Судостроительные стали

ЛЕКЦИЯ 13

Судостроительные стали

Конструктор при выборе подходящего материала для проектируемой детали (в зависимости от условий ее работы) должен учесть следующие свойства материала:

а) механические качества – временное сопротивление разрыву, предел текучести, твердость, ударную сопротивляемость и другие свойства, характеризующие прочность металла;

б) способность материала хорошо выдерживать технологический процесс при изготовлении данной детали: изгиб, штамповку, ковку и т.п., а также изменения в механических качествах, иногда вносимых обработкой металла

в) стойкость материала во время службы, старение, коррозию, эрозию, влияние на прочность низких или высоких температур: явления хрупкости, ползучести;

г) вес конструкции при выбранном материале и его стоимость.

В каждом частном случае конструктор при выборе материала руководствуется наличием в нем тех свойств из вышеуказанных, которые по условиям работы конструкции являются решающими. В одних случаях условия прочности являются решающими, в других – условия прочности не имеют значения и выбор определяется стойкостью против износа или против коррозии. Существенное влияние на выбор материала оказывает тип судна или механизма. Например, сталь для корпуса судна – это достаточная прочность (временное сопротивление, предел текучести) и способность хорошо выдержать технологический процесс – главные условия при выборе марки стали. Если судно коммерческого типа – выбирают марку простой углеродистой стали, учитывая ее дешевизну и оставляя на втором месте вес корпуса; если судно специальное – прибегают к сталям повышенного сопротивления, более дорогим, ставя на первое место облегчение корпуса и на второе его стоимость; в особых легких и небольших судах вместо стали используют алюминиевые сплавы.

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2.14% углерода. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72. ГОСТ 14959-79). В свою очередь углеродистые стали могут быть:

Рекомендуемые материалы

· малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 025%;

· среднеуглеродистыми содержание углерода составляет 0,25-0,60%;

· высокоуглеродистыми в которых концентрация углерода превышает 0.60%.

Легированные стали подразделяют на:

· низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%;

· среднелегированные, в их состав входят от 2.5 до 10% легирующих элементов;

· высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

Инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными свойствами (пермаллой).

В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора стали подразделяют на:

· стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора;

· качественные – до 0.035% серы и фосфора каждого отдельно;

· высококачественные – до 0.025% серы и фосфора;

· особо высококачественные до 0.025% фосфора и до 0.015% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т. е.  по степени её раскисления:

• спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы опускаются);

• кипящие стали - слабо раскисленные, маркируются буквами "кп";

• полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; Обозначаются буквами "пс".

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на три группы:

• сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);

• сталь группы Б – по химическому составу;

• сталь группы В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности, относительное удлинение, предел текучести, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.

Конструкционные углеродистые качественные стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов.

Маркируются стали числами 05, 08, 10, 15...85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Спокойные стали (сп) маркируются без индекса, полуспо­койные и кипящие с индексами соответственно «пс» и «кп».

Легированные конструкционные стали бывают качественными, высококачественными и особо высококачественными. Марки легированных сталей состоят из сочетания букв и цифр, обозначающих их химический состав. Две цифры в начале марки показывают содержание углерода в сотых долях процента; буквами обозначают легирующие элементы, а цифрами справа от буквы их среднее содержание (например, сталь 30X13 содержит 0,30 % углерода и 13 % хрома). Если цифpa после буквы отсутствует, то содержание легирующего элемента не превышает 1,5 % (например, сталь 12ХНЗА содержит 0,12 % углерода, хрома менее 1,5 % и никеля 3 %). Буква «А» в конце марки обозначает, что сталь высококачественная. Например, сталь 38Х2МЮА. Буква «Ш» в конце марки обозначает, что сталь особо высококачественная. Например, сталь 10ГНБШ.

Условные обозначения легирующих элементов:

А – азот, К – кобальт, Т – титан, Б – ниобий, М – молибден,

Ф – ванадий, В – вольфрам. Н – никель, X – хром, Г – марганец, П – фосфор, Ц – цирконий, Д – медь, Р – бор, Ч – редкоземельный элемент, Е – селен,

С – кремний, Ю – алюминий.

Общепринятым в мировой практике судостроения и судоремонта является принцип: в качестве корпусной стали может применяться углеродистая или низколегированная сталь (листы, профили и т. п.) – имеющая сертификаты Регистра Российской Федерации или иного классификационного общества. Требования к судостроительной стали изложены в Правилах классификации и постройки морских судов Регистра Российской Федерации (ч. XIII. Материалы) – а также в ГОСТ 5521-86 «Прокат стальной для судостроения».

Основным международным нормативом, в котором приведены требования к химическо­му составу и механическим свойствам судостроительной стали нормальной и повышенной прочности (минимальные требования) являются унифицированные нормы Международной Ассоциации классификационных обществ (МАКО), принятые в 1971 г. Практически с 1973 г. ведущие классификационные общества включили в свои Правила идентичные требования к корпусной стали.

Правилами Регистра Российской Федерации и других классификационных обществ (членов МАКО) для изготовления корпусных конструкций морских судов предусматривается использование судостроительной стали нормальной прочности категорий А. В. D. Е (предел текучести 235 МПа), стали повышенной прочности категорий А32. D32. Е32 (предел текучести 315 МПа), А36 D36, Е36 (предел текучести 355 МПа), А40. D40. Е40 (предел текучести 390 МПа), а также стали высокой прочности.

Для сталей повышенной прочности согласно правилам Регистра Российской Федерации и зарубежных классификационных обществ (включая марки низколегированных сталей по ГОСТ 5521-86) цифры, следующие за буквенными обозначениями, означают минимальный предел текучести в кгс/мм².

Аналогичный принцип обозначения марок углеродистых сталей принят стандартами многих стран, например, согласно немецкому стандарту цифры, следующие за обозначением стали St. означают временное сопротивление. Например, сталь нормальной прочности St 37-3 (Сц=37 кгс/мм² или 360 МПа). сталь повышенной прочности St 52-3 (52 кгс/мм²). В Великобритании судостроительная сталь, поставляемая по Британскому стандарту BS4360. имеет обозначение, включающее номер стандарта, категорию стали и значение временного сопротивления, например BS4360-43A, где А – категория стали.   43 – временное сопротивление (43 кгс/мм²).

Для корпусной стали нормальной и повышенной прочности, поставляемой в разных странах для судостроения и судоремонта, обозначения категорий стали идентичны принятым в Правилах Регистра.

Выплавка корпусной стали осуществляется в кислородных конвертерах с продувкой чистого кислорода сверху, мартеновских или электрических печах или иным методом, допущенным Регистром Российской Федерации.

Спокойную сталь получают путем полного раскисления металла необходимым количеством алюминия, ферромарганца, ферросилиция. Спокойную сталь широко применяют в судостроении. В ней практически отсутствуют неметаллические включения, имеется большая однородность химического состава, мелкое зерно (вследствие раскисления алюминием), что существенно повышает сопротивляемость стали хрупкому разрушению (ударная вязкость стали мелкозернистой в 2-3 раза выше, чем крупнозернистой, особенно при понижении температуры).

Если сталь поставляется термически обработанной, то состояние поставки должно быть указано в сертификате. Вид термической обработки устанавливает изготовитель проката. Вместо нормализации допускается закалка с отпуском, а также процесс контролируемой прокатки. Замена нормализации процессом прокатки с контролируемой температурой должна быть согласована с Регистром, если прокат изготовляется под его надзором. Для стали категории Е всех уровней прочности такая замена не допускается.

Таблица 13.1 Способ раскисления и состояние проката судостроительной стали

Химический состав судостроительной стали определяется заводом-изготовителем по анализу ковшевой пробы (т.е. от каждого ковша каждой плавки) и приводится в заводском документе о качестве. В маркировку стального проката обязательно входит номер плавки.

Массовая доля углерода (верхний предел) определяет показатели свариваемости и степень вероятности возникновения горячих трещин в зоне термического влияния сварных швов. Правила Регистра, нормы МАКО и других классификационных обществ ограничивают верхний предел массовой доли углерода: сумма массовой доли углерода и 1/6 массовой доли марганца в углеродистой стали нормальной прочности должна быть не более 0,4 %. В стали категории А допускается наиболее высокая массовая доля углерода – 0,23% (при толщине листов до 12,5 мм включительно и всех профилей категории  А может быть допущена максимальная массовая доля углерода 0,26%). Нижний ее предел в корпусной стали не регламентируется (например, в толстолистовой стали массовая доля углерода 0,07%). Для судостроительной стали повышенной прочности верхний предел ограничивается – не более 0,18%.

Эквивалент углерода, определяемый но данным ковшового анализа, дает представление об уровне свариваемости металла (стали повышенной прочности, стального литья, легиро­ванных марок сталей). В случае если С>0,45%, требуется подогрев перед сваркой и применение электродов с низким содержанием водорода. Если 0,41<С<0,45, то предварительный подогрев не требуется, но применение электродов с низким содержанием водорода обязательно. В случае С<0,41 предварительный подогрев не требуется, и для сварки стали повышенной прочности можно применять любые электроды одобренного типа.

С повышением массовой доли марганца увеличивается временное сопротивление, возрастают предел текучести (в меньшей степени) и ударная вязкость и сдвигается порог хрупкости в сторону низких температур Содержание Mn в стали нормальной прочности составляет 0,6-1,4%,, в стали повышенной прочности 0,9-1,6 %.

Массовая доля серы и фосфора в стали нормальной и повышенной прочности не более 0,04 % (каждого компонента). В стали для низких температур (до минус 50°С), предназначенной для конструкций ледоколов, предельные значения массовой доли серы должны быть не более 0,025%, фосфора – не более 0,03%. Для сталей с гарантированными свойствами по толщине (Z-сталь) массовая доля серы не более 0.01 %, фосфора – не более 0,03 % Повышенное содержание серы вредно сказывается на свариваемости стали, способствуя образованию горячих трещин (горячеломкости). Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости стали.

Если расчетная температура конструкции ниже минус 30°С при толщине элемента более 10 мм Правила Регистра предусматривают повышенные требования к химическому составу, термической обработке, механическим свойствам стали (например, испытанию на ударный изгиб при минус 60°С).

Правила Регистра предусматривают три категории судостроительной стали для конструкций, работающих при температуре минус 50°С (категории F32, F36, F40). Одним из характерных требований к механическим свойствам таких сталей является работа удара (KV=45 Дж при минус 60°С).

Применение стали категории А не допускается для конструкций с высоким уровнем кон­центрации напряжений, подверженных динамическим нагрузкам. Для ледоколов применяют сталь категории Е для обшивки и набора в районе ледового пояса но всей длине судна.

Бесплатная лекция: "Введение" также доступна.

Для судостроительных сталей необходимо наличие эффективной защиты от коррозии. Под эффективной защитой от коррозии понимается использование следующих методов:

для подводной части корпуса – комплексная защита с применением лакокрасочных покрытий и электрохимической защиты;

контроль эффективности последней осуществляется с помощью стационарного потенциала, равного 0,85-0,9 В по хлорсеребряному электроду сравнения;

для пояса переменных ватерлиний – любые апробированные в эксплуатации лакокрасочные покрытия со сроком сохранности до 80-85 % после 2 лет службы;

для балластных и грузобалластных танков – комплексные способы защиты от коррозии или лакокрасочные покрытия со сроком службы не менее 8 лег.

При замене конкретной марки стали повышенной прочности другой маркой исходят из равнопрочности, что в первую очередь определяется пределами текучести и работой удара при расчетной температуре.