低合金船體鋼材料分類

根據(jù)用途不同低合金船體鋼可分為高強(qiáng)度造船用鋼、艦船殼體用鋼和液化氣運(yùn)輸船用鋼。

(1)高強(qiáng)度造船用鋼。在各國(guó)船級(jí)社規(guī)范中，按屈服強(qiáng)度通常在265～395MPa之間2個(gè)或3個(gè)等級(jí)，每一級(jí)按沖擊韌性的要求，又分為A、D、E3個(gè)檔次。國(guó)際船級(jí)社聯(lián)合會(huì)(IAcs)于1994年修訂了高強(qiáng)度船用鋼規(guī)范，其化學(xué)成分列于表1。表中列入的315、355和390MPa3個(gè)屈服強(qiáng)度級(jí)別，均為經(jīng)過(guò)細(xì)化晶粒處理的鎮(zhèn)靜鋼，允許鋼中添加少量鈮、釩、鈦等微合金化元素，進(jìn)行微合金化處理，且滿足Nb% v% Ti%≤O.12%；若采用熱機(jī)械處理軋制(TMcP)，允許化學(xué)成分有所調(diào)整；按Cdq=C Mn/6 (Cr Mo V)/5 (Ni Cu)/15(%)計(jì)算的碳當(dāng)量不大于O.4%；其力學(xué)性能列入表2，表中規(guī)定A、D、E、F4個(gè)檔次在O、-20、-40和-60度的夏氏試樣低溫沖擊功均高于一般強(qiáng)度船用鋼。各國(guó)船級(jí)社從1994年起相繼按IAcs的要求納入了各自的規(guī)范。中國(guó)船級(jí)社也于1996年將有關(guān)內(nèi)容納入了《鋼制海船八級(jí)與建造規(guī)范》中。

表1高強(qiáng)度造船用鋼化學(xué)成分

表2高強(qiáng)度造船用鋼的力學(xué)性能

(2)艦船殼體用鋼。自第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，各國(guó)海軍水面艦船一直沿用碳素鋼和高強(qiáng)度鋼作殼體材料，80年代后又開(kāi)發(fā)了一系列微合金化、更高強(qiáng)度級(jí)別的適用鋼種。傳統(tǒng)的殼體用鋼質(zhì)量趨于優(yōu)化，主要反映在純凈化、細(xì)晶化和均勻化等方面。

近10年鋼中雜質(zhì)元素的含量已能控制在相當(dāng)?shù)偷姆秶?%)：

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能的需要，可采用鐵水預(yù)處理、三脫技術(shù)、爐外精煉等措施達(dá)到高純度，一般規(guī)定鋼中全鋁含量不得低于O.015%。成分優(yōu)化的另一重要標(biāo)志是鋼中添加微量碳氮化物形成元素的處理技術(shù)，鋼中的Nb、Ti≤O.02%?？刂栖堉?、控軋冷卻工藝生產(chǎn)的微合金鋼在艦船方面的應(yīng)用先于民用船舶，至今仍在開(kāi)發(fā)低碳(C≤O.10%)和超低碳(C≤O.02%)的艦船殼體用鋼。此外美國(guó)率先把含銅沉淀硬化型的高強(qiáng)度鋼列入軍品材料，80年代末美國(guó)海軍又把4種艦船結(jié)構(gòu)用厚板納入研究計(jì)劃(如表3所示)，代表了今后海軍水面艦艇殼體用鋼的發(fā)展趨勢(shì)。

表3列入美國(guó)海軍研究計(jì)劃的四種艦船結(jié)構(gòu)用厚板鋼種

潛艇耐壓殼體用鋼，在水下航行時(shí)潛艇(包括深潛器和水下作業(yè)船)耐壓殼體承受負(fù)載，下潛深度越大，殼體承受的外壓也越大，隨著潛艇排水量和工作深度增加，就需加大鋼板的厚度、提高鋼材的強(qiáng)度級(jí)別。各國(guó)這類鋼均已形成系列，其強(qiáng)度范圍、化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝大致相同。主要合金元素為鎳、鉻、鋁，添加硼為提高厚板的淬透性，加入釩為改善鋼的抗回火穩(wěn)定性能。一般采用電爐冶煉和爐外精煉，在淬火加高溫回火(調(diào)質(zhì)處理)狀態(tài)下使用。美國(guó)多采用HY-80、HY-100，英國(guó)為QT-35、QT-42和Q(N)，日本為NS46和NS63、NS80、NS90法國(guó)選用Marrell-80，前蘇聯(lián)常用AK25和AK27鋼。通用的HY系列的耐壓殼體用鋼的化學(xué)成分列于表4，其中HY-130鋼鎳含量達(dá)5%，具有優(yōu)越的斷裂韌性，用以建造下潛深度大于300m的常規(guī)潛艇和核動(dòng)力潛艇。

表4HY系列耐壓殼體用鋼化學(xué)成分(%)

(3)海洋鉆采平臺(tái)用鋼。平臺(tái)用鋼絕大部分沿用各級(jí)強(qiáng)度的造船用鋼，這類結(jié)構(gòu)必須經(jīng)受住大型結(jié)構(gòu)和自重所產(chǎn)生的巨大應(yīng)力，還要對(duì)付苛刻環(huán)境(如風(fēng)浪，碰撞)因素的影響。使用條件最為苛刻的是平臺(tái)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)用材，要求很好的抗層狀撕裂性能，這種材料稱為Z向鋼。鋼的強(qiáng)度級(jí)別一般在吼：≤345MPa以下，主要是保證結(jié)構(gòu)的剛性和較小的年腐蝕率。這種鋼必須采取嚴(yán)格的高純凈化冶煉工藝，大幅度降低鋼中的硫含量和氫含量，以提高焊接時(shí)抗層狀撕裂的能力。主要牌號(hào)有CX522E、HT、JUMI-z、KZT500和NK-z鋼，抗層狀撕裂敏感性主要用z向(鋼板厚度方向)拉伸試驗(yàn)的斷面收縮率來(lái)評(píng)定。

(4)碼頭和海洋建筑用耐海水腐蝕鋼。此類材料類似于上述的平臺(tái)鋼，如鋼樁用材，在海洋大氣、飛濺帶、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海底土壤區(qū)的腐蝕行為和破壞形式是各不相同的，以飛濺帶的腐蝕最為嚴(yán)重。一般結(jié)構(gòu)用耐海水腐蝕鋼主要有美國(guó)鎳-磷-銅成分的Mariner系和法國(guó)銅-鋁-鉬成分的APS系鋼種。焊接結(jié)構(gòu)用耐海水腐蝕鋼的化學(xué)成分接近于造船用鋼，主要有日本新日鐵的Mariloy系和川崎的Mariwel系鋼種。國(guó)外耐海水腐蝕鋼代表牌號(hào)見(jiàn)表5。

表5國(guó)外耐海水腐蝕鋼代表牌號(hào)

(5)液化氣運(yùn)輸船用鋼。天然氣、氨等低溫液化氣儲(chǔ)罐和運(yùn)輸船，以及極寒海域的破冰船用鋼，都要求很好的低溫韌性，主要通過(guò)調(diào)整合金成分、提高純凈度、提高組織均勻性和熱處理等途徑來(lái)改善鋼的低溫韌性，在服役條件下承受外載時(shí)不發(fā)生脆性破壞，優(yōu)良的焊接性也是重要的技術(shù)要求之一。這類鋼通常采用鎳系低溫鋼，各國(guó)低溫鋼規(guī)范及其最低使用溫度見(jiàn)表6，以9%Ni的鋼韌性最高，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，可滿足天然氣和液化氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存的技術(shù)要求，它比鎳-鉻奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度高得多，可用于制造薄壁輕型結(jié)構(gòu)。

表6鐵素體低溫韌性鋼及其最低使用溫度規(guī)范2100433B

19世紀(jì)初，就已開(kāi)始采用中碳結(jié)構(gòu)鋼建造民用船舶和戰(zhàn)艦。為了提高鋼的強(qiáng)度和改善耐海水腐蝕性，陸續(xù)有以硅、鉻和鎳等元素合金化的早期低合金高強(qiáng)度鋼用于造船。自焊接技術(shù)取代鉚接應(yīng)用于造船之后，造船用鋼的成分設(shè)計(jì)發(fā)生了重大的變革。為改善鋼的焊接性，逐漸降低了鋼中碳含量，并以少量多元復(fù)合合金化淘汰了單一元素的合金化方式。第二次世界大戰(zhàn)期間，多艘“自由”輪斷裂的海難事件，引起了人們對(duì)造船用鋼的低溫抗斷裂性能的關(guān)注，從而在60年代以來(lái)，造船用鋼向適用于大線能量焊接和良好的低溫韌性方向發(fā)展，保證了民用船舶和軍用艦艇在服役條件下的安全運(yùn)行。中國(guó)從1957年開(kāi)始以st52鋼為基礎(chǔ)，研制第一批低合金高強(qiáng)度鋼16Mn(屈服強(qiáng)度345MPa級(jí))和15MnTi(屈服強(qiáng)度395MPa級(jí))，造船業(yè)也是最早采用低合金鋼的部門(mén)之一，1957年自行設(shè)計(jì)并建造了我國(guó)第一艘萬(wàn)噸輪“東風(fēng)”號(hào)。60年代又研制了鉻鎳銅系和釩鈦稀土系成分的高強(qiáng)度鋼用于建造“朝陽(yáng)”、“向陽(yáng)”、“紅旗”號(hào)等多艘遠(yuǎn)洋貨輪和多種型號(hào)的軍用艦艇。隨著海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)的進(jìn)展，在70年代末，我國(guó)又研制了海上油氣鉆采平臺(tái)用鋼和耐海水腐蝕鋼。80年代中國(guó)造船業(yè)和遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，以此為契機(jī)推動(dòng)了中國(guó)造船用鋼的生產(chǎn)和船舶用材規(guī)范向國(guó)際統(tǒng)一規(guī)范靠攏。

技術(shù)要求 對(duì)低合金船體鋼的技術(shù)要求主要是較高的屈服強(qiáng)度，以及適中的屈強(qiáng)比；較高的韌性，在低溫下具有良好的抗脆斷能力、良好的焊接性，保證焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)韌性；良好的冷、熱加工成形性；一定的耐海洋大氣和海水腐蝕能力；用于艦艇制造時(shí)還要符合抗爆炸裂紋擴(kuò)展敏感性的要求。

常用的船體鋼材有球扁鋼、扁鋼、槽鋼、圓鋼、角鋼、工字鋼、半圓鋼、T字鋼等。

船體鋼材可以由鋼材生產(chǎn)工廠直接各個(gè)軋制,直接供應(yīng)造船工廠,也可以根據(jù)需要,由造船工廠自行制造如T型材和組合型材。.

（施鶴群）