Технология судостроения. Технология судостроительных материалов

 
 
 
 
 
 
С. В. Власов  
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ  
МАТЕРИАЛОВ 
 
Учебное пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

УДК 629.12:658.512.6 
ББК 39.42 
В58 
 
 
 
Рецензенты: 
к. т. н., профессор кафедры технологии материалов Морского государственного 
университета им. адм. Г. И. Невельского Горчакова С. А.; 
к. т. н., доцент кафедры материаловедения Инженерной школы ДВФУ  
Ружицкая Е. В. 
 
 
 
Власов, С. В. 
В58  
Технология судостроения. Технология судостроительных материалов : учебное пособие / С. В. Власов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 140 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1235-3 
 
Представлены общие требования к корпусным сталям, даны основные понятия сопротивления материалов. Даны теоретические основы 
процесса гибки судостроительной стали, физические методы неразрушающего контроля металлов и сплавов. 
Для учебно-методического обеспечения практико-ориентированной 
программы бакалавриата по направлению подготовки 26.03.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры». 
 
УДК 629.12:658.512.6 
ББК 39.42 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1235-3 
” Власов С. В., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
2 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ  
.................................................................................... 6 
ВВЕДЕНИЕ  ............................................................................................................. 7 
 
РАЗДЕЛ I 
КОРПУСНЫЕ СТАЛИ 
 
Глава 1. ТРЕБОВАНИЯ К КОРПУСНЫМ СТАЛЯМ 
...................................... 14 
1.1. Стали в судостроении  ................................................................................... 14 
1.2. Общие требования к корпусным сталям  
..................................................... 17 
1.3. Классификация марок судостроительной стали, обозначение  
................. 18 
1.4. Основные понятия и терминология сопротивления материалов  ............. 21 
1.4.1. Механические свойства при испытаниях 
на растяжение образцов  
................................................................... 29 
1.4.2. Предел текучести  ............................................................................. 29 
1.4.3. Временное сопротивление разрыву  ............................................... 30 
1.4.4. Относительное удлинение и относительное сужение  
.................. 31 
1.5. Характеристики пластичности листовой корпусной стали при изгибе 
 и её склонности к хрупким разрушениям  
................................................... 33 
1.5.1. Испытание на изгиб широкой пробы  
............................................. 34 
1.5.2. Сопротивляемость стали хрупким разрушениям  ......................... 35 
1.6. Предел выносливости (усталости) корпусной стали  
................................. 39 
1.7. Чувствительность корпусной стали к отпускной хрупкости  
и хрупкому отпуску  ...................................................................................... 40 
1.8. Чувствительность корпусной стали к механическому  
и термическому старению  
............................................................................ 40 
1.9. Изменение механических свойств под влиянием нагрева  
до высоких температур  
................................................................................. 41 
1.10. Технологические свойства корпусной стали  
............................................ 41 
1.11. Свариваемость корпусной стали  ............................................................... 41 
1.12. Сопротивление действию динамических нагрузок  ................................. 43 
1.13. Коррозионная стойкость корпусной стали в морской воде  
и атмосферных условиях  ............................................................................ 43 
1.14. Технико-экономические показатели  ......................................................... 43 
1.15. Профильные стали  ...................................................................................... 45 
1.16. Допуски по толщине листов  
....................................................................... 47 
1.17. Допуски по весу (массе) проката  
............................................................... 48 
1.18. Наружный вид листов и профилей  
............................................................ 49 
1.19. Сортамент листового проката  
.................................................................... 51 
1.20. Сортамент профильного проката  
............................................................... 52 
1.21. Стальные отливки  ....................................................................................... 56 
3 
 

1.22. Стальные поковки  ....................................................................................... 58 
 
Глава 2. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ Fe - Fe3C,  
УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ  
И ГРАФИТИЗИРОВАННЫЕ ЧУГУНЫ .............................................. 59 
2.1. Фазовые и структурные превращения в сплавах железо ௅ углерод  
......... 59 
2.2. Связь между диаграммой состояния железо - цементит структурой  
и свойствам сплавов  
...................................................................................... 61 
2.3. Чугуны  ............................................................................................................ 63 
 
Глава 3. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ КОРПУСНЫЕ СТАЛИ .......................... 66 
3.1. Механические свойства базовых марок стали нормальной  
и повышенной прочности и стали высокой прочности .............................. 66 
3.2. Химический состав базовых марок стали нормальной  
и повышенной прочности и стали высокой прочности  ............................ 68 
3.3. Металлургическое качество стали базовых марок  .................................... 72 
3.3.1. Стали нормальной прочности  ........................................................ 73 
3.3.2. Стали повышенной прочности  
....................................................... 74 
3.3.3. Стали высокой прочности  .............................................................. 74 
 
Глава 4. СТАЛИ И СПЛАВЫ, РАБОТАЮЩИЕ  
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ...................................................... 76 
4.1. Сталь нормальной, повышенной и высокой прочности для конструкций, 
работающих при низких температурах  
........................................................ 76 
4.2. Высоконикелевые стали на основе железа  ................................................. 76 
4.3. Аустенитные стали на основе железа  ......................................................... 76 
4.4. Сплавы на основе железа - инвар и ниспан  ............................................... 77 
4.5. Мартенситостареющие стали на основе железа  ........................................ 79 
 
Глава 5. ГИБКА ЛИСТОВОЙ СУДОСТРОИТЕЛЬНОЙ СТАЛИ .................. 80 
5.1. Теоретические основы процесса гибки судостроительной стали  ............ 80 
5.2. Холодная гибка судостроительной стали  ................................................... 83 
5.3. Горячая гибка судостроительной стали  ...................................................... 85 
5.4. Правки и подгибка  ........................................................................................ 87 
5.5. Параметры заготовок для циркульной и угловой гибки 
судостроительной стали  ............................................................................... 87 
5.6. Расчёт рабочих параметров оборудования  
и технологической оснастки  
при угловой гибке  ......................................................................................... 89 
5.7. Расчёт параметров циркульной гибки  
......................................................... 92 
5.8. Таблицы расчётных рабочих параметров  
для технологической оснастки при холодной угловой гибке  
судостроительной стали  ............................................................................... 93 
 
 
4 
 

РАЗДЕЛ II 
СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  
И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ 
 
Глава 6. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ 
.............................................................. 96 
6.1. Общая характеристика сплавов на основе алюминия  ............................... 96 
6.2. Применение алюминиевых сплавов в судостроении  ................................ 98 
6.3. Алюминиевые сплавы в надстройках МО  
................................................ 100 
 
Глава 7. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ 
7.1. Сплавы на основе меди  
............................................................................... 102 
7.2. Латуни  
........................................................................................................... 102 
7.3. Бронзы  .......................................................................................................... 105 
7.4. Антифрикционные материалы  
................................................................... 108 
7.4.1. Пористые антифрикционные материалы  
..................................... 113 
7.5. Сплавы на основе титана  ............................................................................ 115 
 
Глава 8. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 
8.1. Механические свойства древесины  
........................................................... 119 
8.2. Область применения древесины  ................................................................ 121 
8.2.1. Лесоматериалы  ............................................................................... 122 
8.2.2. Древесные материалы  
.................................................................... 122  
8.3. Пластические массы  
.................................................................................... 123 
8.4. Полимерные композиционные материалы  ............................................... 124 
 
Глава 9. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО  
КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ  
......................................... 129 
9.1. Методы неразрушающего контроля  
.......................................................... 129 
9.2. Магнитно-порошковая дефектоскопия  ..................................................... 129 
9.3. Ультразвуковая дефектоскопия  ................................................................. 131 
9.4. Капиллярная дефектоскопия  
...................................................................... 134 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  
.................................................................................. 137 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
 
ГЦК - гранецентрированная кубическая; 
ДПП - динамические принципы поддержания (подводные крылья); 
ДП - древесина прессованная; 
ДСП - древеснослоистые пластики; 
КД ௅ капиллярная дефектоскопия; 
ЛД ௅ люминесцентная дефектоскопия; 
МО - морской объект (водоизмещающие самоходные и несамоходные плавучие 
инженерные сооружения различного назначения); 
МПД ௅ магнитно-порошковая дефектоскопия; 
НК - неразрушающий контроль; 
ОТК - отдел технического контроля; 
ОЦК - объемно-центрированная кубическая; 
ПКМ ௅ полимерные композиционные материалы; 
Правила РМРС - Правила Российского Морского Регистра Судоходства; 
СПГ ௅ сжиженный природный газ; 
ССУ - судовая силовая установка; 
ТУ ௅ технические условия; 
УЗД ௅ ультразвуковая дефектоскопия; 
УЗК ௅ ультразвуковые колебания; 
ЦД ௅ цветная дефектоскопия; 
ЦЗЛ - центральная заводская лаборатория. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
В основе технологических приёмов при постройке корпусов МО лежит 
преимущественно холодная и горячая обработка металла, коей подвергается 
преимущественно корпусная судостроительная сталь всех марок. 
Так в процессе всевозможных технологических операций холодная пластическая деформация металлов изменяет их свойства и в результате чего, как 
правило, прочность стали возрастает, а пластичность снижается [11]. Такое изменение свойств металлов при пластической деформации называют наклёпом. 
Что происходит в процессе деформирования металлов" Если приложенная нагрузка небольшая, то возникает упругая деформация металла, исчезающая после снятия нагрузки. Форма и размеры образцов не изменяются. Если 
приложенная нагрузка возрастет и станет больше предела упругости ıУПР,  
то произойдёт пластическая деформация металла. После снятия нагрузки форма 
и размеры образцов изменяются, так как возникает остаточная деформация. 
Это явление объясняется тем, что с увеличением нагрузки в металле происходит смещение, или текучесть атомов из положения равновесия. Чем больше нагрузка, тем больше смещение атомов. Когда упругое напряжение превзойдет определённую величину - предел упругости, то смещение некоторых 
атомов может достичь такого состояния, что после снятия нагрузки они уже не 
могут занять исходное положение. Такое смещение атомов и вызывает остаточную пластическую деформацию металла, что и подразумевается под термином 
текучесть судостроительной стали. 
z
z
у
у
в
х
х
а
z
z
у
-у
у
х
х
б
г
 
Рис. 1. Индексы кристаллографических плоскостей (а–в) и направлений (г)  
в ОЦК и ГЦК решётках 
7 
 

Пластическая деформация в кристаллах происходит в результате скольжения или смещения отдельных частей кристалла (рис. 1) относительно друг 
друга под действием касательных напряжений, которые в плоскости и направлении скольжения достигают определённой критической величины ıКР. 
 
Рис. 2. Направления скольжений в кристаллах: 
а - ортогональных: б - гексагональных сингоний 
 
На Рисунке 2 приведены основные направления скольжений в кристаллах 
ортогональных (кубической, тетрагональной) и гексагональной сингоний. 
Заметим, что скольжение в кристаллической решётке всегда протекает по 
плоскостям с наименее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления 
сдвигу наименьшая. Это объясняется тем, что расстояние между соседними 
атомными плоскостями наибольшее, а прочность связи между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах, в т. ч. и в судостроительных 
сталях в процессах их обработки могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения. 
В металлах, обладающих кубической объёмно-центрированной решёткой 
(рис. 1, фр. в и рис. 2, фр. а), процесс скольжения наиболее легко осуществляется по плоскостям решётки и в направлении [111], т. е. по пространственной 
диагонали куба. Металлы с гранецентрированной решёткой обладают системой 
скольжения по плоскостям октаэдра и в направлении [110], т. е. по диагонали 
грани куба. Деформация металлов с гексагональной плотноупакованной атомно-кристаллической решёткой (цинка, магния, бериллия) сопровождается 
скольжением по плоскости базиса (рис. 2, фр. б). 
Скольжение в атомно-кристаллической решётке металлов происходит за 
счёт перемещения дислокаций, а не одновременного смещения всех атомов в 
плоскости кристалла (рис. 3). Дислокации возникают в металлах не только при 
кристаллизации, но и при последующих технологических операциях, в том 
числе и процессе их деформирования, т. е. гибки, штамповки и т. п. Явле- 
ние размножения или генерации дислокаций при деформации, было открыто  
в 1950 году Франком и Ридом. Кроме этого они установили, что чем больше 
степень деформации кристалла, тем больше в нем дислокаций. 
8 
 

 
Рис. 3. Схема сдвиговой деформации,  
осуществляемой скольжением краевых дислокаций 
 
Деформация низкоуглеродистых судостроительных сталей, как поликристаллических тел, происходит так же, как и деформация монокристаллов. Однако зёрна в металле имеют различную ориентацию атомно-кристаллической 
решётки в пространстве, и, следовательно, деформация в зёрнах происходит не 
одновременно. Микроанализ образцов деформированного металла позволяет 
изучить влияние деформации на микроструктуру. Если степень деформации 
мала, т. е. составляет 5-15 , то только в отдельных зёрнах можно наблюдать 
следы скольжения в виде прямых линий, которые в пределах зёрен одинаково 
ориентированы. 
С увеличением степени деформации в большем количестве зёрен появляются следы скольжения, а сами зёрна начинают менять свою форму. Если до 
деформации зёрна в металле имели равноосную, округлую форму, то после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зёрна вытягиваются в направлении действующей силы, образуя волокнистую структуру. 
 
Рис. 4. Схема блочной структуры зерна 
 
Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит образование блоков с нечёткими межблочными границами и наблюдается увеличение угла разориентировки между отдельными блоками (рис. 4). 
При значительной степени деформации металла происходит интенсивный 
процесс поворота атомно-кристаллической решётки зёрен в соответствии с 
направлением деформации металла. В результате получается, что в металле все 
зёрна или их большая часть приобретают строго опредёленную кристаллографическую ориентировку. Такая ориентация зёрен называется текстурой. 
9 
 

Деформация изменяет не только структуру, но и свойства металлов (рис. 5). 
Вместе с деформацией металла изменяются механические, физические и химические свойства. Такие изменения напрямую связаны с дефектами атомнокристаллической решётки металлов, вакансиями, междоузельными атомами  
и дислокациями. 
ıМПа
ıВ
į, %
ıТ
į
KCV
50
İ, %
Степень деформации
 
Рис. 5. Влияние пластической деформации на механические свойства металлов: 
ıВ - предел временного сопротивления; ıТ - предел текучести;  
į - относительное удлинение; KCV - ударная вязкость 
 
Кроме того прочность и пластичность металлов зависят от количества 
дислокаций и их подвижности по плоскостям скольжения в кристаллитах. Если 
дислокации легко перемещаются по атомно-кристаллической решётке, то металл обладает высокой пластичностью, но прочность его низкая. Если же 
скольжению дислокаций оказывается сопротивление, то металл обладает высокой прочностью, но низкой пластичностью. Все дефекты кристаллического 
строения затрудняют движение дислокаций и, следовательно, повышают сопротивление деформации. 
Пластическая деформация увеличивает свободную энергию и приводит 
металл в структурно-неустойчивое состояние. Следовательно, структура металла самопроизвольно начнет возвращаться в более устойчивое состояние. Скорость этих процессов зависит от диффузионной подвижности атомов и, следовательно, от температуры нагрева металла. 
Установлено, что при определенной температуре нагрева в наклепанном 
металле образуются новые зёрна с совершенной структурой и минимальным 
количеством дефектов атомно-кристаллической решётки. Этот процесс называют рекристаллизацией металла, а температуру образования новых зёрен - 
температурой рекристаллизации (TРЕКР). 
При нагреве металла до температур ниже температуры рекристаллизации 
микроструктура не изменяется. Все процессы происходят внутри деформированных зёрен, уменьшается число дефектов решётки, а дислокации, перемещаясь в решётке, разделяют зёрна на блоки с более чёткими границами. Эти процессы называют возвратом. 
10