МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО(судноперевізники)
.pdfМІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ МОРСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра «Технологія матеріалів»
О.І. Стальніченко, Б.В. Смажило, Р.В. Котенко
«МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО»
ДЛЯ СУДНОПЕРЕВІЗНИКІВ
НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК
Спеціальності: 271 «Річковий та морський транспорт»
275 «Транспортні технології (на морському транспорті)»
ОДЕСА-2017
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.
|
ЗМІСТ |
|
Розділ І. ОСНОВИ МЕТАЛОЗНАВСТВА ТА КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ .............. |
5 |
|
ГЛАВА 1. БУДОВА МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ......................................................... |
6 |
|
1.1 |
Кристалічна будова металів ......................................................................... |
6 |
1.2 |
Механічні властивості металів і методи їх випробувань .......................... |
8 |
ГЛАВА 2. СПЛАВИ ЗАЛІЗА З ВУГЛЕЦЕМ ....................................................... |
21 |
|
2.1 |
Основні структури залізовуглецевих сплавів ............................................ |
21 |
2.2 |
Діаграма стану залізо-вуглець ..................................................................... |
22 |
2.3 |
Мікроструктури залізовуглецевих сплавів................................................. |
24 |
ГЛАВА 3. ЧАВУНИ .......................................................... ..................................... |
26 |
|
3.1 |
Вплив домішок на властивості чавунів ................ ..................................... |
26 |
3.2 |
Види чавунів, їх застосування та маркірування... ..................................... |
27 |
ГЛАВА 4. СТАЛІ..................................................................................................... |
31 |
|
4.1 |
Класифікація сталей...................................................................................... |
31 |
4.2 |
Конструкційні вуглецеві сталі ..................................................................... |
33 |
4.3 |
Конструкційні леговані сталі ....................................................................... |
34 |
4.4 |
Інструментальні вуглецеві, леговані та швидкоріжучі сталі.................. |
36 |
4. 5 |
Сталі з особливими властивостями ............................................................. |
38 |
4.6 |
Плаковані сталі .............................................................................................. |
40 |
Глава 5. КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ ТА ЇХ СПЛАВИ........................................... |
41 |
|
5.1 |
Сплави на мідній основі ............................................................................... |
41 |
5.2 |
Нікель, мідно-нікелеві та нікелеві сплави .................................................. |
46 |
5.3 |
Алюміній та його сплави.............................................................................. |
47 |
5.4 |
Титан та його сплави..................................................................................... |
52 |
5.5 |
Антифрикційні сплави.................................................................................. |
54 |
5.6 |
Матеріали атомних реакторів ...................................................................... |
55 |
ГЛАВА 6. КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ ............................................................................. |
58 |
|
6.1 |
Види корозії ................................................................................................. |
58 |
6.2 |
Корозія суднових конструкцій..................................................................... |
61 |
6.3 |
Способи захисту металів від корозії ........................................................... |
62 |
ГЛАВА 7. ПРОДУКЦІЯ ЛИВАРНОГО ВИРОБНИЦТВА ТА ОБРОБКИ |
|
|
МЕТАЛІВ ТИСКОМ ............................................................................................. |
66 |
|
7.1 |
Виливки чавуну ............................................................................................. |
66 |
7.2 |
Сталеві виливки............................................................................................. |
69 |
7.3 |
Види прокату та його маркування............................................................... |
70 |
7.4 |
Суднові сталеві поковки............................................................................... |
76 |
Розділ ІІ. НЕМЕТАЛЕВІ МАТЕРІАЛИ .............................................................. |
79 |
|
ГЛАВА 1. ПЛАСТИЧНІ МАСИ ............................................................................ |
79 |
|
1.1 |
Загальні відомості про пластмаси ............................................................... |
79 |
1.2 |
Види та властивості пластмас...................................................................... |
80 |
1.3 |
Способи одержання виробів та напівфабрикатів із пластмас .................. |
83 |
1.4 |
Застосування пластмас у суднобудуванні .................................................. |
84 |
ГЛАВА 2. ІНШІ НЕМЕТАЛЕВІ МАТЕРІАЛИ.................................................... |
87 |
|
2.1 |
Гумові матеріали та клеї............................................................................... |
87 |
2.2 |
Лакофарбові матеріали ................................................................................. |
90 |
2.3 |
Мастильні матеріали ..................................................................................... |
94 |
2.4 |
Керамічні матеріали і скло ........................................................................... |
98 |
2.5 |
Ущільнюючі матеріали................................................................................. |
99 |
ГЛАВА 3. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ОББУДОВУВАННЯ ПРИМІЩЕНЬ СУДЕН ... |
102 |
|
3.1 |
Деревина та деревинні матеріали ................................................................ |
102 |
3.2 |
Бетон ............................................................................................................... |
106 |
3.3 |
Ізоляційні матеріали...................................................................................... |
109 |
3.4 |
Матеріали для облицювання приміщень і покриття палуб ...................... |
112 |
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
сучасна наука. |
|
Розвиток металознавства нерозривно |
пов'язаний з іменами |
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.
Рисунок 1 – Елементарна комірка |
Рисунок 2 – Частина кубічної |
об'ємно центрованої гратки |
кубічної об'ємно центрованої |
|
гратки |
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.
Рисунок 3 – Елементарна комірка |
Рисунок 4 – Частина кубічної |
кубічної гранецентрованої гратки |
гранецентрованої гратки |
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).
а) |
б) |
в) |
г) |
д) |
|
Рисунок 6 – Дефекти кристалічної будови |
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)
|
б) |
Рисунок 7 – Схема дії постійних |
Рисунок 8 – Згин судна в умовах |
навантажень на корпус судна |
хвилювання: а – вершина хвилі |
|
знаходиться посередині судна: |
|
б – вершини двох хвиль |
|
знаходяться біля носа та корми |
Отже, в залежності від стану |
води сили її тиску на корпус судна |
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.