ПРИМЕНЕНИЕ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ. Алюминиевые сплавы. Сварка и клепка алюминия

  

Вся электронная библиотека >>>

 Катера >>>

 

 

 

 БЫСТРОХОДНЫЕ КАТЕРА


Раздел: Техника

 

ГЛАВА X ПРИМЕНЕНИЕ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

  

В отличие от водоизмещающих судов быстроходные глиссирующие суда должны поддерживать значительную часть своего веса при помощи упора создаваемого главными двигателями. В этом отношении они имеют сходство с самолетами и точно так же, как и для самолетов, важнейшее значение имеет снижение веса конструкции. Снижение сопротивления, вызванное фактическим устранением составляющей волнового сопротивления и уменьшением смоченной поверхности при глиссировании, более чем компенсирует расход мощности на поддержание веса катера, однако это не дает основания для применения порочных конструкций корпуса или неподходящих материвлов.

Ведущим конструкционным материалом в современном самолетостроении, беспорно, являются алюминиевые сплавы, превосходящие по своей прочности мягкие и даже низколегированные стали. Однако, с точки зрения применения в морских условиях, алюминиевые сплавы имеют даа основных недостатка: во-первых, они быстро корродируют в морской воде, а во-вторых, совершенно не поддаются сварке в крупных конструкциях.

Эти сплавы могут быть плакированы чистым влюминием, слой которого придает им достаточную устойчивость против коррозии, но такой способ удовлетворителен, очевидно, только для тех случаев, когда судно предназначено для нерегулярной эксплуатации. Плакированный алюминий широко применяется, в частности, при изготовлении фюзеляжей лодочных гидросамолетов. Более распространенный метод состоит в анодировании корпусов и их систематической смазке ланолином.

С другой стороны, разработана серия легких сплаве®, пригодных для морских условий, характеризуемых длительным сроком службы и высоким сопротивлением усталости, но имеющих более низкую прочность, чем сплавы, применяемые в самолетостроении. Тем не менее, из легких сплавов, обладающих хорошей свариваемостью, высоким сопротивлением усталости и пластичностью, уже могут быть изготовлены легкие, прочные и долговечные корпуса.

Эти две группы легких сплавов, представляющие собой исходный материал для изготовления корпусов, требуют использования различных методов производства и видов оборудования, поскольку к первой группе относятся сплавы, с целью улучшения физико- механических свойств подвергаемые термообработке, а ко второй группе — сплавы, подвергающиеся в условиях эксплуатации наклепу, для снятия которого применяют отжиг.

Опыт постройки лодочных гидросамолетов следует изучить внимательнее, так как при этом нередко применяются те же самые материвлы, что и в катеростроении, а конструкции гидросамолета и быстроходного катера основаны на ряде общих принципов.

Следует учитывать основное различие между конструкциями тихоходных и быстроходных судов. Большая часть металлических корпусов имеет напряженную обшивку, т. е. они воспринимают продольные изгибающие моменты, действующие на корпус вследствие развития в палубах и в днище фибровых напряжений. Кроме того, существуют нормальные нагрузки на обшивку днища, вызванные гидростатическими силами, но они обычно невелики, так как протяженность пластин обшивки мала, а толщина обшивочиых листов, необход имая для созданий устойчивости продольным нагрузкам, как правило, довольно значительна. Однако, если судно способно развивать относительно высокую скорость хода и сохраняет мореходные качества при движении полным ходом на волнении, то в этом случае гидродинамические нагрузки на корпус могут быть в 6—7 раз больше, чем на тихой воде.

Как концентрированные, так и распределенные ударные нагрузки наблюдаются, в частности, в носовой оконечности глиссера, и они гораздо больше, чем у водоизмещающих корпусов. В последних нагрузки подобного типа обнаруживаются в носу под нижней частью киля при ударах судна о воду, однако в этих условиях скорость хода судна обычно невелика, тогда как глиссирующие корпуса на высоких скоростях постоянно испытывают гидродинамические нагрузки.

При воздействии на корпус гидродинамических нагрузок жесткость конструкции усиливает фактическую нагрузку, поскольку способность таких конструкции поглощать работу деформации весьма незначительна. Удар содержит более или менее определенное количество энергии, которая может быть воспринята конструкцией при воздействии большой нагрузки на малую площадь или малой нагрузки на большую площадь. Если значительная жесткость конструкции не сопровождается соответствующим увеличением прочности, то в случае воздействия удара определенной интенсивности вероятно, что при равной прочности двух конструкций повреждение получит та из них, которая обладает меньшей упру гостью. На этом принципе, являющемся обязательным условием для конструкции быстроходных мелких судов, основывается и развитие конструкций гидросамолетов.

Логический вывод из вышеприведенного положения состоит в том, что вместо тяжелых пластин, имеющих невысокую жесткость или малую прочность в направлении, перпендикулярном плоскости листа, и применяемых с широко расставленными и весьма жесткими подкрепляющими ребрами, следует воспользоваться системой небольших и часто поставленных элементов жесткости с достаточно тонкими листами обшивки. Фактическое назначение элементов жесткости состоит в приближении их к обшивке равномерной толщины, способной нести собственную нагрузку. Конечным развитием такой обшивки, несомненно, является обшивка сотовой конструкции, имеющая повсеместно одинаковую прочность.

Особое внимание следует уделить конструкции соединений между элементами жесткости и основной конструкцией.

Алюминиевые сплавы вполне пригодны для конструкций описанного типа вследствие того, что имеют, сравнительно со сталью, низкий модуль упругости В результате высокого отношения прочности к весу общий вес корпуса из алюминиевого сплава при заданной прочности и пластичности ниже, чем вес стального или деревянного корпуса. Тем не менее, при неправильном выборе сплавов и их назначения значительная часть указанных преимуществ теряется; в связи с этим ниже приводится подробное описание ряда сплавов.

Алюминиевые сплавы. Как отмечалось выше, влюминиевые сплавы, пригодные для постройки быстроходных судов, делятся на две группы: упрочняемые и не упрочняемые термообработкой.

Свойства первых зависят от тщательности регулирования термообработки. Эти сплавы не могут быть подвергнуты вторичному нагреву для последующей механической обработки заготовок на заводе без предварительно проведенного полного цикла термической обработки, что делает гнутье шпангоутов, отгибание фланцев и т. д. нецелесообразным. Исключение в этом отношении представляют такие случаи, когда обработка детали может производиться в холодном состоянии, однако последняя осуществима только при частичной термической обработке, а именно, закалке.

Алюминиевые сплавы судостроительного назначения, не упрочняемые в результате термической обработки, для придания им повышенных саойств подвергаются холодной обработке, причем повышение прочности этих сплавов сопровождается уменьшением относительного удлинения и снижением пластичности. В нормальном состоянии эти два последних свойства значительно превышают аналогичные свойства высокопрочных термически упрочняемых сплавов.

Судостроителю и конструктору такая классификация может показаться неясной, так как термически неупрочняемые сплавы могут быть, в действительности, подвергнуты «горячен» обработке путем нагрева их до высоких температур и штамповке в этом состоянии. Хотя полученный металл будет находиться в отожженном состоянии, его свойства вполне приемлемы и могут, в случае необходимости, превышать минимальные величины, допускаемые классификационными обществами.

Рассмотрим теперь обе упомянутые группы алюминиевых сплавов.

Термически упрочняемые сплавы НЮ и Н15. Основные данные по алюминиевым сплавам, изготовляемым в Англии, содержатся в стандартах, и хотя многие фирмы имеют •свою собственную классификацию сплавов, ниже мы будем придерживаться номенклатуры, принятой в британских стандартах.

Сплавы НЮ и Н15 относятся к термически упрочняемым сплавам, причем последний из них обычно применяется в конструкциях летающих лодок и гидросамолетов, а первый, не являющийся авиационным материалом, часто применяется в'судостроении.

Сплав НЮ содержит, как правило, 1% Si; 0,7°о Mg и 0,4% Мп; после полной термической обработки он имеет остаточную деформацию 0,1?о, что примерно соответствует пределу упругости ствли (24 кг!ям2), тогда как предел прочности этого сплава при растяжении составляет минимум 30 кг/мм2. Состояние полной термической обработки во всех термически упрочняемых сплавах достигается посредством так называемого дисперсионного твердения, которому предшествует промежуточная стадия закалки материала, нагретого до определенной температуры (тогда как дисперсионное твердение является, по существу, процессом старения, ускоренным •с помощью нагрева). В результате закалки сплав НЮ приобретает не меньшую устойчивость против коррозии, чем другие сплавы, применяемые в морских условиях

Сплав Н15 представляет собой медесодержащий сплав, имеющий в своем составе приблизительно 4,5°о Си; 0,7% Mg; 0,8Vn Si н 0,75% Мп. В результате повышенного содержания меди указанный сплав имеет низкое сопротивление коррозии в морской воде, но обладает высокой прочностью: максимальный предел текучести 36 кг/мм2, а минимальный предел прочности при растяжении 44 кг!мм*. Сплав Н15 выпускается промышленностью в виде листов, покрытых с обеих сторон тонким плакирующим слоем чистого алюминия. В плакированном виде сплав Н15 имеет марку НС15 и широко используется в авиационной промышленности, особенно в постройке гидросамолетов. Минимальные характеристики прочности сплава при растяжении снижаются после плакирования на 3,2—4,4 кг/мм2.

Авиационный сплав DTD 687А значительно превосходит сплав Н15 по своей прочности, однако мы не будем его рассматривать, поскольку малый срок службы в морских условиях делает этот сплав непригодным для судовых конструкций.

Все указанные сплавы выпускаются в виде листов или стандартных профилей различной формы. Свойства профилей из алюминиевых сплавов, в основном, значительно ниже,1 чем листового металла; вследствие концентрации тепла в крупных профилях, влияющей на степень закалки сплавов, упрочняемых термообработкой, и частично на степень отжига сплавов, подверженных наклепу, профили толстого сечения могут иметь значительно более низкую прочность, чем тонкие и легкие профили. Такие процессы, как горячая штамповка, вытяжка с утонением и т. п., должны осуществляться при условии предварительного отжига материала или его заквлки в зависимости от саойств данного сплава.

Для изготовления элементов набора рекомендуются сплавы I NP5/6 и N6. Листовой материал поставляется отожженным на 1/4 ' и подвергается прокатке в горячем состоянии при толщинах свыше 4,8 мм. Профили из сплава N6 стандартизованы.

Подобно мягкой стали эти алюминиевые сплавы могут подвергаться отбортовке, фланжировке, обрубке, штамповке и другим видам горячей и холодной обработки, а также саарке, однако применяемые методы и температуры в большинстве случаев значительно отличаются от принятых для стали.

Сварка алюминиевых сплавов. Постройка саарных судов из алюминиевых сплавов — сравнительно новое дело (начвлась в последнее пятилетие в США, а затем в Англии). По мнению автора, сварная конструкция быстроходных судов дает значительные преимущества при условии строгого соблюдения технологии саарки и устранения некоторых трудностей, связанных с применением I секционной сборки.

I           Клепаные алюминиевые конструкции имеют, по сравнению со

сварными, повышенную стоимость в связи с большей трудоемкостью технологического процесса, меньшую прочность на единицу веса материала и более низкую устойчивость при работе в морских условиях. Для обеспечения водонепроницаемости клепаных конструкций должны быть «приняты особые меры, например, применение специальных уплотняющих мастик.1

Заклепочное соединение по самой своей природе создает местные концентрации напряжения, возникающие из-за нвличия заклепочных отверстий, особенно в случае применения мелких заклепок, поскольку коэффициент концентрации напряжений изменяется обратно пропорционально диаметру отверстия. В условиях воздействия динамической нагрузки, при которых может приобрести важное значение фактор усталости, подобные явления нежелательны и лишь подчеркивают явное преимущество саарных соединений. Почти всегда относительная прочность саарных швов выше, чем заклепочных соединений, благодаря возможности создания непрерывной связи. Путем тщательного выбора положения и характеристик сварных швов могут быть в значительной степени устранены местные отрицательные последствия отжига.

Нагрузки, действующие на корпуса быстроходных судов, зачастую сходны по саоему характеру с ударными нагрузками. Опыт показывает, что при наличии большого количества заклепок, работающих в таких условиях (малого диаметра из алюминиевого сплава), предупредить их повреждение весьма сложно.

Применение сварки вместо трудоемкой и дорогостоящей клепки позволяет избежать необходимости точно следовать практике, принятой в самолетостроении.

Один из недостатков клепаной конструкции, проявляющийся •иногда в процессе ее эксплуатации, состоит во вспучивании соединения, так как объем продуктов коррозии алюминия гораздо больше, чем объем разрушенного метвлла. Хотя метвлл поверхности разъема шва, выполненного, например, внахлестку, обычно почти не подвергается коррозионному разрушению, в случае повреждения уплотняющей среды и защитного слоя продукты начавшейся коррозии вызывают интенсивное вспучивание, которое способствует появлению настолько значительных внутренних напряжений, что срезаются головки заклепок. Совершенно ясно, что в саарной конструкции дефекты подобного рода отсутствуют

С другой стороны, конструкция каждой детали сварной конструкции должна быть продумана и разработана очень тщательно не только с точки зрения ее эффективности, но также и с точки зрения технологичности (облегчения доступа при сварке, в особенности для обеспечения предварительной сборки крупных секций; обеспечения максимально возможного объема использования автоматической сварки и т. п.).

Имеются саедения об успешной постройке больших цельно- снарных алюминиевых корпусов, включая быстроходные катера. По мнению автора, сварке как методу соединения и изготовления конструкций принадлежит большое будущее, по крайней мере применительно к алюминию и его сплавам.

Удовлетворительные результаты дает использование композитных конструкций, сочетающих различные способы соединения отдельных частей (например, цельносварной корпус с ребрами жесткости, приклепанными или приваренными методом точечной сварки). Современное состояние развития сварки алюминиевых сплавов благоприятствует применению таких компромиссных методов, поскольку имеющееся оборудование не вполне пригодно для сварки прерывистым валиковым швом, но весьма удобно для сварки стыков и пазов наружной обшивки и палубного настила.

Разумеется, применение сварки также связано с преодолением определенных затруднений. В частности, сложную задачу представляет собой изготовление тонких переборок, всегда подверженных короблению, которое зачастую нелегко устранить. Необходимо тщательно соблюдать порядок наплавки металла.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ:  БЫСТРОХОДНЫЕ КАТЕРА

 

Смотрите также:

 

Сварка цветных металлов и их сплавов. Сварка алюминия и его сплавов

Алюминий легко окисляется при сварке, и оксидная пленка, образующаяся на каплях и в ванне, загрязняет шов.
Для сварки алюминия и его сплавов используют электроды 03А-1 и АФ4аКР. Для сварки дефектов алюминиевого литья применяют электрод ОЗА-2.

 

ПАЙКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ - припои ПСр5АКЦ, ПАКЦ, В62...

Пайка алюминиевых сплавов в вакууме, аргоне, водороде не применяется. Паяемые соединения изготовляются из большинства алюминиевых сплавов, кроме сплавов, содержащих более 4—5% Mg.
Клепка.

 

МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ. Магниевые сплавы легируют алюминием, цинком...

Магниевые сплавы являются самым легким конструкционным металлич. материалом.
Для соединения деталей применяются различные виды сварки, а также клепка, пайка твердыми и
алюминия: алюминиево-медные, алюминиево-магниевые сплавы стали. применяться уже...

 

КОРРОЗИЯ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ. Магний и магниевые сплавы

Из алюминиевых сплавов наименьшее усиление коррозии вызывает сплав AMr5v, поэтому клепку
Сварка должна выполняться с применением фтористых флюсов или аргоноду- говым методом.
К легким относятся сплавы на основе алюминия, магния, а к тяжелым...

 

МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ — магниевые сплавы...

Легкие сплавы, М., 1958; Дриц М. Е. [и др.], Магниевые сплавы для работы при повышенных температурах, там же; Дриц М. Е., Магниевые сплавы и перспективы их использования в
Сталь и алюминиевые сплавы - алюминиево ...
Сварка алюминия и его сплавов.

 

...ПОКРЫТИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ. Для алюминия и его сплавов...

Для алюминия и его сплавов пассивирующими пигментами являются цинковый, стронциевый кроны, а также тетраоксихромат цинка.
Для изделий, работающих в атм. условиях, применяются наиболее стойкие в коррозионном отношении алюминиевые сплавы.

 

Цветные металлы и их сплавы. Сплавы на основе меди. Сплавы...

Большое количество алюминиевых сплавов расходуется на изготовление заклепок, бол-т0В.
магниевых сплавов около 2000 кг/м3 (это самый легкий мате.
Эти сплавы получают путем добавк к титану хрома, алюминия, ванадия.

 

СОЕДИНЕНИЯ - соединения сварные, заклепочные и болтовые

Они применяются в конструкциях из сталей всех строит, марок и из сплавов алюминия с магнием и с
Алюминиевые сплавы обычно сваривают механизированной дуговой сваркой с
При холодной клепке плотность заполнения отверстий получается выше, а величина усилия...

 

Дюралюминий. Алюминиевая бронза. Сплав алюминия с медью...

Широко распространены силумины - литейные сплавы алюминия с кремнием.
На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия.