2014-02-09
802
Классификация и маркировка
Железоуглеродистые сплавы
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 9ХСллегированная 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 ШХ15СГвысокоуглеродистая 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/мм2
Пример: серый чугун СЧ 15предел прочности при растяжении 12кГс/мм2 (120МПа)
|
| Ковкий | Буквами КЧ. Первое число обозначает временное сопротивление разрыву в кГс/мм2, второе – относительное удлинение в процентах.
Пример: ковкий чугун КЧ 35-10предел прочности при растяжении 35Гс/мм2 (350МПа), относительное удлинение не менее 10%
|
| Высокопрочный | Буквами ВЧ. Первое число обозначает временное сопротивление разрыву в кГс/мм2, второе – относительное удлинение в процентах.
Пример: высокопрочный чугун ВЧ 60-2предел прочности при растяжении 60кГс/мм2 (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 | 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.
Тема: Неметаллические конструкции и специальные материалы.
Пластмассы (пластики) – называются твердые, прочные и упругие материалы, получаемые на основе полимерных соединений.
Для пластмасс характерна простота технологического процесса изготовления изделий, высокая устойчивость к агрессивным средам и атмосферным условиям, низкий удельный вес изделия, высокие диэлектрические и теплоизоляционные свойства. В ряде случаев пластмассы обладают хорошей механической прочностью, антифрикционными свойствами, износостойкостью, коррозийной стойкостью.
Для расширения свойств пластмасс в ее состав вводят наполнители (порошки, волокна, листы и т.д.), пластификаторы (глицерин, парафиновое масло) и другие добавки (стабилизаторы, красители).
Термопластические пластмассы при каждом нагреве размягчаются, переходят в вязкое состояние, а при охлаждении отвердевают. К этим материалам относят полиэтилен, полипропилен, фторопласт – 3, фторопласт – 4, полиметилметакрилат (органическое стекло), поливинилхлорид, полиамиды идр. соед.
Полиэтилен – высокая химическая стойкость, хорошие диэлектические свойства, низкая устойчивость к атмосферным влияниям и к ультразвуковому облучению.
Применение: изготовление труб, емкостей, пленочных материалов, спецодежды.
Способы переработки: литье под давлением, горячее прессование, сварка, склейка, обработка давлением.
Полипропилен – обладает всеми положительными качествами полиэтилена и в меньшей мере его недостатками (низкая морозостойкость). На базе полиэтилена и полипропилена производят сополимеры, сочетающие в себе положительные свойства обоих материалов.
Применение: трубы, арматура, емкостей, насосов, вентиляторов, мелких деталей машин.
Способы обработки: литье под давлением, склейка, сварка, механическая обработка.
Фторпласт – 3. Высокая химическая стойкость
Фторпласт – 4. Хорошие диэлектические свойства
Применение: химические стойкие детали, волокна пленки, тканевые материалы
Способы переработки: спекание отпрессованных профилей, механическая обработка.
Органическое стекло – низкий удельный вес, отсутствие хрупкости, более высокая светопрозрачность, простая механическая обработка. Недостатком является низкая теплостойкость.
Термореактивные пластмассы при нагреве вначале размягчаются, а затем при определенной температуре переходят в твердое неплавкое и нерастворимое состояние, поэтому они не могут повторно перерабатываться.
В зависимости от характера наполнителя, отверждающие пластмассы подразделяются на пресс-порошки, волокнистые и слоистые пластики.
Из пресс-порошков изготовляют корпуса и крышки приборов, детали предназначенные для работы при повышенных температурах или в условиях высокой влажности, но сравнительно малонагруженные.
Изделия из волокнитов используются для нагруженных деталей, работающих при температурах 100-2000С. Волокниты отличаются высокой ударной прочностью. Асбестоволокниты имеют высокие электроизоляционные свойства при повышенных температурах и используются, для изготовления электроизоляционных изделий.
Слоистые пластинки имеют очень широкое применение. Изготовление шлюпок, подшипников, опорных рам и др. изделий.
Кремнийорганические в промышленности используются в качестве амортизаторов, смазочных масел с низкой температурой замерзания. Пластмассы на основе кремнийорганических смол изменяют свои свойства при температурах от -60 до +2500С и даже до +5500С.
Для получения высокотеплостойких материалов применяются элетроорганические соединения, содержащие фосфор, алюминий и другие сополимеры.
Высокопрочные конструкционные материалы – стеклопласты используются для изготовления направляющих лопаток компрессоров авиационных и реактивных двигателей, корпуса катеров, лодок, труб и емкостей для агрессивных жидкостей. Стеклопластики используются в качестве защитных жаростойких покрытий при температурах до 100000С.
Газонаполненные полимерные материалы (пенопласты) отличаются высокими тепло – и звукоизоляционными свойствами и находят применение в строительстве холодильной и химической техники, в судо – и самолетостроении, а также для изготовления лодок, поплавков и спасательных средств.
Резина компонентами резины является натуральный каучук. Вулканизирующими добавками при производстве резины является сера, металлический натрий и др. элементы. Изменяя количество серы в смеси можно получить резину с различной степенью эластичности. При добавке 2-8% S получают мягкую резину, при 12-20% S – полутвердую и при 25-30% S твердую резину. Для придания резине других свойств в смесь каучука и вулканизатора добавляют специальные добавки.
В зависимости от назначения резины делятся на два вида:
· Резины универсального типа используемые в производстве шин, ремней, рукавов, электроизоляционных изделий, транспортных лент, деталей машиностроения.
· Резины специального типа – масло и нефтестойкие, газонепроницаемые, стойкие против агрессивных сред.
Клеи – коллоидные растворы образующие плотные пленки, хорошо сцепленные с материалами которых склеивают. В состав клея входят полимерные материалы (смолы). Кроме пленкообразующих в состав клеющих материалов входят растворители, пластификаторы, отвердители, катализаторы и наполнители. Прочность склеивания обеспечивается адгезией и колгезией.
Адгезия (схватывание) – результат действия электростатических сил, которые всегда возникают при контакте разнородных сил.
Колгезия – собственная прочность пленки.
Формальдегидные и эпоксидные смолы – склеивание металлов, стеклопластиков, бетона.
Кремний органические соединения – склеивание легированных сталей, титановых сплавов.
Смоляные клеи могут быть термореактивными и термопластичными. Термореактивные, это более прочные и более термостойкие клеи.
Резиновые – пленкообразователем является каучук, отличаются высокой эластичностью и используются для склеивания резины с резиной или резины с металлами и стеклом.
При склеивании теплостойких резин на основе кремнийорганического стекла применяют клеи, в состав которых входят кремнийорганические смолы.
