現(xiàn)代航母是一種復(fù)雜昂貴的海洋浮動(dòng)堡壘，是現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)的核心，每一個(gè)航母國(guó)家和即將成為航母國(guó)家都會(huì)非常仔細(xì)認(rèn)真地面對(duì)這種海戰(zhàn)武器之王。建造航母需要傾一國(guó)之力，從策劃到設(shè)計(jì)選型，到技術(shù)研發(fā)，到建造，到訓(xùn)練成軍需要15-20年的時(shí)間，航母決定一國(guó)海軍在未來(lái)30到50年以內(nèi)的海洋作戰(zhàn)能力和戰(zhàn)略威懾力，因此，世界各國(guó)發(fā)展航空母艦時(shí)的一舉一動(dòng)都會(huì)受到民眾、國(guó)會(huì)、軍隊(duì)甚至國(guó)外媒體和政府的高度關(guān)注，航母這種高度敏感的武器還容易導(dǎo)致周邊軍備競(jìng)爭(zhēng)升級(jí)。因此不管從國(guó)計(jì)民生還是對(duì)外政策來(lái)說(shuō)發(fā)展航母都不是一件容易作出的決策。

航空母艦

    中國(guó)最近10年中都在大力更換海軍裝備，從江南4艦到大連的115, 116,還有從俄羅斯購(gòu)買(mǎi)的現(xiàn)代級(jí)軍艦，中國(guó)海軍開(kāi)始從原有的沿岸防御的近海海軍走向遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)的藍(lán)水海軍的道路。航空母艦是這條道路的頂端，也是發(fā)展藍(lán)水海軍的必由之路。中國(guó)在2000年以后重點(diǎn)建設(shè)海軍裝備現(xiàn)代化，中國(guó)航母問(wèn)題再度成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

    航母是以艦載機(jī)為主要武器并作為其海上活動(dòng)基地的大型水面戰(zhàn)斗艦艇、海軍水面戰(zhàn)斗艦艇的最大艦種。按排水量分為大型航空母艦、中型航空母艦和小型航空母艦；按戰(zhàn)斗使命分為攻擊航空母艦、反潛航空母艦、護(hù)航航空母艦和多用途航空母艦；按動(dòng)力分為核動(dòng)力航空母艦和常規(guī)動(dòng)力航空母艦。主要用于攻擊水面艦艇、潛艇和運(yùn)輸艦船，襲擊海岸設(shè)施和陸上戰(zhàn)略目標(biāo)，奪取作戰(zhàn)海區(qū)的制空權(quán)和制海權(quán)，支援登陸和抗登陸作戰(zhàn)。

    航母用的鋼材特別是飛行甲板用鋼要求極高。特別是對(duì)于材料的屈服度要求，可比核潛艇。一般對(duì)于造船用特種剛才都用Mpa（兆怕）來(lái)表示屈服度。民用船只一般只需要250Mpa的材料即可，普通軍用船只也就是300以下，而且近年來(lái)，成本控制的進(jìn)一步要求，一般軍艦采用民用標(biāo)準(zhǔn)的很多，材料要求進(jìn)步降低，甚至出現(xiàn)了使用鋁才建造上層。但對(duì)于航母的飛行甲板標(biāo)準(zhǔn)卻是各國(guó)均沒(méi)下降過(guò)的。而且全世界至今僅僅4個(gè)國(guó)家制造的剛才能用于航母制造。俄羅斯的AK系列合金鋼是世界上屈服度最高的材料，使用鎳鉻和加入鈦的合金鋼，根據(jù)鈦成分的多少分不同樣本。最高的達(dá)到1000MPA，用來(lái)制造需要深潛的核潛艇。而用來(lái)制造航母飛行甲板的一般在850左右。美國(guó)HY系列特種鋼材同樣用于制造潛艇和航母飛行甲板。HY80的屈服度在800左右，用于航母制造。同樣也是鎳鉻和加入鈦的合金鋼。法國(guó)軟鋼的屈服度比較底，僅550左右，但對(duì)于出口限制較少，而上述2種材料，美俄是基本不出口的。英國(guó)的無(wú)敵級(jí)航母使用的就是法國(guó)軟剛，但基于這樣的材料屈服度比較底，一般僅僅用于制造小型垂直起降或者直升飛機(jī)航母。法國(guó)自己的戴高樂(lè)號(hào)還是用的HY80特種剛。日本也能制造屈服度比較高的特種合金鋼，基本在450左右，日本的潛艇和兩硒攻擊艦都使用了本國(guó)出產(chǎn)的特種鋼材。反觀我國(guó)，對(duì)制造屈服度高于350的特種鋼材的生產(chǎn)能力都比較低，這個(gè)從我國(guó)建造核潛艇的速度上就可以反映出來(lái)。材料的生產(chǎn)是個(gè)大問(wèn)題。同樣的對(duì)于航母也是如此。

    僅是猜測(cè)：如果在大連造船廠，應(yīng)該是鞍山鋼鐵集團(tuán)公司；如果在江南造船廠，應(yīng)該是寶山鋼鐵集團(tuán)公司，不過(guò)那都是舷側(cè)甲板，用于戰(zhàn)斗機(jī)起降跑道的第一層主甲板，應(yīng)該非濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)公司莫屬，中厚板質(zhì)量和產(chǎn)量全國(guó)第一。

    現(xiàn)代水面戰(zhàn)斗艦艇和潛艇等戰(zhàn)艦為了具有較好的穩(wěn)定性，增加有效載荷、機(jī)動(dòng)性和生存性，要求不斷增加采用能減輕殼體結(jié)構(gòu)重量的高強(qiáng)度鋼板比例。國(guó)防部要求海軍艦艇建造使用的合金鋼和裝甲鋼約占總量的50%。在艦艇服役過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)承受著復(fù)雜的載荷譜和環(huán)境，同時(shí)用來(lái)制造殼體的結(jié)構(gòu)鋼和焊接材料在這些環(huán)境中必須具有高斷裂韌性。服役過(guò)程中的一般動(dòng)載荷包括波浪載荷、波浪拍擊、沖擊、振動(dòng)、在熱帶和寒帶海域的熱偏移、船貨漂移、飛機(jī)的起飛與降落以及武器的反作用等。在這些服務(wù)環(huán)境下必須確保殼體結(jié)構(gòu)的完整性以使其具有連續(xù)抗浪性以及對(duì)敵方武器做出快速的反應(yīng)。海軍艦艇的防斷性是通過(guò)采用結(jié)構(gòu)鋼和焊接材料進(jìn)行殼體裝配來(lái)保證的，使得在這些極端惡劣工作環(huán)境中能具有高斷裂韌性和許用裂縫。因此，對(duì)海軍艦艇鋼的關(guān)鍵要求，不僅要考慮強(qiáng)度、可焊性以及沖擊載荷作用下的低溫韌性，而且還要考慮經(jīng)濟(jì)性，以便保持合理的艦艇采購(gòu)成本。

    HSLA-80和HSLA-100鋼

    20世紀(jì)80年代初期，鋼鐵廠曾經(jīng)生產(chǎn)了具有優(yōu)良可焊性、低溫韌性和屈服強(qiáng)度為60～80ksi的高強(qiáng)度、低合金（HSLA）鋼板。海軍開(kāi)展了一項(xiàng)發(fā)展和檢驗(yàn)高強(qiáng)低合金鋼的項(xiàng)目，使該合金鋼可以不經(jīng)或減少預(yù)熱時(shí)間就具有可焊性、高強(qiáng)度、高韌性以及與高屈服鋼相等的優(yōu)質(zhì)焊縫性能等。該項(xiàng)目研究的重點(diǎn)是在合理的殼體制造成本范圍內(nèi)減輕CG-47級(jí)驅(qū)逐艦和DDG-51導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的重量。這個(gè)項(xiàng)目表明，改進(jìn)的ASTMA710A級(jí)鋼板可以滿足最低屈服強(qiáng)度 80ksi的要求，在低溫下具有高卻貝V型缺口沖擊能，當(dāng)采用與沒(méi)有進(jìn)行預(yù)熱處理的HY-80相同的工藝和方法時(shí)，該鋼板具有優(yōu)良的可焊性。因此，HSLA-80鋼是ASTMA710鋼中最佳的鋼種，并且在1984年經(jīng)過(guò)對(duì)鋼板性能、焊接性以及制造特性，包括結(jié)構(gòu)模型的建造和無(wú)損檢測(cè)進(jìn)一步評(píng)價(jià)之后，可證明這類鋼板可用于艦艇制造業(yè)。據(jù)估算，用HSLA-80取代HY-80每噸制造成本可節(jié)約2000～3000美元。其中包括材料、勞動(dòng)力、能耗和檢驗(yàn)成本等。到2001年，大約有40000tHSLA-80用于美國(guó)海軍水面戰(zhàn)斗艦艇結(jié)構(gòu)上。

    繼HSLA-80項(xiàng)目之后，開(kāi)始進(jìn)一步的合金開(kāi)發(fā)和鑒定項(xiàng)目，該項(xiàng)目的進(jìn)行使得準(zhǔn)許用HSLA-100來(lái)代替HY-100以進(jìn)一步降低制造成本。HSLA -100也是一種含碳量低，銅沉淀強(qiáng)化鋼，合金元素含量比HSLA-80的要高。這種新型鋼種具有與HY-100相應(yīng)的強(qiáng)度和韌性，運(yùn)用與沒(méi)有預(yù)熱要求的HY-100鋼相同的焊接材料和工藝時(shí)，具有可焊性。HSLA-100的開(kāi)發(fā)由3個(gè)階段組成：（1）合金設(shè)計(jì)，通過(guò)利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的加熱方式來(lái)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼的成分；（2）在鋼板廠試生產(chǎn)鋼板以達(dá)到臨時(shí)性規(guī)范；（3）進(jìn)行板厚0.25～3.75英寸的鑒定項(xiàng)目。

    HSLA-100鋼板和焊件的鑒定包括機(jī)械、物理和斷裂韌性等性能測(cè)定，高約束度下可焊性和焊接工藝范圍的評(píng)定（那些易于產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力），研究疲勞性能和海洋環(huán)境的影響，以及大型結(jié)構(gòu)模型的制造和評(píng)定來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室確定的焊接工藝參數(shù)的適用性。根據(jù)在評(píng)定中演示的性能和可焊性，驗(yàn)證了HSLA-100鋼在水面艦艇結(jié)構(gòu)和防彈結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用并用它來(lái)取代HY-100制造美國(guó)JobnC.Stennis（CVN74）核動(dòng)力航空母艦以降低制造成本。根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，估計(jì)該艦制造成本可節(jié)約500～3000美元/長(zhǎng)噸（2240鎊）。在2001年，大約有30000tHSLA-100鋼板用在海軍水面戰(zhàn)斗艦艇上（主要用在航空母艦上）。

    HSLA-65鋼

    海軍水面艦艇用高強(qiáng)度鋼板主要包括屈服強(qiáng)度為50kis（345MPa）的ABSDH/EH-36鋼，屈服強(qiáng)度為80kis（550MPa）的HY-80 或HSLA-80鋼以及屈服強(qiáng)度為100kis（690MPa）的HY-100或HSLA-100鋼。雖然艦艇的某些結(jié)構(gòu)要求使用較厚的鋼板，但是大多數(shù)結(jié)構(gòu)包括船殼板則只需厚度為0.25～1.25英寸的鋼板。在水面戰(zhàn)斗艦艇建造中，還沒(méi)有對(duì)屈服強(qiáng)度在50ksi的HSS鋼和80ksi的HY/HSLA -80之間的高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行鑒定，也沒(méi)有制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。除了艦艇防護(hù)板（裝甲）外，在艦艇結(jié)構(gòu)中使用高強(qiáng)度鋼是為了減輕重量和降低成本提高效益。與用HSS（DH/EH36）鋼相比，用HY/HSLA-80只要求用較薄的板和更少的焊接金屬。然而，這會(huì)導(dǎo)致扭曲發(fā)生，因此就需要附加加強(qiáng)件，這就不利于為減輕重量而對(duì)HY/HSLA-80的使用。此外，HY和HSLA鋼板的每噸成本要比HSS高2倍多而且制造成本也相對(duì)比較高。

    顯然，在HSLA-80鋼項(xiàng)目中，屈服強(qiáng)度為65ksi的鋼是為供管線和近海平臺(tái)使用而研制成的“純粹”HSLA鋼為基礎(chǔ)的，它能滿足具有高強(qiáng)度、韌性和可焊性的造船鋼板要求。這種HSLA鋼利用低含碳量和微合金化與熱機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合來(lái)代替昂貴的添加合金元素和熱處理（用這個(gè)與依賴于大量合金元素— Ni，Cr，Mo，Cu和線外熱處理—淬火和回火來(lái)獲得性能的HY/HSLA-80鋼相比）。

    海軍海上系統(tǒng)司令部推薦繼續(xù)開(kāi)發(fā)HSLA-65級(jí)鋼的計(jì)劃。這是由于設(shè)計(jì)研究（驅(qū)逐艦型殼體）表明應(yīng)用屈服強(qiáng)度為80ksi的鋼將受到限制（由于翹曲限制），而65ksi屈服強(qiáng)度鋼可以達(dá)到相似的減輕重量的目的。對(duì)用65ksi屈服強(qiáng)度鋼制造的大多數(shù)水面艦艇殼體結(jié)構(gòu)，制造成本可以降低，該鋼材料和制造成本類似于HSS而且同時(shí)可減輕重量。對(duì)HSLA-65級(jí)的候選鋼是控軋、微合金化、控制夾雜形狀的低碳錳鋼，類似于管線用鋼API5LX65。

    服役壽命，重量和允許的穩(wěn)定性是新一代航空母艦設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能。一艘具有50年服役期，殼體形狀與CVN-68級(jí)航空母艦類似的航空母艦，減輕重量是很困難的而且費(fèi)用很高。在服役壽命的基礎(chǔ)上，要絕對(duì)保證提高航母的作戰(zhàn)能力和威脅性將會(huì)繼續(xù)增加它的重量。因此必須考慮航空母艦結(jié)構(gòu)能夠增加重量極限的措施。

    用HSLA-65代替HSS將能夠使用較薄的板材，從而使每艘艦減輕重量估計(jì)達(dá)1500長(zhǎng)噸的水平（最大的減輕重量措施可以利用設(shè)計(jì)的方法）。HSLA-65鋼板的成本大致與HSS相等，其焊接工藝、程序和焊接材料與HSS相同。對(duì)較薄的鋼板使用較少體積的焊縫金屬也將減少總的制造成本。因此，HSLA- 65系列將經(jīng)濟(jì)有效地節(jié)省重量。

    HSLA-65開(kāi)發(fā)和焊接最優(yōu)化

    在20世紀(jì)90年代初，當(dāng)諾斯羅普？格魯曼公司紐波特紐斯船廠（NNS）探索航空母艦主結(jié)構(gòu)使用經(jīng)濟(jì)性好、工業(yè)規(guī)范的（ASTM）HSLA-65級(jí)結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，HSLA-65鋼的開(kāi)發(fā)得到了發(fā)展的機(jī)會(huì)。據(jù)紐波特紐斯船廠估計(jì)，如果在CVN-76和CVN-77建造中采用這種鋼，就可大大減輕艦艇的重量。CVN-69級(jí)艦的重量逐漸增加，將會(huì)減少壽命延長(zhǎng)極限。紐波特紐斯船廠提出了一項(xiàng)臨時(shí)性的“凈化”低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明書(shū)，并且通過(guò)了ASTM分委員會(huì)、海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC）、美國(guó)船級(jí)社（ABS）和有關(guān)鋼鐵制造廠等的審查。在1995年年度標(biāo)準(zhǔn)中公布了ASTMA945，它是利用低含碳量，限制硫含量來(lái)改善高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼的可焊性、成型性和韌性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的。在1994～2000年間，對(duì)HSLA-65鋼及其焊接性能同時(shí)展開(kāi)了幾個(gè)主要項(xiàng)目的研究，以測(cè)定它的機(jī)械、物理和斷裂性能；可焊性和焊接工藝范圍的評(píng)定；疲勞性能的研究和海洋環(huán)境的影響以及制造特點(diǎn)。對(duì)其中一些研究項(xiàng)目概述如下：

    NNS航空母艦研究項(xiàng)目對(duì)HSLA-65生產(chǎn)性鋼板的特性做了表征，并且對(duì)CVN-77航空母艦上關(guān)鍵與非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)取代345MPa高強(qiáng)度鋼的可能性進(jìn)行了評(píng)論；

    海軍研究署的海洋用材料項(xiàng)目評(píng)定了按照ASTMA945生產(chǎn)的65級(jí)（HSLA-65）鋼板的強(qiáng)度、韌性、疲勞性能和可焊性，其焊縫用高強(qiáng)度鋼型焊接材料制造。HSLA-65焊接的開(kāi)發(fā)研究，確定了高強(qiáng)度級(jí)焊接材料的性能要求；鑒別可提高HSLA-65焊接韌性的焊接材料以及在高熱能下表征HSLA-65熱影響區(qū)的韌性；

    海軍研究署的制造技術(shù)項(xiàng)目表征了具有經(jīng)濟(jì)效益的可替代產(chǎn)品HSLA-65焊材利用典型的船廠焊接工序時(shí)，金屬極氣保護(hù)焊、埋弧焊、藥弧焊以及溶劑芯電弧焊等的特征。審查了船用高強(qiáng)度鋼（DH-36，EH-36）建造時(shí)的制造方法（火工矯直，熱/冷成型，焊后熱應(yīng)力消除）對(duì)HSLA-65鋼及其焊件性能的影響。本項(xiàng)目集中于HSLA-65焊接材料和工序的最優(yōu)化；焊接接頭性能的分析以及在苛刻工作條件下HSLA-65焊接接頭性能的鑒定。

    美國(guó)國(guó)內(nèi)鋼板廠按照ASTMA945為這些項(xiàng)目提供了板厚為0.25～1.25英寸的65級(jí)鋼板。按照ASTMA945對(duì)所有鋼板的生產(chǎn)方法（控軋，淬火和回火，熱機(jī)械加工和加速冷卻）進(jìn)行了評(píng)定。

    項(xiàng)目?jī)?nèi)容

    1 美國(guó)國(guó)內(nèi)所有鋼廠生產(chǎn)的鋼板都滿足ASTMA94565級(jí)鋼的化學(xué)成分、拉力性能和沖擊韌性的要求，全部鋼板都滿足或者超過(guò)海軍水面戰(zhàn)斗艦艇結(jié)構(gòu)規(guī)定的在-400F下，最低CVN≥70（ft-Lbs）的要求；

    2 所有鋼板采用的成分和加工工藝以其他工業(yè)用鋼為基礎(chǔ)（不排除軍用型鋼板），諸如HY/HSLA-80或HSLA/HY-100鋼板；

    3 艦船建造方法，諸如冷成型，火工矯直，焊后應(yīng)力消除都是與采用高強(qiáng)度鋼（DH-36，EH-36）相同工藝時(shí)同樣的加工溫度限制；

    4 大多數(shù)70系列焊接材料規(guī)定的屈服強(qiáng)度比HSLA-65鋼要低（低匹配屈服強(qiáng)度焊縫）；然而，實(shí)際上，大多數(shù)焊縫金屬屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最終足夠使HSLA-65鋼板基體發(fā)生破壞；

    5 HSLA-65的可焊性等于或優(yōu)于高強(qiáng)度鋼（DH-36，EH-36）；

    6 HSLA-65焊接結(jié)構(gòu)件斷裂韌性試驗(yàn)呈現(xiàn)延展性，高的裂縫允許量，在-200F工作溫度下顯示高的抗脆性（焊縫在-400F下韌性超過(guò)20ft-lb）；

    7 幾種70系列焊材（根據(jù)鋼板化學(xué)成分和焊接工藝決定）制成的焊縫，顯示出具有良好的CVN（在-400F下超過(guò)25ft-lb，它被海軍設(shè)定為水面戰(zhàn)斗艦艇的性能指標(biāo)要求）；

    8 HSLA-65對(duì)接和十字接頭的高周疲勞性能，它的十字部分類似一拉丁十字，都在高強(qiáng)度鋼和HY80焊接狀態(tài)接頭試驗(yàn)結(jié)果的分散度范圍之內(nèi)；

    9 用70系列焊接材料制成的HSLA-65板焊縫爆炸鼓脹試驗(yàn)的厚度減薄率超過(guò)HY-80鋼，而且在裂縫源爆炸鼓脹試驗(yàn)也呈現(xiàn)很好的性能。

    HSLA-65系統(tǒng)認(rèn)證

    對(duì)HSLA-65鋼板和利用高強(qiáng)度鋼焊接工藝程序和焊接材料的焊件進(jìn)行的檢驗(yàn)和分析表明，這種系列材料的性能和特征是能夠滿足水面戰(zhàn)斗艦艇結(jié)構(gòu)要求的。它與HSLA-80，HSLA-100同時(shí)進(jìn)行研制材料性能和特性的評(píng)定，并足以支持海軍水面非主要結(jié)構(gòu)件用HSLA-65鋼系統(tǒng)的認(rèn)證。然而，必須對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞、板扭曲、側(cè)向壓力、局部不穩(wěn)定性以及短柱和格子試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和在主結(jié)構(gòu)上全部利用HSLA-65高強(qiáng)度鋼的優(yōu)點(diǎn)（格子一般由縱向和橫向加強(qiáng)的板連接而成）。

    檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)用HSLA-65

    HSLA-65鋼結(jié)構(gòu)性能和穩(wěn)定性的檢驗(yàn)和評(píng)定集中在HSLA-65結(jié)構(gòu)行為的六個(gè)方面：①焊接結(jié)構(gòu)壓縮性能；②加強(qiáng)件的局部穩(wěn)定性；③板的扭曲；④板的側(cè)面變形；⑤疲勞強(qiáng)度；⑥格子強(qiáng)度。目前由于缺乏這些方面的數(shù)據(jù)而妨礙了HSLA-65在水面戰(zhàn)斗艦艇主結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)用。

    由于新型航空母艦十分需要減輕重量，所以建立了鑒定HSLA-65鋼作為水面戰(zhàn)斗艦艇主殼體結(jié)構(gòu)應(yīng)用的全部結(jié)構(gòu)評(píng)估項(xiàng)目并且已在2002年完成。研究重點(diǎn)集中在預(yù)定應(yīng)用的苛刻條件以取得數(shù)據(jù)庫(kù)和一般結(jié)構(gòu)用認(rèn)證的可靠性。這也會(huì)減少艦船設(shè)計(jì)中使用新型65ksi屈服強(qiáng)度鋼的風(fēng)險(xiǎn)。由結(jié)構(gòu)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證HSLA-65板扭曲、側(cè)向受壓能力、結(jié)構(gòu)疲勞、結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性和格子性能等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)主結(jié)構(gòu)的證明和HSLA-65系統(tǒng)設(shè)計(jì)是很有必要的。一旦證實(shí)HSLA-65可以在水面戰(zhàn)斗艦艇上使用，則它的潛在效益可能超出海軍航空母艦的應(yīng)用范圍。可預(yù)料這種材料將會(huì)進(jìn)一步用在DD（X），LPD17和LHA（R）級(jí)等艦上。

    此外，重量的減輕將由HSLA-65組合（焊接）型材代替效率低的高強(qiáng)度軋制型材。沒(méi)有廠家生產(chǎn)造船用的高強(qiáng)度軋制型材，而且這種型材基本上都是特大尺寸的。然而HSLA-65組合型材可以設(shè)計(jì)和制成滿足強(qiáng)度要求的尺寸從而減輕艦艇的重量。此外，制造和安裝成本將由于減少大型軋制型材公差誤差而降低，這種誤差會(huì)引起裝配中的安裝問(wèn)題。要將HSLA-65鋼組合成T型（兩塊平板焊接成T型-橫截面形狀）的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)必須使各尺寸成比例以防止法蘭和腹板的局部扭曲。在認(rèn)證過(guò)程中，進(jìn)行了特殊結(jié)構(gòu)元素測(cè)試替代極端惡劣環(huán)境下的組合型材來(lái)獲取數(shù)據(jù)和支持焊接HSLA-65鋼成型件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

    1 結(jié)構(gòu)性能圓柱體試驗(yàn)

    在壓縮載荷下的結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性試驗(yàn)基本上用線彈性公式來(lái)定量表達(dá)，它只僅對(duì)應(yīng)力在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的原始線彈性范圍內(nèi)才適用。艦船結(jié)構(gòu)基本上按照接近屈服強(qiáng)度的應(yīng)力點(diǎn)防止扭曲超過(guò)比例限來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。（比例限是應(yīng)力不再與應(yīng)變成線性比例關(guān)系的一點(diǎn)）。為了預(yù)測(cè)非彈性扭曲，采用比例限和屈服應(yīng)力來(lái)校正線彈性扭曲公式和說(shuō)明非彈性效應(yīng)。

    對(duì)很短的由HSLA-65I-梁組成的分段進(jìn)行一系列的壓縮試驗(yàn)。I-梁的法蘭和腹板是成比例的，以防止局部扭曲，而試樣的總長(zhǎng)做成足夠短以防止圓柱扭曲。由于存在縱向填角焊縫引起殘余應(yīng)力和制造引起非平面變形，測(cè)量了制成的HSLA-65I-梁的變形，然后加載到發(fā)生重大塑性變形后出現(xiàn)破壞。記錄加載 -變形曲線顯示初始線性的偏移點(diǎn)結(jié)構(gòu)比例極限。用這些結(jié)果校正非彈性行為的彈性扭曲公式。與HSS和HSLA-80類似的I-型梁試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)相比，就可確定HSLA-65結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作應(yīng)力的相應(yīng)安全系數(shù)。

    2 局部非穩(wěn)定性試驗(yàn)

    艦船鋼結(jié)構(gòu)的組合T-加強(qiáng)件需要法蘭與腹板有適當(dāng)?shù)膶?厚比（b/t）以避免在壓縮載荷下的局部扭曲（即防止加強(qiáng)件的法蘭和腹板扭曲）。忽略這種失效方式可能導(dǎo)致各個(gè)構(gòu)件承載能力減少產(chǎn)生更嚴(yán)重的扭曲失效。在HSLA-65I-梁組合的分段上做圓柱試驗(yàn)，該梁短到足以防止圓柱扭曲的發(fā)生，但是當(dāng)板扭曲模式占主導(dǎo)地位時(shí)，該梁又長(zhǎng)到足夠消除長(zhǎng)寬比的影響。法蘭和腹板的尺寸要設(shè)計(jì)成具有相同的穩(wěn)定性，以此來(lái)滿足下限強(qiáng)度，即法蘭不能穩(wěn)定腹板，而腹板又不能穩(wěn)定法蘭。在每端焊接端蓋可將載荷很好的傳遞到梁上。圓柱上安裝應(yīng)變和位移片以保證載荷的均勻分布以及確定扭曲的發(fā)生和扭曲后的行為。對(duì)4種寬厚比的I-梁進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法與測(cè)試HSS和HSLA-80鋼類似。HSLA-65顯示的結(jié)構(gòu)行為和極限強(qiáng)度正如所預(yù)料的，跟HSS和HSLA-80之間的屈服強(qiáng)度類似。HSLA-65鋼結(jié)構(gòu)行為的分析給HSLA-65板加強(qiáng)件設(shè)計(jì)提供了寬厚比極限的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

    3 板扭曲試驗(yàn)

    艦船結(jié)構(gòu)幾乎完全由直角加強(qiáng)板組成。板材和加強(qiáng)件都必須設(shè)計(jì)成能夠承受工作載荷。在艦船面板周?chē)附蛹訌?qiáng)件或與附近的面板焊接。焊接引起的殘余應(yīng)力，它可能會(huì)嚴(yán)重影響面板的強(qiáng)度。板扭曲一般用板的寬厚比參數(shù)表征，這些參數(shù)是寬厚比率、屈服強(qiáng)度和彈性模量。為了設(shè)計(jì)，假定面板邊緣是簡(jiǎn)單支撐的，而且在均勻增加壓縮邊緣載荷下面板首先扭曲，然后直到最終發(fā)生壓潰時(shí)產(chǎn)生扭曲后強(qiáng)度。對(duì)用不同寬度的面板通過(guò)邊緣焊接并在軸向加載使得在超出寬厚比范圍內(nèi)發(fā)生扭曲行為的HSLA-65面板進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。在面板上安裝了應(yīng)變片和位移傳感器以測(cè)定扭曲的發(fā)生和追蹤每塊面板發(fā)生扭曲后的行為。HSLA-65面板的板格測(cè)試結(jié)果與海軍艦船為防止板扭曲和極限強(qiáng)度所使用的曲線比較相符。

    4 側(cè)面壓力試驗(yàn)

    艦船殼體結(jié)構(gòu)的大多數(shù)板格是根據(jù)承受不同數(shù)值的側(cè)向壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)的，它們與吃水、壓載、燃料和浮動(dòng)條件的變化有關(guān)。此外，某些結(jié)構(gòu)件（例如，殼板和壁板）是按照承受側(cè)向載荷設(shè)計(jì)的，以使它可能使板承受某種程度的永久變形。設(shè)計(jì)指南已經(jīng)發(fā)展到采用校正因素（稱為“C-因素”）來(lái)確定板最大的寬厚比，給出板的長(zhǎng)寬比和作用在板上的靜壓頭。

    對(duì)HSLA-65板進(jìn)行測(cè)試，采用試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定鋼板的彈性、破壞能力等性能，采用NSWCCD分部壓力箱設(shè)備來(lái)測(cè)定該鋼板的C-因素。圓柱裝置是用柱面一端有加強(qiáng)件的厚板造成的。HSLA-65試驗(yàn)板與圓柱的內(nèi)徑和加強(qiáng)件焊接在一起。圓柱的另一端用厚圓板蓋住。整個(gè)試驗(yàn)裝置放在壓力箱內(nèi)，逐漸增加和減少壓力以建立永久變形和施加壓力之間的關(guān)系。應(yīng)變片和位移傳感器測(cè)量了板的反應(yīng)和永久性裝置。在收集足夠的數(shù)據(jù)后，就可測(cè)定HSLA-65板的C-因素，增加壓力一直達(dá)到最終保持壓力。在這種壓力下，在板材邊緣的加強(qiáng)焊縫處發(fā)生了剪切破壞。對(duì)HSLA-65面板在側(cè)向壓力下建立的C-因素正如鋼在屈服強(qiáng)度時(shí)所預(yù)料的那樣。

    5 結(jié)構(gòu)件疲勞試驗(yàn)

    使用HSLA-65鋼將獲得比HSS承受更大應(yīng)力和更薄尺寸的結(jié)構(gòu)。當(dāng)主結(jié)構(gòu)和輔助結(jié)構(gòu)受到循環(huán)應(yīng)力作用時(shí)，就可以在設(shè)計(jì)時(shí)考慮更高的疲勞強(qiáng)度。焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度由在恒定振幅的循環(huán)應(yīng)力作用下的具有代表性的焊接接頭出現(xiàn)疲勞裂縫產(chǎn)生破壞時(shí)決定的。由于最終將用恒定振幅載荷來(lái)預(yù)測(cè)航程中的載荷，在HSLA-65焊接接頭評(píng)定中也應(yīng)該采用隨機(jī)振幅載荷作為精確地評(píng)定預(yù)測(cè)疲勞壽命的方法。為了表征焊接HSLA-65鋼的疲勞強(qiáng)度也對(duì)簡(jiǎn)單的T型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試。

    疲勞試驗(yàn)接頭結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)度中部的兩側(cè)連接平板，無(wú)受載的側(cè)面連接的全焊透填角焊縫與施加整個(gè)反復(fù)載荷振幅的軸方向垂直。這種結(jié)構(gòu)代表在艦船結(jié)構(gòu)中的焊接件的流行，也對(duì)由HSS和HSLA-80鋼做成的類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)是在利用液壓夾具的專用機(jī)械上進(jìn)行的。

    對(duì)疲勞應(yīng)力幅大小進(jìn)行的測(cè)試確定了整個(gè)艦船服役期間內(nèi)防止疲勞設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)有助于解決艦船結(jié)構(gòu)老化的維修問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果表明，在整個(gè)服役期內(nèi)，HSLA-65焊件的疲勞性能可以與HSS和HSLA-80焊件的疲勞性能相媲美。焊件的疲勞強(qiáng)度與T型焊縫凸緣的應(yīng)力集中有關(guān)（焊縫的幾何形狀）而與鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度無(wú)關(guān)。因此，當(dāng)鋼的強(qiáng)度和設(shè)計(jì)應(yīng)力增加時(shí)，必須充分注意疲勞設(shè)計(jì)以獲得適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)壽命。

    6 格子試驗(yàn)

    如前所述，艦船結(jié)構(gòu)一般包括縱向和橫向加強(qiáng)板。前述試驗(yàn)旨在了解局部結(jié)構(gòu)的性能，諸如在加強(qiáng)件之間板的承載能力，加強(qiáng)件的法蘭和腹板單元的比例和焊接件的疲勞強(qiáng)度。然而，在設(shè)計(jì)更大的普通結(jié)構(gòu)前，必須了解像那樣的局部結(jié)構(gòu)問(wèn)題。當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸增加時(shí)，為了控制主載荷構(gòu)件的扭曲要對(duì)構(gòu)件的尺寸、形狀和長(zhǎng)度加以限制。由于扭曲模型相互作用的復(fù)雜性以及因制造引起的初始變形和殘余應(yīng)力的影響，大型結(jié)構(gòu)的最終承載能力通過(guò)實(shí)驗(yàn)就可很好地確定。格子測(cè)試結(jié)構(gòu)，包括多層縱向和橫向加強(qiáng)件被用來(lái)評(píng)定災(zāi)難性的扭曲失效模式并確定了防止最終破壞的安全極限。格子試驗(yàn)使用的是8×24英尺的結(jié)構(gòu)，其中包括3塊艙室隔板，由紐波特紐斯船廠制造。由NSWCCD室內(nèi)的獨(dú)特格子試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行儀表安裝，測(cè)試非平面變形、試驗(yàn)、分析和擬訂文件等。

    HSLA-65鋼設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)/指南

    HSLA-65結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)板扭曲的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、側(cè)向受壓能力、結(jié)構(gòu)疲勞、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和格子性能提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這些數(shù)據(jù)支持全面實(shí)施無(wú)限制地使用HSLA -65作為主殼體結(jié)構(gòu)并且減少艦船在建造和服役中存在的未預(yù)料問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)演示HSLA-65系統(tǒng)（基體材料和焊接結(jié)構(gòu)）的全面性能以便在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和指南下按照所預(yù)料的條件下使用。

    未來(lái)海軍用鋼

    HSLA鋼的研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目給海軍提供開(kāi)發(fā)用低成本鋼取代HY鋼系統(tǒng)和較高生產(chǎn)率的新型高強(qiáng)度焊接產(chǎn)品的機(jī)會(huì)。海軍在高強(qiáng)度鋼研究上已取得的主要成果是通過(guò)冶金手段獲得可焊、韌化的結(jié)構(gòu)鋼而不再受到自20世紀(jì)60年代以來(lái)HY系列鋼的成本和焊接的限制。

    以前受到限制研究的先進(jìn)超低碳鋼冶金系統(tǒng)和加工技術(shù)，已由國(guó)外生產(chǎn)改變成國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)了。隨著成熟的熱金屬處理、微合金化、改進(jìn)鋼坯生產(chǎn)、熱機(jī)械控制軋制和在線冷卻的共同作用，可能得到屈服強(qiáng)度為150ksi的固有可焊合金鋼板。

    先進(jìn)的HSLA冶金系統(tǒng)，鋼板加工技術(shù)和高強(qiáng)度鋼的先進(jìn)連接技術(shù)將繼續(xù)成為21世紀(jì)海軍研究和開(kāi)發(fā)的一部分。可以預(yù)料“下一代海軍”艦艇的性能要求是提高對(duì)鋼種的要求，而減輕艦艇重量改進(jìn)其防護(hù)性是另一個(gè)要求，這將要求合金鋼系統(tǒng)的屈服強(qiáng)度能增加到130-150ksi以此來(lái)抵御未來(lái)武器的威脅。



 

責(zé)任編輯：王元

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