бериллия) сопровождается скольжением по плоскости базиса (рис. 2,фр. б).
     Скольжение в атомно-кристаллической решётке металлов происходит за счёт перемещения дислокаций, а не одновременного смещения всех атомов в плоскости кристалла (рис. 3). Дислокации возникают в металлах не только при кристаллизации, но и при последующих технологических операциях, в том числе и процессе их деформирования, т. е. гибки, штамповки и т. п. Явление размножения или генерации дислокаций при деформации, было открыто в 1950 году Франком и Ридом. Кроме этого они установили, что чем больше степень деформации кристалла, тем больше в нем дислокаций.

8

Рис. 3. Схема сдвиговой деформации, осуществляемой скольжением краевых дислокаций

     Деформация низкоуглеродистых судостроительных сталей, как поликри-сталлических тел, происходит так же, как и деформация монокристаллов. Однако зёрна в металле имеют различную ориентацию атомно-кристаллической решётки в пространстве, и, следовательно, деформация в зёрнах происходит не одновременно. Микроанализ образцов деформированного металла позволяет изучить влияние деформации на микроструктуру. Если степень деформации мала, т. е. составляет 5-15 %, то только в отдельных зёрнах можно наблюдать следы скольжения в виде прямых линий, которые в пределах зёрен одинаково

ориентированы.

     С увеличением степени деформации в большем количестве зёрен появляются следы скольжения, а сами зёрна начинают менять свою форму. Если до деформации зёрна в металле имели равноосную, округлую форму, то после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зёрна вытягиваются в направлении действующей силы, образуя волокнистую структуру.

Рис. 4. Схема блочной структуры зерна

     Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит образование блоков с нечёткими межблочными границами и наблюдается увеличение угла разориентировки между отдельными блоками (рис. 4).
     При значительной степени деформации металла происходит интенсивный процесс поворота атомно-кристаллической решётки зёрен в соответствии с направлением деформации металла. В результате получается, что в металле все зёрна или их большая часть приобретают строго опредёленную кристаллографическую ориентировку. Такая ориентация зёрен называется текстурой.

9

     Деформация изменяет не только структуру, но и свойства металлов (рис. 5). Вместе с деформацией металла изменяются механические, физические и химические свойства. Такие изменения напрямую связаны с дефектами атомнокристаллической решётки металлов, вакансиями, междоузельными атомами


и дислокациями.


Рис. 5. Влияние пластической деформации на механические свойства металлов: ов - предел временного сопротивления; от - предел текучести;
8 - относительное удлинение; KCV - ударная вязкость

      Кроме того прочность и пластичность металлов зависят от количества дислокаций и их подвижности по плоскостям скольжения в кристаллитах. Если дислокации легко перемещаются по атомно-кристаллической решётке, то металл обладает высокой пластичностью, но прочность его низкая. Если же скольжению дислокаций оказывается сопротивление, то металл обладает высокой прочностью, но низкой пластичностью. Все дефекты кристаллического строения затрудняют движение дислокаций и, следовательно, повышают сопротивление деформации.
      Пластическая деформация увеличивает свободную энергию и приводит металл в структурно-неустойчивое состояние. Следовательно, структура металла самопроизвольно начнет возвращаться в более устойчивое состояние. Скорость этих процессов зависит от диффузионной подвижности атомов и, следовательно, от температуры нагрева металла.
      Установлено, что при определенной температуре нагрева в наклепанном металле образуются новые зёрна с совершенной структурой и минимальным количеством дефектов атомно-кристаллической решётки. Этот процесс называют рекристаллизацией металла, а температуру образования новых зёрен -температурой рекристаллизации (Трекр).
      При нагреве металла до температур ниже температуры рекристаллизации микроструктура не изменяется. Все процессы происходят внутри деформированных зёрен, уменьшается число дефектов решётки, а дислокации, перемещаясь в решётке, разделяют зёрна на блоки с более чёткими границами. Эти процессы называют возвратом.

10

     Различают возврат первого рода, или отдых, когда происходит только движение дислокаций, и возврат второго рода, или полигонизацию, когда наблюдается образование и рост блоков в старых деформированных зёрнах. В результате прочность и твердость металла понижается, а пластичность увеличивается.
     При нагреве металла до температур выше температуры рекристаллизации в нём начинаются процессы образования и роста новых зёрен (рис. 6). Зёрна самопроизвольно зарождаются на границах старых, деформированных зёрен, на границах блоков и в других участках структуры, где наблюдается скопление дислокаций, т. е. в местах, обладающих повышенной энергией. Повышенная энергия обеспечивает достаточную подвижность атомов для зарождения центров новых зёрен с идеальной решёткой.


ю
ь ь



Возврат

Рекристаллизация

°0,2

5

Рис. 6. Влияние нагрева на механические свойства и изменение структуры деформационно-упрочненного металла

Температура рекристаллизации зависит от природы металла, химического состава, степени предшествующей деформации и многих других факторов (табл. 1).

                                                            Таблица1   
Температуры  рекристаллизации и горячей обработки металлов давлением   
                                 Температура, °C                       
Металлы      рекристаллизации   рекристаллизационного       горячей   
             (теоретическая)            отжига             обработки  
                                                           давлением  
Железо             450                 600-700             800-1200   
Судо-                                                                 
строительная       450                 600-750             800-1200   
сталь                                                                 
Медь               270                 450-500              600-800   
Латунь             250                 400-500              600-750   
Алюминий            50                 250-350              350-460   
Молибден           900                1400-1600            1400-2000  

11

      Между температурой плавления и температурой рекристаллизации металла существует простая зависимость
Трекр = а • Тпл,
где Тпл - температура плавления по абсолютной шкале;
   а - коэффициент, зависящий от чистоты металла.

      Для технически чистых металлов а = 0,3-0,4; очень чистые металлы имеют а = 0,1-0,2; сплавы же имеют а = 0,5-0,6 и доходит до 0,8.
      Как видно, различные примеси и легирующие элементы значительно увеличивают температуру рекристаллизации. Установлено, что атомы примесей, перемещаясь по кристаллической решётке металла, собираются или концентрируются около дислокаций, вакансий и других дефектов атомнокристаллической решётки, образуя атмосферы Коттрелла, т. е. скопления примесных атомов.
      Образование атмосфер снижает подвижность дислокаций, так как дислокация может перемещаться только со своей атмосферой из примесных атомов, что требует затрат дополнительной энергии. Следовательно, в металлах с большим количеством примесей новые зёрна появляются в структуре при дополнительном нагреве, т. е. температура рекристаллизации возрастает. Таким образом, атомы примесей и легирующих элементов, затрудняя перемещение дислокаций, увеличивают прочность металлов, в том числе и жаропрочность, так как наклёп металла устраняется при более высоких температурах.
      Температура рекристаллизации зависит от степени предшествующей деформации. Чем больше деформация металла, тем больше искажения кристаллической решётки, тем более неустойчива структура, следовательно, облегчаются процессы образования и роста новых зёрен при рекристаллизации. Это объясняет закономерное снижение температуры рекристаллизации при увеличении степени деформации металла. Только при деформации металла более 50-60 % температура рекристаллизации перестает изменяться, т. е. не зависит от степени деформации. Эта температура и приводится в справочниках как температура рекристаллизации данного металла или сплава.
      Размер зерна после рекристаллизации металла зависит от степени предшествующей деформации, температуры отжига, химического состава и других факторов. При малой степени деформации количество дефектов в кристаллической решётке незначительно и образование новых идеальных рекристаллизованных зёрен не даёт значительного эффекта в выигрыше свободной энергии. Поэтому при малой степени деформации роста зёрен почти не происходит.
      Однако деформация происходит неравномерно. Поэтому с увеличением степени деформации происходит концентрация деформаций в отдельных избранных зёрнах, где образование новых совершенных рекристаллизованных зёрен - энергетически выгодно! Такие зёрна после своего образования способны к быстрому росту, что вызывает появление в структуре крупных зёрен. Следо


12

вательно, существует критическая степень екр деформации металла, которая приводит к образованию крупнозернистой структуры после рекристаллизационного отжига (рис. 7).


Рис. 7. Влияние степени деформации на размер зерна металла после рекристаллизационного отжига

     Критическая степень деформации металлов невелика и находится в пределах 3-8 %. При обработке металлов давлением необходимо избегать этой степени деформации, так как последующий нагрев при отжиге или эксплуатации изделий может вызвать увеличение размеров зёрен и, следовательно, значительное падение пластичности и ударной вязкости. При сверхкритической деформации плотность дефектов атомно-кристаллической решётки такова, что образуется много центров перекристаллизации, в результате металл получает мелкозернистое строение.


13