С неявно выраженной точкой текучести материала

1 – линия, соответствующая 0,1% удлинения; 2 – найденная точка предела напряжений при растяжении; 3 – максимальные усилия растяжения; 4 – разрушение материала

 

Если напряжения увеличиваются выше пре­дела текучести, то в результате изменения поперечного сечения образца появится шейка разрыва. Значение максимально допустимого напряжения для материала называется пределом прочности на растяжение.

В диапазоне до достижения предела текучести удлинение об­разца прямо пропорционально напряжению и, следовательно, удлинение при изменении напряжения на единицу своего значения постоянно, т. е. отношение: напряжение/удлинение = соnst. Это отношение называется модулем упругости материала.

Напряжение, при котором начинается явление текучести ма­териала, называется пределом текучести. В тех случаях, когда значение предела текучести выражено неопределенно, вводится значение откорректированного предела, который можно опреде­лить, если провести линию, параллельную характеристике «напря­жение—удлинение» со сдвигом на 0,1% от значения максималь­ного удлинения при разрыве и до пересечения этих линий. Точка пересечения этих линий определяет значение напряжений предела текучести (рис. 2).

Запас прочности характеризует работоспособность материала и определяется как отношение предела прочности материала при растяжении к его рабочему напряжению. Запас прочности всегда должен быть больше единицы, а именно:

Предел прочности при растяжении

запас прочности = ------------------------------------------------------- > 1.

Рабочее напряжение

 

Испытание на ударные нагрузки. Это испытание проводится для определения способности материала противостоять разруше­нию при ударе. Для этого проводится проба Шарпи, т. е. ударные испытания на маятниковом копре. Испытывается образец в виде плитки прямоугольного сечения с V-образным вырезом в центре одной из сторон. Образец устанавливается в горизонтальной плос­кости так, чтобы вырез находился с нижней части и был располо­жен в вертикальной плоскости (рис. 3).Во время проведения испытаний удары наносятся в сечении, где имеется выемка с про­тивоположной стороны, и так продолжается до разрушения мате­риала. Удар наносится ударни­ком или молотом, закрепленным на конце поворотного маятника.

 

Рис. 3. Схема установки для испытаний на ударную вязкость

1 – вырез (концентратор напряжений); 2 – ударник; 3 – испытываемый образец металла.

 

Испытание на твердость. При испытаниях на твердость определяется способность материала противостоять пластическим деформациям при вдавливании твердого стального шарика или точечного алмаза в течение определенного времени в поверхность материала под действием определенной нагрузки. Число твердости при этом обычно определяется по шкале Бринелля или пирамиде Виккерса, в зависимости от размера отпечатка после вдавливания шарика или конуса.

Испытание на удлинение. Удлинение — это медленная пласти­ческая деформация материала при растяжении под действием постоянной нагрузки. При испытаниях на удлинение применяется такой же образец, который использовался при испытаниях на растяжение. К образцу прикладывается постоянная нагрузка, и температура образца поддерживается постоянной. При этом в течение длительного промежутка времени производятся точные измерений увеличения длины образца. Испытания проводят для различных нагрузок. В результате испытаний определяется скорость удлинения образца и предельные нагрузки.

Испытания на усталость. При испытаниях на усталость происходит разрушение образца вследствие изменения состояния мате­риала под действием многократно повторяющихся нагрузок. Значения напряжений, возникающих под воздействием этих нагрузок, должны быть меньше, чем предел прочности материала при растяжении. Специально изготовленный образец закрепляется с одного конца и приводится во вращение электродвигателем. Свободный конец образца подвергается воздействию знакопеременных нагрузок с помощью шарика, находящегося в специальном, приспособлении. При этом во вращающемся образце возникают переменные напряжения растяжения и сжатия. Установка работает до разрушения образца, при этом учитывается число знакопеременных циклов. Значения нагрузки и число знакопеременные циклов фиксируются, и испытания многократно повторяются. В результате этого будут определены предельные усталостные напряжения или предел усталости материала.

Испытания на изгиб. При испытаниях на изгиб происходит деформация материала, характеризующаяся искривлением его оси под действием внешней силы. Опытный образец подвергается испытанию на изгиб на угол до 180⁰ до появления трещин на поверхности образца.

Испытания без разрушения образца. Дефектоскопия деталей. Для решения вопроса о дальнейшем использовании бывшей в эксплуатации детали, изготовленной из того или иного материала, проводятся различные испытания без разрушения этой детали. При подобных испытаниях можно обнаружить дефекты материала, но при этом не определяются его свойства и их численные значения.

Для выявления поверхностных трещин используются различные виды проникающих жидкостей, но с их помощью невозможно выявить микротрещины. Для обнаружения микротрещин может быть использовано ультрафиолетовое облучение, с помощью которого вызывается флуоресценция проникающей жидкости. Для об­наружения трещин может использоваться метод последовательного нанесения красок; сначала наносят красную проникающую краску с последующей очисткой поверхности, а затем выполняют покрытие белой краской, на которой проявляются следы проникающей красной краски, т. е. обнаруживаются дефекты на поверхности.

Рентгенографический метод с использованием рентгеновских лучей, при помощи которых в темноте производится фотографи­рование металла, наиболее часто применяется для обнаружения внутренних дефектов. Изображение покажет различные изменения в толще металла, такие, например, как газовые раковины, твер­дые включения и т. д.

В ультразвуковой дефектоскопии используются ультразвуки высокой частоты в диапазоне безопасных для человека волн, кото­рые отражаются от граничной поверхности внутри металла. Отра­женные волны могут быть отображены на экране осциллографа. При этом определяется наличие дефектов и их расположение в толще металла.

 

МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

 

Кратко рассмотрим сплавы, которые наиболее часто употреб­ляются в судовой технике. У большинства металлов имеются добавки, от которых зависят свойства сплавов металлов и их целевое применение. Свойства, качественный состав и использование некоторых наибо­лее часто применяемых металлов и сплавов приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Материал	Состав сплава, %	Напряжение, вызывающее деформацию 0,2 %, МПа	Предел прочности при растяжении, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Модуль упругости, МПа	Число твердости по Бринеллю	Предел усталости, МПа	Применение материалов
Морская латунь	70Cu: 29Zn: 1Sn							Трубные доски и трубки для конденсаторов
Алюминий	Почти чистый							Базовый металл легких сплавов
Алюминиевая латунь	76Cu: 22Zn: 2Ai							Трубные доски и трубки конденсаторов. теплообменников
Латунь	70CU: 30 Zn							Подшипники промежуточных валов
Литейный чугун (серый)	3,25C: 2,25 Si: 0,65Mn: остальное Fe							Крышки цилиндров и втулки
Медь	100 Cu (почти чистое)							Базовый металл многих сплавов
Медноникелевый сплав	70Cu: 30Ni							Выпускные газовые патрубки
«Специальная сталь» (сплав)	88Cu: 10Sn:2Zn							Клапаны и подшипниковые вкладыши
Монель-металл	68Ni: 29Cu: остальное Fe, Mn							Клапаны и крылатки насосов
Фосфористая бронза	91,5 Cu: 8Sn: 0,5P							Подшипники и пружины
Нержавеющая сталь	18Cr: 8Ni: 0,12 C: остальное Fe							Клапаны и материал для лопаток турбин
Сталь	0,23C: 1Mn: 0,5Si: остальное Fe							Фундаменты, станины ДВС и другие конструкционные изделия

 

 

Сталь. Сталь - это сплав углерода с железом при содержании углерода не более 2,14%. Сплав железа с углеродом при содержании последнего от 2,14 до 6,63% называется чугуном. Сталь и чугун составляют класс черных металлов.

Для улучшения свойств стали и обеспечения однородности структуры в больших массах металла вводятся различные примеси – легирующие добавки. При добавлении к стали марганца в количестве до 1,8% улучшаются механические свойства металла. При введении кремния в количестве от 0,5 до 3,5% увеличивается прочность и твердость стали. При введении никеля от 3,0 до 4,0% улучшается зерновая структура металла, увеличивается прочность и повышается сопротивление металла эрозии (изнашиванию). При добавлении в сталь хрома улучшается зерновая структура и увеличивается прочность, а также возрастает сопро­тивляемость металла эрозии и коррозии. Для получения нержа­веющей стали в нее вводят от 8,0 до 18% никеля и хрома. При введении молибдена в небольших количествах увеличивается прочность и термоустойчивость стали. При введении в сталь в небольших количествах ванадия увеличивается общая твердость и усталостная прочность металла. При введении в сталь от 12 до 18% вольфрама и до 5% хрома сильно повышаются противоизносные свойства стали.

Металлы для заливки подшипников. Антифрикционные сплавы. Обычно это оловянистые сплавы с небольшим содержанием свинца, меди и сурьмы. На основе соединения свинца и сурьмы получают более прочные спла­вы. Эти сплавы имеют небольшой коэффициент трения, поэтому используются для заливки подшипников.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Неметаллические материалы широко применяются в технике. Благодаря хорошим антикоррозионным свойствам неметаллические материалы применяются в основном как защитное покрытие ме­таллов. В большинстве случаев в качестве неметаллических материалов используются органические соединения: синтетические или натуральные.

Пластические массы, или пластики, это органические материа­лы, которые могут изменять свою форму после нагрева и после­дующей прессовки. Термопластические материалы и термостойкие облицовочные материалы — два основных вида пластиков; причем новейшие виды пластиков не совсем точно соответствуют своему названию.

Термопластические материалы, из которых наиболее перспективны поливинилхлорид и нейлон, размягченные при на­гревании, могут принимать любую заданную форму, которая сохраняется после охлаждения.

Термостойкие облицовочные ма­териалы обычно получают в тепловых печах, где исходное сырье при нагревании претерпевает химические изменения, а затем по­лученный материал затвердевает; к таким материалам следует отнести бакелит, эпоксидные составы и полиэстеры.

Важными положительными свойствами пластических материа­лов являются их хорошие антикоррозионные свойства, хорошее электрическое и термическое сопротивление, но они плохо проти­востоят высоким температурам. Для улучшения или изменения свойств пластических материалов используются различные добав­ки и наполнители; например, для улучшения прочностных свойств используют фибергласс. Асбестовое полотно увеличит теплостой­кость, а слюда иногда добавляется в пластик для увеличения элек­трического сопротивления материала:

Пенопласт получают выделением газовых составляющих из ос­новного материала, при этом увеличивается объем материала и получается пористая структура. Такие пластики обладают хоро­шей прочностью и хорошими изоляционными свойствами. Боль­шинство пенопластов имеет незначительную плотность, и обладают какими-то специальными свойствами, например огнестойкостью.

Асбест. Это минерал (иногда его называют горный лён), который выдерживает очень высокие тем­пературы и хорошо противостоит воздействию пара, бензина, па­рафина, масла и топлива. Благодаря этим свойствам асбест мож­но использовать в качестве прокладочных и набивочных материа­лов для различных соединительных и сальниковых устройств. Во многих случаях благодаря использованию асбеста удается избе­жать аварийных повреждений механизмов и устройств. В настоящее время использование асбеста на торговых судах под флагом высокоразвитых стран или на любых судах, заходящих в крупные мировые порты, запрещено, поскольку научно доказана его вредность для человеческого здоровья как канцерогена раковых заболеваний. На многих судах под удобными флагами асбест продолжают использовать, не обращая внимания на медицинские предупреждения, что между прочим, можно сказать и о табакокурении! (Примечание автора).

Хлопок. Это натуральный волокнистый материал, который на­шел широкое применение для армирования резины. В чистом виде используется в качестве набивочных материалов некоторых типов.

Упрочненный стеклопластик. Его получают соединением в различных сочетаниях волокнистых материалов и жидкого стекла, а в качестве отвердителя используется резина. После затвердевания получают прочный и химически стойкий материал, который имеет широкое распространение при проведении ремонтных работ.

Бакаут. Это дерево твердых пород, материал которого исполь­зуется для набора дейдвудных втулок. Бакаут хорошо работает при смазке забортной водой, но при этом происходит его некоторое набухание.

Нейлон. Это синтетический полимерный материал, устойчивый по отношению к агрессивным химическим средам и проявлению эрозии, обладает хорошей упругостью. Широко используется для вставок в отверстия плит, для гнезд клапанов, для покрытия тру­бопроводов забортной воды с внутренней стороны.

Фтористые полимеры. Это пористые химически инертные и теп­лоустойчивые полимеры. Фторопласт имеет небольшой коэффи­циент трения и часто используется в подшипниках, более широко применяется в подшипниках с сухим трением закрытого типа. Находит применение для изготовления манжет и направляющих колец. При пропитке полимера графитом обеспечивается хорошая работа подшипников в условиях сухого трения.

Поливинилхлорид. Это химически инертный пластик на вини­ловой основе, который используется при изготовлении труб, в трубопроводных работах и т. д. В пластичной форме используется как изоляционный материал для кабельных покрытий и при проведении ремонтных работ.

Смола. По своим свойствам это твердые, хрупкие вещества, нерастворимые в воде. Наиболее часто применяются при проведении ремонтных работ с использованием других полимеров. Термин «смола» часто неправильно используется для обозначения некото­рых синтетических пластиков. Эпоксидные смолы обладают хоро­шей текучестью и способностью затвердевать при комнатной тем­пературе. Смолы устойчивы по отношению к маслам и морской воде. Прочность, твердость и способность длительное время не подвергаться деструкции позволяют использовать данные мате­риалы для ремонта машин, лебедок и т. д.

Резина. Каучук, из которого получают резину, это древесный сок, который при затвердевании образует эластичный материал, стойкий по отношению к воде, но разрушающийся под действием пара и масел. Сама резина широко используется в качестве прокладочного материала для трубопроводов пресной и забортной воды, а некоторые марки резины используются в подшипниках, имеющих водяную смазку. Если резину подвергнуть вулканиза­ции, при которой содержание серы в резине увеличивается, то при этом получается твердый эбонит, который широко применяется для изготовления уплотнительных поршневых колец питательных водяных насосов. Синтетические щетки, например, из неопрена или из нейтральной резины применяются в тех случаях, когда на них могут воздействовать масла, слабые химические вещества или повышенные температуры.