پایان نامه ارزیابی فولادی استحکام بالا در صنعت سازه های فولادی

مقدمه:

فرآیند شکل دادن فلزات وابسته به جنس قطعه یا شمش اولیه وشکل هندسی آن ابزارشکل دادن،ابزارشکل دادن(ازلحاظ ماده وهندسه آن)، شرایط موجود در فصل مشترک ابزار وماده،حالت تنش در منطقه تغییرشکل، نوع ونحوه کاربرد ابزار، خصوصییات محصول نهایی و نهیتا شرایط محیط کارگاه می باشد.

یکی از پرمصرف ترین مقاطع تولیدی در فرآیندهای شکل دهی ،ورق هامی باشند.درابتدا سعی شده است تابا

بررسی تاثیر خواص موادبرشکل پذیری ورق ها در زمینه های توزیع کرنش، خواص موادوچروکیدگی،خواص مواد وشکست برشی، خواص مواد وبرگشت، اعمال خمش الاستیک زیر تنش تسلیم ، خمش ساده، ترکیبی از کشش انبساطی و خمش و کیفیت سطحی جنبه های مختلف شکل دهی ورق ها مشخص شود

فرآیندخم ورق یکی از ساده ترین و در عین حال پر استفاده ترین فرآیند های شکل دهی فلزات است.در عمل

قطعات متعددی وجود دارد که از ترکیب چند خم بر روی ورق ساخته شده است. یک روش برای تولید این گونه قطعات ایجاد تمامی خم ها به طور هم زمان در یک قالب می باشد. داشتن تخمینی از نیروی مورد نیاز و در صورت در موادی که تنوع خم ها زیاد است وابعاد بزرگ می باشد این روش مقرون به صرفه نیست. در روش دیگر ابتداتصویر یک رویه سه بعدی را به کمک گسترش، در صفحه ای تخت و کاملا پیوسته یعنی بدون چاک خوردگی یاچروک خوردگی بدست آورده و سپس می توان بااستفاده ازپرس های بریک وخم کاری های هوایی، رویه اولیه را ایجاد نمود. برای استفاده از این روش در ابتدا لازم است خطوط خم مشخص شوند.

2-شرایط کاری شناورها

انتخاب ماده بدنه شناور جهت عملکرد بهترومناسب، عملی حساس بوده وازاین روبایدشرایط موجودبه خوبی بررسی شده و خواص مورد نظر مشخص گردد.بررسی شرایط به صورت کامل کاری بسیار مشکل بوده وباید توجه داشت که ممکن است شرایط هر دریا و آبی متفاوت باشد و بنابراین در اینجا به بررسی کلی شرایط کاری

پرداخته خواهد شد.

در شرایط جنگی بر خورد، انفجار، فشار غیر عادی ناشی از سرعت زیاد و سایر شرایط مشکل جنگی می تواند

بدنه را تحت فشار قرار دهد. شرایط خاصی مانند آتش سوزی وانفجار نیز موجب ایجاد حرارت بر روی بدنه   می گردد.

نیروهای وارده ازسوی دریا به چند صورت به بدنه شناور اعمال می شود که شامل نیرو های هیدرواستاتیک خم کننده و تاباننده، به طور متناوب و ثابت است. این نیروها باعث له شدن ، خم شدن وتابدیدن وسیله می شوند.اثرگردش ها و چرخیدن وسیله و وجود جریان های دریایی موجب خم شدن وسیله و ایجاد نیروهای خاص بر روی بدنه می گردد.نیروهای ناشی از ضربات امواج به خصوص وقتی که وسیله سرعت بالایی دارد، باعث ایجاد نیرو های درجهت خم کردن بدنه می گردد

فشار هیدرو استاتیک نیز تابع عمق کار شناور است که در زیردریایی ها این فشار با افزایش عمق اضافه می شود.

اضافه شدن عمق عملیاتی موجب در هم شکسته شدن زی دریایی شده و در واقع زیر دریایی منهدم می شود.

فرورفتن وغوض کردن زیر دریایی نیز خود موجب ایجاد نیروهای بویانسی می گردد که از طرف دریا به بدنه وارد می شود. وجود بار اضافی در زیر دریایی نیز موجب سنگین شدن زیر دریایی و بنابراین اعمال نیروی بویانسی اضافی به بدنه می گردد

بدنه شناور تحت خوردگی در انواع حالات آن واقع می شود و مسئله خوردگی یکی از مهمترین شرایط موجود

در دریا می باشد که برروی بدنه اثر گذار است.دردریاعلاوه بر آب شور که موجب خوردگی میگردد،سایراملاح وجانداران دریایی نیز وجود دارند که بدنه باید شرایط تخریب کننده آنها مقابله نماید.شرایط خورندگی آب دریاهابا یکدیگر متفاوت است وبنابراین باید در هر دریا جهت بدست آوردن شرایط خوردگی سازه های دریایی، آزمایشاتی انجام گیرد.

3-مشخصات مواد بدنه شناور ها

ماده ای که جهت ساخت بدنه یک شناور انتخاب می شود، برای مقابله با شرایط کاری وجوابگویی به انتظارات از وسیله باید دارای خواص متعدد و متفاوتی باشد که به احتمال زیاد همه آنها در یک ماده جمع نخواهد شد. از این روبا توجه به اهمیت هر خاصیت و نحوه جوابگویی آن درشرایط کاری ونیز اولویت هایی که طرح مشخص می نماید وهمچنین با توجه به روش های جایگزینی که برای رسیدن به بعضی از خواص مورد نظر وجود دارد، می توان از بعضی خواص صرف نظر نمود. این وظیفه طراح است که باید با دید وسیع و انتخاب دقیق، باتوجه به پارامترهای ذکر شده ماده مورد نظر راانتخاب کند.ازطرف دیگرمسائل مربوط به ساخت و نکات تکنولوژی نیز وجود دارد که ماده انتخاب شده باید به همه آنها پاسخ دهد. در این بخش به بررسی خواص مورد نیاز برای بدنه پرداخته شود.

3-1-استحکام:

دارا بودن استحکام مکانیکی مناسب که شامل استحکام نهایی می شود برای یک ماده، تقریباً در تمام کاربردهای صنعتی از اهمیت زیادی برخوردار است و از پارامترهای مهم محسوب می گردد.استحکام مکانیکی ماده مورد استفاده در شناورها خاصیت آصلی ماده مورد نظراست.چرا که مقدار استحکام بدنه بر ضخامت پوسته اثر مستقیم دارد عامل مقاومت شناور در برابر فشار آب می باشد.

به طور معمول استحکام مورد نظر جهت انتخاب مواد توسط طراح وسیله به صورت دامنه ای از استحکام مطرح می گردد که در این صورت باتوجه به مشکلات مربوطه به تهیه  مواد خاص برای زیر دریایی های، دامنه ای از انتخاب هانیز وجود خواهد داشت. امروزه با پیشرفت هایی که در زمینه های مختلف علم مواد به وجود آمده است، موادی بااستحکام بالا ایجاد شده که استفاده از آنها در شناورها باعث کم شدن ضخامت بدنه گشته است.در عین حال امکان ساخت شناورهای بزرگ با امکانات متعدد، اهداف چند منظوره، قابلیت های پیشرفته و ظرفیت بار قابل حمل فراهم شده است.

استفاده از موادی بالاتر موجب کاهش هزینه های مربوط نیز می شود، چون موجب مصرف کمتر ماده برای بدنه می گردد .درشکل(1) مقایسه بین چند ماده مهندسی از نظر استحکام صورت گرفته است.برای تعیین ضخامت مناسب پوسته وشکل دقیق بدنه، طراحان از روش های کامپیوتری استفاده می کنندولی روش های سازه ای نیز وجود دارد.

3-2-چقرمگی  

با توجه به اینکه بدنه شناور در شرایط خاص جنگی تحت ضربه حاصل از امواج انفجار قرار می گیرد و یا درحالت های عادی ممکن است باصخره های دریایی بر خورد کند و علاوه بر این مثل در زیر دریایی ها وارد شدن به عمق های زیاد بحرانی خطر لهیدگی را در پی دارد، در نتیجه تافنس یا چقرمکی ماده بدنه از اهمیت ویژه ای برخودار است. در تمام این حالات ترجیح داده میشود که در بدنه شناور به جای شکستن و ترک خوردن، خم شود . دراین حال ایجاد شدن؟ یک فرورفتگی (در بدنه در شرایط حاد) از غرق شدن جلوگیری خواهد شد .

استفاده ار ماده ای با چقرمگی خوب موجب میگردد تا نگرانی از نظر شکست و ترک در حین شکل دهی محل هایی با زوایای تند وجود نداشته باشد در واقع تافنس خوب ماده مورد نظر، ساخت،تولید ، و تغییر و تنظیم بدنه را نیز آسانتر نموده و هزینه های مربوطه را کاهش می دهد

در شکل (2) مقایسه ای بین چقرمگی و استحکام تسلیم چند ماده که در صنایع دریایی مورد استفاده قرارمیگیرند ،انجام شده است.

3-3- مقاومت خستگی

با توجه به این که امواج دریا و ضربه های ناشی از انفجار های زیر آبی نیز به طور متناوب بر روی بدنه شناور نیرووارد میکنند . بنابراین یدنه شناور تحت نیروهای متناوب گوناگون و بعضا شدیدی قرار دارد و این نیروهای متناوب منشا خستگی در مواد هستن . در صورتی که ماده مورد استفاه در بدنه شناور دارای مقاومت به خستگی بالایی نباشد در واقع عمر بدنه مدت کوتاهی خواهد بود . باا بودن مقاومت خستگی به مقدار زیادی بر روی افزایش طول عمر بدنه شناور و بنابراین کم نسبت به هزینه طول عمر اثر دارد .

از طرف دیگر با معلوم بودن طول عمر مورد انتظار از یک شناور میتونان ماده ای را انتخاب نمود که در حد پاسخگویی به نیاز ها بوده و بنابراین دیگر نیازی به استفاده از مواد گران قیمت با تکنولوژی های شکل دهی و ساخت پر هزینه ،نیست.

4-3- مقاومت خوردگی

              به علت وجود یون های کلر در آب دریا و مجاورت دائمی بدنه آب ، به طور یک خوردگی عمومی در بدنه            ایجاد میگردد. البته مشخصات خورندگی آب دریا در محل های مختلف متفاوت است که با توجه به تحقیقات گسترده ای که بر روی آب های دنیا صورت گرفته است ، پیش بینی رفتار خورندگی آب دریا نسبتا آسان شده است.

سرعت خورده شدن سطوح در زیر آب بیشتر توسط سرعت نفوذ اکسیژن دیر بین لایه های زنگ و ارگانیسم های دریای کنترل می شود. سرعت آب به جز در مواردی که آب دارای آلودگی های صنعتی است ، برروی خوردگی بدنه اثر ندارد.بنابراین در دریا به علت وجود آب شور ، بدنه به طور کلی در معرض یک روند خوردگی عمومی قرار دارد که برای رفع آن نیاز به استفاده از مواردی با مقاومت خوردگی بالا وجود دارد. وجود این خاصیت موجب افزایش طول عمر و کم شدن هزینه تعمیر و نگهداری می شود .در دریا علاوه بر خوردگی عمومی حاصل از آب دریا ، ارگانیسم ها و موجودات دریایی نیز ئجود دارند که موجب تسریع  در سرعت خوردگی و ایجاد محل های مناسب جهت خوردگی موضعی میشوند. وجود انواع خزه ها وصدف های چسینده موجب ایجاد سلول های خوردگی در روی بدنه میگردد.

برای جلوگیری این این اتفاق اصل از زنگ های ضد خزه استفاد می شود که می تواند به خوبی جلو چسبیدن

خزه ها را به بدنه شناور بگیرد . در ضمن زنگ ها خود مانع رسیدن آب دریا به دبدنه نیز هستند و برای جلوگیری از انواع دیگر بر روی بدنه مفید می باشند . علی رغم مزایای استفاده از رنگ های مختلف، این رنگ ها اغلب سمی بوده و مشکلات زیست محیطی را نیز در پی دارند. استفاده از موادی که خود به طور ذاتی خاصیت ضد خزه داشته باشد در حال حاضر محدود به انواع خاص کمپوزیت ها می شود که با استفاده از زرین های خاص از چسبیدن خزه ها سایر جانداران به بدنه جلوگیری می کند . ولی فلزات این خاصیت را ندارند.

              چیدن خزه و جانداران دریایی علاوه بر مسئله خوردگی نیز موجب کم شدن سرعت ،کم شدن ، سرعت عمل می شود به جز این دو نوع روند خوردگی انواع دیگری از خوردگی نیز در دریا وجود دارد که بر روی بدنه اثری میگذارند.

3-4-1- خوردگی گالوانیکی

با توجه به تعدد قطعات در شناور استفاده از چندین ماده متفاوت برای کاربد های مختلف در کنار یکدیگر اجتناب ناپذیر است . از این رئ با توجه به موقعیت مواد درسری گالوانیکی ممکن است مواد استفاده شده،با هم تشکیل پیل گالوانیکی داده و خوردگی یکی به شدت افزایش یابد. به عنوان مثال در کنار فولاد و تیتانیوم و همچنین فولاد در کنار تیتانیوم به راحتی پیل تشکیل داده و دچار خوردگی میگردد. به همین دلیل در انتخاب ماده ای برای ساخت بدنه باید به موقعیت و محل آن ماده در جدول سری گالوانیکی و نیز موقعیت و محل مواد مرتبط با ماده اصلی در جدول مذکور توجه کرده و تشکیل زوج گالوانیکی توسط آن مواد را مد نظر قرار داد.

در عمل استفاده از مواد متفاوت در شناور اجتناب ناپذیر است و بنابراین حتما از انواع عایق ها ،پوشش های مانع خوردگی گالوانیکی و اصولا از حفاظت کاتدی استفاده می شود. حفاظت کاتدی که با به کارگیری آلیاژهای روی ومنیزیم صورت میگیرد ،علاوه بر رفع مشکلات خوردگی گالوانیکی به جلوگیری از خوردگی همیومی نیز کمک می کند

3-4-2-خوردگی تنشی

این نوع خوردگی در واقع یک نوع خوردگی موضعی است که در اثر وجود همزمان تنش کشی و عامل خورنده بر روی قطعه اتفاق می افتد. در واقع تنش موجب تسریع شدید در خوردگی میگردد. عوامل زیادی بر روی سرعت خوردگی تنشی اثر دارد که از آن جمله می توان به نوع ماده مورد استفاده ، مقدار تنش ،نوع محیط خورنده،دما و زمان اشاره نموده. تنش هایش قطعات ممکن است از نوع تنش های پسماند و یا تنش های اعمالی باشند که در هر صورت خوردگی تنشی را تسریع می کنند.

از آنجایی که وجود تنش و محیط خورنده در سازه های دریاییغیر قابل اجتناب است ، بنابراین استفاده از موادی که نسبت به خوردگی تنشی مقاوم باشند در ساخت بدنه مفید خواهد بود . در حال حاضر فقط تیتانیوم وکمپوزیت های خاصی وجود دارند که نسبت به خوردگی تنشی مقاوم هستند و سایر مواد در این شرایط خورده خواهند شد . برای کم کردن اثر خوردگی تنشی روش های حذف تنش های پسماند از طریق عملیات حرارتی ، طراحی درست جهت به حداقل رساندن تنش های کششی در شناور و استفاده از روش های علم مکانیک شکست مفید خواهد بود

3-4-3- خوردگی حفره ای

مقاومت در برابر خوردگی حفره ای و بین دانه ای نیز از جمله خواصی است که ماده بدنه باید دارا باشد . خوردگی حفره ای در بعضی از مواد به صورت ایجاد حفره هایی کوچک بر روی سطح آغاز می شود و به دلیل عدم خروج یون های خوردنده از محل خوردگی تشدید می گردد.

خوردگی بین دانه ای نیز در اثر حساس بودن رسوب هایی که در روی مرز دانه ها قرار دارند ، در مقابل به وجود می آید و گاهی در ورق های نوردی به صورت جهت دار ظاهر میشود . به طور کلی باید گفت ه ماده مورد استفاده به عنوان بدنه شناور باید نسیت به این نوع خوردگی نیز مقاوم باشد و از نظر ساختاری طوری باشد که تحت محیط های دریایی دچار خوردگی بین دانه ای نشود . در جدول (1) مقایسه ای بین خواص خوردگی برخورد از مواد مهندسی صورت گرفته است

3-5-عدم حساسیت نسبت به دما و آتش(در زیر دریایی ها)

بدنه زیر دریایی در واقع پوسته محافظ زیر دریایی و سپر آن نیز می باشد. بدنه در حین عملیات جنگی در برابرانواع انفجارهاو حرارت حاصل از آنها قرار می گیرد.از طرف دیگر در داخل زیر در یایی انواع مواد مشتعل شونده مانند  روغن و سوخت وقطعات پلاستیکی و غیره وجود دارد که در شرایط خاصی ممکن است مشتعل شده و زیر دریایی را دچار آتش سوزی کنند.در صورت استفاده از بدنه ای که نسبت به حرارت وآتش مقاوم نباشد(مثلاٌآلومینییوم با نقطه ذوب 600درجه ی سانتیگراد)، درصورت بروز چنین مشکلی بدنه ازبین رفته و منجر به عرق وسیله خواهد شد. دراین باره توصیه می شود درمورد زی دریایی های جنگی از مواردی که نقطه ذوب بالایی دارند استفاده شود.

به طور کلی کارکردن وسائل مختلف دردرون زیر دریایی موجب ایجاد حرارت کلی و موضعی درزیر دریایی

می گردد.درصورتی که بدنه زیر دریایی  نسبت به حرارت حساس باشد، یعنی  با رفتن حرارت از خود بخارها و

گازهای سمی تولید کند.در این صورت با توجه به بسته بودن فضای زیر دریایی خدمه دچار مشکل شده ووسیله 

عملاٌکارآیی نخواهد داشت. موادی مانند برخی از کامپوزیت ها دچار این نوع مشکل هستند[11].

3-6-مقاومت به سایش

بدنه شناور به طور دائم تحت سایش نامحسوس آب شور وهمچنین تحت سایش در اثر کشیده شده به اسکله وسایر وسایل دریایی است .دراین حالت پوسته احتیاج به مقاومت به سایشی دارد که به وسیله آن دربرابر این گونه عوامل تخریب کننده مقاومت کند[9].به طور معمول با انتخاب ماده ای با استحکام مناسب، مقاومت به سایش بدنه نیز تامین می گردد.

3-7-

یکی از خصوصیات زیر دریایی پنهان بودن وعمل به صورت مخفیانه است.در این رابطه می توان اشاره کرد که

تشخیص یک زیر دریایی در زیر آب به روش های مختلف و پیچیده ای صورت می گیرد. از آن جمله می توان به امواج سونار، امواج مغناطیسی وامواج صوتی اشاره نمود.اغلب این روش های تعیین موقعیت به وسیله بررسی و ردیابی بدنه زیر دریایی عمل می کنند.به عنوان مثال امواج سوناراکتیو که از زیر دریایی دشمن خارج می گردد، با برخورد به بدنه وانعکاس از آن، محل وموقعیت زیر دریایی را به دشمن گزارش می دهد ویاانتشار امواج مغناطیسی توسط انواع مین ها، درصورتی که بدنه از نوع مغناطیسی باشد، موجب عمل مین شده و زیر دریایی را تهدید خواهد نمود

به طور کلی امروزه در دنیا سعی می شود بدنه زیر دریایی ازنوع مغناطیسی انتخاب شود. مثلا از فولاد های آستینی خاص، کمپوزیت ها ویاتیتانیوم.درمورد امواج سونار از روکش های ضد امواج سونار ازجنس کمپوزیت بر بدنه استفاده می گردد. همچنین استفاده از انواع عایق های صوتی در داخل وبیرون بدنه، طراحی برنامه و شکل زیر دریایی به منظور کم کردن رد پای صوتی زیر دریایی و روش های جلو گیری ازایجاد صوت مانند استفاده ازپیل سوختی واستفاده از شاسی های خاص نیز از جمله روش های اختفای زیر دریایی ها است

امروزه اختفا پذیرفتن کشتی ها به نام با بدنه کمپوزیتی ساخته شده و طراحی آن طوری است که تشخیص کشتی را به وسیله امواج سونار،رادار، مغناطیسی، مادون قرمز وصوتی، به حداقل می رساند.فولاد های غیر مغناطیسی که شامل فولاد های آستنیتی هستند، از نظر اختفا پذیری  پاسخگوی نیاز زیر دریایی می باشند اما اغلب این مواد در زمینه تامین نیاز های دیگر(مثلاٌاستحکام)مشکل دارند.

3-8- خزش

از جمله خواصی که در رابطه با انتخاب ماده برای ساخت بدنه شناور مد نظر است، مقاومت خزشی است. این پارامتر در رابطه با بدنه از اهمیت کمتری برخوردار است. در زیر دریایی ها معمولا با توجه به این که زیردریایی در دمای محیط کار می کند و به ندرت به دمای بالا خواهد رسید و از طرف دیگر ماده ای با استحکام مناسب خواص خزشی مناسبی نیز دارد، بررسی مقاومت خزشی در رابطه با جنس ماده بدنه در درجه دوم اهمیت قرار دارد. معیار مناسب برای این انتخاب، عدم خزش ماده انتخابی تا دمای 200°F است.

3-9- ظاهر مناسب

در رابطه با پوسته شناورها می توان گفت ظاهر و سطح ماده انتخاب شده نیز دارای اهمیت می باشد. با توجه به اینکه شناور در دریا در معرض هجوم انواع موجودات دریایی و محیط های خورنده است بنابراین صافی سطح بدنه و صیقلی بودن آن در جلوگیری کردن از چسبیدن آلودگی های دریایی و کم شدن امکان خوردگی موضعی بر روی بدنه نقش مهمی دارد.

از طرف دیگر عدم صافی سطح و ناهمواری های آن از نظر هیدرولیکی و ایجاد ردپای صوتی در حین حرکت نیز موثر است. بنابراین در انتخاب مواد به عنوان بدنه باید به شرایط تولیدی و کیفیت سطحی محصول توجه داشت. عدم حصول کیفیت سطحی مناسب در مورد یک ماده را می توان با انواع پوشش ها و رنگ ها جبران نمود، اما این مسئله باید از نظر اقتصادی و هزینه کل در شناور توجیه منطقی داشته باشد.