Мутылина И.Н. Судостроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

И. Н. Мутылина

СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Рекомендовано Дальневосточным региональным

учебно-методическим центром в качестве учебно

го пособия для студентов направления «Корабле

строение и океанотехника» вузов региона

Владивосток

2005

УДК 669.01

М91

Мутылина И.Н. Судостроительные материалы: учеб. пособие. – Владивосток: Изд-во

ДВГТУ, 2005. – 166 с.

В учебном пособии рассмотрены закономерности формирования структуры кристалли6

ческих материалов в процессе их кристаллизации и последующей обработки. Приведен об6

зор судостроительных материалов и их маркировка.

Учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Материаловедение и

технология конструкционных материалов» и предназначено для студентов, обучающихся по

направлению 652900 «Кораблестроение и океанотехника». Может быть рекомендовано для

выполнения курсовых и дипломных работ.

Рецензенты:

В.В. Тарасов, доктор транспорта, профессор (МГУ им. адм. Г.И. Невельского),

Т.Н. Токарчук, доцент, канд. хим. наук (ДВГУ)

Издано по решению Редакционно-издательского совета ДВГТУ

Отпечатано с оригинал-макета, подготовленного автором

ISBN 5-7596-0475-9

 Мутылина И.Н., 2005

 Изд-во ДВГТУ, 2005

ВВЕДЕНИЕ

Решение важнейших технических проблем, возникающих в области судостроения и су6

доремонта и связанных с экономией материалов, уменьшением массы судовых машин и ме6

ханизмов, надежности и работоспособности приборов во многом зависит от знания материа6

ловедческих вопросов и правильного выбора технологического процесса изготовления изде6

лий.

В данном учебном пособии рассмотрены некоторые вопросы раздела «Материаловеде6

ние» учебного курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для

студентов, обучающихся по направлению 652900 «Кораблестроение и океанотехника». Цель

этого курса – получение знаний по выбору технологических методов получения заготовок и

деталей из материалов, применяемых в судостроении. Основными задачами курса являются:

изучение строения и свойств металлических и неметаллических материалов, их поведения в

различных условиях внешнего воздействия, ознакомление с основами рационального выбора

судостроительных материалов, изучение методов получения и обработки конструкционных

материалов.

Проблема рационального выбора судостроительных материалов – одна из основных в

современном судостроении. С ней связано и развитие одной из отраслей Дальневосточного

региона – судоремонта. Без знаний в области материаловедения и технологии материалов ее

решить невозможно.

В пособии представлены принципы классификации современных судостроительных ма6

териалов и приведена их маркировка, действующая в настоящее время. Описаны процессы

кристаллизации и последующей обработки, формирующие структуру сплавов, показана вза6

имосвязь структуры и свойств.

Глава 1. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Переход металлов из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической

структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом

кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически бо6

лее устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией или термодинамическим потен6

циалом, т.е. когда свободная энергия кристалла (G

) меньше свободной энергии жидкой фазы

). Если превращение происходит с небольшим изменением объема, то

∆

H–T

∆

S, где G

– свободная энергия, H – полная энтальпия системы, T

∆

S – энтропийный фактор.

Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояний в зависимости от темпера6

туры показано на рис. 1.

Рис. 1. Изменение свободной энергии металла в жидком (G

) и твердом (G

) состояниях в за6

висимости от температуры

Выше температуры плавления более устойчив жидкий металл. При температуре плавле6

ния (Т

пл

) величины свободных энергий обоих состояний равны. Температура плавления соот6

ветствует температуре кристаллизации (или плавления) данного вещества, при которой обе

фазы (жидкая и твердая) могут существовать одновременно и притом бесконечно долго.

Процесс кристаллизации при этой температуре не начинается. Он развивается в том случае,

если созданы условия, при которых возникает разность свободных энергий вследствие мень6

шей свободной энергии твердого металла по сравнению с жидким.

Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении

металла ниже равновесной температуры плавления. Разность между температурой плавле6

ния (Т

пл

) и температурой кристаллизации (Т

), при которой может протекать процесс кри6

сталлизации, носит название степени переохлаждения (∆Т). При очень медленном охлажде6

нии (v

)

степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при темпера6

туре, близкой к равновесной.

На термической кривой (рис. 2) при температуре кристаллизации отмечается гори6

зонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется

выделением скрытой теплоты кристаллизации.

С увеличением скорости (кривые v

и v

) охлаждения степень переохлаждения возраста6

ет и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих ниже равновесной тем6

пературы кристаллизации.

Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище жидкий ме6

талл, тем более он склонен к переохлаждению.При затвердевании очень чистых металлов

∆

может быть очень велика. Так при затвердевании Sn –

∆

T=118°C (Т

пл.

=232°C), Au – 230°C

(Т

пл.

=1063°C). Однако чаще степень переохлаждения не превышает 10-30°C в производствен6

ных условиях (в зависимости от скорости охлаждения). При плавлении –

∆

T перегрева, как

правило, не более нескольких градусов.

Рис. 2. Термические кривые охлаждения при кристаллизации чистых металлов

с разной скоростью (v

– v

)

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (цен

тров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров.

При переохлаждении сплава ниже T

пл

плавления во многих участках жидкого сплава об6

разуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши, называемые критиче

скими.

Образование зародышевых центров. В жидком металле сохраняется так называемый

ближний порядок, когда упорядоченное расположение атомов распространяется на очень не6

большое расстояние. Вследствие интенсивного теплового движения атомов ближний поря6

док динамически неустойчив. При температурах, близких к температуре плавления, в жид6

ком металле возможно образование небольших группировок, в которых атомы расположены

так же, как и в кристаллах.

Такие группировки атомов называются фазовыми (или гетерогенными) флуктуациями.

В чистом от примесей жидком металле наиболее крупные гетерофазные флуктуации могут

превратиться в зародыши (центры кристаллизации). Рост зародыша возможен только при

условии, если он достиг определенной величины, начиная с которой его рост ведет к умень6

шению свободной энергии.

Минимальный размер зародыша, способный к росту при данных температурных усло

виях, называется критическим размером зародыша.

Образованию зародыша способствует неравномерное распределение энергии между ато6

мами вещества. Эти случайные и временные отклонения энергии отдельных атомов или

группировок атомов от среднего значения для данной температуры называют флуктуациями

энергии. Эти флуктуации способствуют получению энергии, требуемой для образования за6

родыша критического размера. Зародыш, способный к росту, образуется там, где гетеро

генные флуктуации в жидком металле размером не меньше критического обладают повы

шенной энергией, которая не меньше определенного уровня.

Рост зародышей кристаллизации происходит в результате перехода атомов из переохла6

жденной жидкости к кристаллам.

Кристалл растет в результате:

• образования двухмерного зародыша (т.е. зародыша одноатомной толщины) на плос6

ких гранях возникшего кристаллика. Двумерный зародыш должен иметь размер не

меньше критического, иначе зародыш не будет устойчив, т.к. вследствие образования

дополнительной поверхности раздела свободная энергия системы возрастает;

• наличия дислокации. В месте выхода на поверхность винтовой дислокации имеется

ступенька, к которой легко присоединяются атомы, поступающие из жидкости.

Образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную гео6

метрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма

нарушается, т.к. в этих участках рост граней прекращается. После затвердевания кристаллы

получают неправильную форму, такие кристаллы называют кристаллитами, или зернами.

Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. При прочих равных усло6

виях скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердевания зависят от

числа зародышей (ч.з.) и скорости их роста (с.р.):

ч.з. – это число зародышей (центров кристаллизации), возникающих в единицу времени

и в единице объема (иначе скорость образования зародышей), 1/мм

с;

с.р. – скорость роста зародышей, или скорость увеличения линейных размеров растуще6

го кристалла в единицу времени, мм/с.

Чем больше скорость образования зародышей и скорость их роста, тем быстрее проте6

кает процесс кристаллизации. При температуре плавления (Т

пл

)

ч.з. и с.р.=0, следовательно,

процесс кристаллизации не происходит.

При увеличении степени переохлаждения скорость образования зародышей и скорость

их роста возрастают, при определенной степени переохлаждения достигают максимума, по6

сле чего снижаются. Такой характер изменения ч.з. и с.р. в зависимости от степени переохла6

ждения объясняется тем, что с повышением степени переохлаждения разность свободных

энергий жидкого и твердого металлов возрастает, что способствует повышению скорости

кристаллизации, т.е. скорости образования зародышей и их роста.

Однако для образования и роста зародышей требуется диффузионное перемещение ато6

мов в жидком металле, поэтому при больших степенях переохлаждения вследствие уменьше6

ния скорости диффузии образование зародышей и их рост затруднены. При низких темпера6

турах (большой степени переохлаждения) может быть получено аморфное состояние.

Величина зерна. Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их ро6

ста, тем меньше размер кристалла, выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более

мелкозернистой будет структура металла.

Величина зерна (d) находится в следующей зависимости от скорости образования заро6

дышей и скорости их роста: d=1,1(с.р./ч.р.)

3/4

При малой скорости охлаждения (небольшой

∆

Т) число зародышей мало. В этих услови6

ях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образо6

вания зародышей возрастает, и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Размер зерна сильно влияет на механические свойства, особенно на вязкость, которая

значительно выше у металлов с мелким зерном. На размер зерна влияет температура нагрева

и разливки жидкого металла, его химический состав и особенно присутствие примесей.

Самопроизвольное образование зародышей на основе фазовых и энергетических флукту6

аций может происходить только в высокочистом жидком металле (гомогенное затвердева

ние) при больших степенях переохлаждения.

В технических металлах всегда присутствует большое количество примесей, которые

при определенных условиях облегчают образование зародышей. Эти условия следующие:

• частицы примеси имеют одинаковую кристаллическую решетку с решеткой за6

твердевшего металла;

• параметры сопрягающихся решеток примеси и кристаллизующегося вещества при6

мерно одинаковы (отличие не > 9 %).

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зер6

но. Такое образование зародышей называется гетерогенным.

Температура, отвечающая перегреву металла, способствует образованию крупных зерен.

Это объясняется растворением примесей, которые могли играть роль готовых поверхностей

раздела при кристаллизации.

Для получения мелкого зерна в жидкий металл специально вводят примеси. Этот про6

цесс получил название модифицирование. Примеси (модификаторы), практически не изме6

няя химического состава сплава, при кристаллизации способствуют измельчению зерна и вы6

зывают улучшение механических свойств. Так при модифицировании магниевых сплавов

зерно уменьшается от 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм.

При литье слитков в фасонных отливках модифицирование чаще всего проводится вве6

дением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды,

оксиды), кристаллизующиеся в первую очередь. Выделяясь в виде мельчайших частиц, эти

соединения служат зародышами образующихся при затвердевании кристаллов. При модифи6

цировании алюминиевых сплавов в качестве модификаторов применяют Na, Ti, V, Zr; для

магниевых сплавов – магнезит, мел, карбиды Al и Ca, стали – Al, V, Ti, чугуна – магний.

Строение металлического слитка

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную

форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в

процессе кристаллизации образуются разветвленные, или древовидные, кристаллы, получив6

шие название дендритов.

Установлено, что максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плос6

костям и направлениям, которые перпендикулярны плоскостям с наибольшей плоскостью

упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называются осями перво6

го порядка. По мере роста на осях первого порядка появляются и начинают расти ветви вто6

рого порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка и т.д.

В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов. Дендри6

ты растут до тех пор, пока не соприкоснуться друг с другом. После этого окончательно за6

полняются межосные пространства и дендриты превращаются в полновесные кристаллы с

неправильной внешней огранкой.

При недостатке жидкого металла для заполнения межосных пространств (например на

открытой поверхности слитка или в усадочной раковине) кристалл сохраняет дендритную

форму. На границах между зернами в участках между осями дендритов накапливаются при6

меси, появляются поры из-за усадки и трудностей подхода жидкого металла к фронту кри6

сталлизации.

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кри6

сталлы растут преимущественно в направлении, обратном отводу тепла. Поэтому при

направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота от

растущего кристалла отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой

скоростью, формируются равноосные кристаллы.

Структура слитка зависит от химического состава сплава, температуры разливки, скоро6

сти охлаждения, а также конфигурации, температуры, теплопроводности и состояния вну6

тренней поверхности литейной формы.

Типичная структура слитка сплавов состоит из трех зон.

Жидкий металл в местах соприкосновения с холодными стенками металлической формы

(изложницы) переохлаждается. Большая степень переохлаждения способствует образованию

на поверхности слитка очень тонкой зоны мелких кристаллов. Отсутствие направленного ро6

ста кристаллов этой зоны объясняется их случайной ориентацией, являющейся причиной

столкновения кристаллов и прекращением их роста.

Затем происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее благоприятно ориенти6

рованных по отношению к теплоотводу. Так образуется зона столбчатых кристаллов, рас6

положенных нормально к стенкам формы.

В середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущает6

ся направленного отвода теплоты, образуются равноосные кристаллы больших размеров.

Применяя различные технологические приемы можно исключить количественное соот6

ношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще.

Перегрев сплава перед разливкой и быстрое охлаждение при кристаллизации приводят к

формированию структуры, состоящей практически из одних столбчатых кристаллов (слитки

очень чистых металлов). Эта структура характеризуется высокой плотностью, но в месте

стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси и эти слитки часто рас6

трескиваются при обработке давлением. При образовании такой структуры в сварных швах

уменьшается их прочность.

Низкая температура разливки сплавов, продувка жидкого металла инертными газами,

вибрация, модифицирование приводят к уменьшению и даже исчезновению зоны столбчатых

кристаллов и получению слитков со структурой, состоящей из равноосных кристаллов.

В верхней части слитка, затвердевающей в последнюю очередь, концентрируется уса6

дочная раковина, обычно окруженная наиболее загрязненной частью металла, в которой по6

сле затвердевания образуются микро- и макропоры и пузыри.

Вопросы для самоконтроля

1. Как называется разница между равновесной температурой и температурой, при кото6

рой может протекать процесс кристаллизации?

2. От чего зависит степень переохлаждения при кристаллизации?

3. Как зависит размер зерен металла от степени переохлаждения его при кристаллиза6

ции?

4. Какое зерно может быть получено в условиях малой скорости охлаждения?

5. Что вводят в жидкий расплав в процессе кристаллизации для получения мелкого зер6

на?

6. На значение какой характеристики особенно сильно влияет размер зерна?

7. Из каких зон состоит типичная структура слитка сплавов?

8. Какая структура сплава является оптимальной для получения высоких механических

свойств?

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

Фазы в металлических сплавах

Раньше сплавы получали преимущественно путем сплавления. В настоящее время мно6

гие материалы получают порошковой металлургией, диффузионным способом, плазменным

напылением, электролизом и т.д.

Преимущественное использование в промышленности находят не чистые металлы, а

сплавы металлов с металлами и неметаллами. В сплавах элементы различно взаимодейству6

ют между собой, образуя кристаллические фазы, отличающиеся по химическому составу,

типу связи и строению.

В сплавах в зависимости от взаимодействия компонентов могут образовываться следую6

щие фазы: жидкие растворы, твердые растворы или химические соединения.

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава (раство6

ритель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов

располагаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры (параметры). Твердые

растворы обозначаются буквами греческого алфавита, например α, β, γ.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

Твердые растворы замещения возникают при занятии некоторых узлов решетки матри6

цы атомами другого элемента, т.е. замещением атомов матрицы. Атомы растворенного

компонента могут замещать любые атомы растворителя, но взаимное расположение всех

атомов является статистически неупорядоченным.

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и пери6

оды ее изменяются. При образовании твердого раствора замещения период решетки может

увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворите6

ля и растворенного компонента (рис. 3).

В тех случаях, когда компоненты могут замещать один другого в кристаллической ре6

шетке в любых количественных соотношениях, образуется непрерывный ряд твердых

растворов.

Рис. 3. Искажения кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения

Широкая область растворимости возможна в тех случаях когда в соответствии с иссле6

дованиями Юм-Розери:

• различие атомных радиусов менее 8-13 %. Это условие называется размерный фак

тор. Если разница больше, искажения решетки увеличиваются, решетка неустойчива

и наступает предел ограниченности;

• элементы обладают почти одинаковыми электрохимическими свойствами. Близко

расположены друг от друга в таблице Д.И. Менделеева, т.е. имеют близкое атомное

строение;

• кристаллические решетки сплавляемых компонентов изотипны (изоморфность реше6

ток).

При выполнении всех названных условий получается непрерывный ряд твердых раство6

ров (например, Cu–Ni, Cu–Au, Ge–Si), а при частичном выполнении вышеназванных условий

растворимость в твердом состоянии ограниченная. Ограниченная растворимость в

большинстве случаев уменьшается с уменьшением температуры.

При образовании твердых растворов электрическое сопротивление и твердость чаще

всего возрастают, а теплопроводность, пластичность – обычно уменьшаются.

Многие твердые растворы замещения при относительно невысоких температурах

способны находиться в упорядоченном состоянии, т.е. вместо статистического распределе6

ния разносортных атомов в узлах пространственной решетки атомы одного и другого метал6

ла размещаются в совершенно определенном порядке. Такие твердые растворы называют

упорядоченными; используется также термин «сверхструктура», дальний порядок. При упо6

рядочении возрастают электропроводность, температурный коэффициент электрического со6

противления, твердость и прочность, снижается пластичность сплава, изменяются магнитные

свойства.

Твердые растворы внедрения образуются при внедрении чужеродных атомов растворяе6

мого элемента (большей частью металлоидов с малым атомным радиусом) в междоузлия (пу6

стоты) кристаллической решетки матрицы (рис. 4). При этом атомы располагаются не в лю6

бом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.

Основным условием, определяющим возможность растворения путем внедрения, яв6

ляется размерный фактор. Размер межузельного атома должен быть равным или несколько

большим размера поры. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя

всегда возрастает.

Рис. 4. Схема твердого раствора внедрения

Твердые растворы внедрения имеют ограниченную растворимость и встречаются пре6

имущественно тогда, когда растворитель имеет гпу или гцк решетки (в зависимости от раз6

мера пор).

Примерами твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются

твердые растворы внедрения углерода в железо. По мере увеличения концентрации заметно

возрастают электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, твердость и прочность, снижа6

ются пластичность и вязкость.

Химические соединения. Составляющие сплав вещества могут вступать в химическое

взаимодействие, образуя химические соединения. Химические соединения в металлических

фазах разнообразны.

Отличие химических соединений от твердых растворов заключается в том, что

• в химических соединениях образуется новый тип кристаллической решетки, отлича6

ющийся от решеток элементов, его образующих;

• в соединении всегда сохраняется простое кратное массовое соотношение элементов.

Это позволяет выразить их состав формулой химического соединения A

;

• химические соединения имеют ярко выраженные индивидуальные свойства и посто6

янство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов.

Химические соединение металлов делятся на две группы.