現(xiàn)代航母是一種復(fù)雜昂貴的海洋浮動堡壘，是現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)的核心，每一個航母國家和即將成為航母國家都會非常仔細(xì)認(rèn)真地面對這種海戰(zhàn)武器之王。建造航母需要傾一國之力，從策劃到設(shè)計選型，到技術(shù)研發(fā)，到建造，到訓(xùn)練成軍需要15-20年的時間，航母決定一國海軍在未來30到50年以內(nèi)的海洋作戰(zhàn)能力和戰(zhàn)略威懾力，因此，世界各國發(fā)展航空母艦時的一舉一動都會受到民眾、國會、軍隊甚至國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)致周邊軍備競爭升級。因此不管從國計民生還是對外政策來說發(fā)展航母都不是一件容易作出的決策。

航空母艦

    中國最近10年中都在大力更換海軍裝備，從江南4艦到大連的115, 116,還有從俄羅斯購買的現(xiàn)代級軍艦，中國海軍開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。中國在2000年以后重點建設(shè)海軍裝備現(xiàn)代化，中國航母問題再度成為關(guān)注的焦點。

    航母是以艦載機(jī)為主要武器并作為其海上活動基地的大型水面戰(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；按動力分為核動力航空母艦和常規(guī)動力航空母艦。主要用于攻擊水面艦艇、潛艇和運輸艦船，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。特別是對于材料的屈服度要求，可比核潛艇。一般對于造船用特種剛才都用Mpa（兆怕）來表示屈服度。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，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。但對于航母的飛行甲板標(biāo)準(zhǔn)卻是各國均沒下降過的。而且全世界至今僅僅4個國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，用來制造需要深潛的核潛艇。而用來制造航母飛行甲板的一般在850左右。美國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。法國軟鋼的屈服度比較底，僅550左右，但對于出口限制較少，而上述2種材料，美俄是基本不出口的。英國的無敵級航母使用的就是法國軟剛，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。法國自己的戴高樂號還是用的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出產(chǎn)的特種鋼材。反觀我國，對制造屈服度高于350的特種鋼材的生產(chǎn)能力都比較低，這個從我國建造核潛艇的速度上就可以反映出來。材料的生產(chǎn)是個大問題。同樣的對于航母也是如此。

    僅是猜測：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%。在艦艇服役過程中，其結(jié)構(gòu)承受著復(fù)雜的載荷譜和環(huán)境，同時用來制造殼體的結(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。服役過程中的一般動載荷包括波浪載荷、波浪拍擊、沖擊、振動、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)抗浪性以及對敵方武器做出快速的反應(yīng)。海軍艦艇的防斷性是通過采用結(jié)構(gòu)鋼和焊接材料進(jìn)行殼體裝配來保證的，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。海軍開展了一項發(fā)展和檢驗高強(qiáng)低合金鋼的項目，使該合金鋼可以不經(jīng)或減少預(yù)熱時間就具有可焊性、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。該項目研究的重點是在合理的殼體制造成本范圍內(nèi)減輕CG-47級驅(qū)逐艦和DDG-51導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的重量。這個項目表明，改進(jìn)的ASTMA710A級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)采用與沒有進(jìn)行預(yù)熱處理的HY-80相同的工藝和方法時，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)過對鋼板性能、焊接性以及制造特性，包括結(jié)構(gòu)模型的建造和無損檢測進(jìn)一步評價之后，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、勞動力、能耗和檢驗成本等。到2001年，大約有40000tHSLA-80用于美國海軍水面戰(zhàn)斗艦艇結(jié)構(gòu)上。

    繼HSLA-80項目之后，開始進(jìn)一步的合金開發(fā)和鑒定項目，該項目的進(jìn)行使得準(zhǔn)許用HSLA-100來代替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，運用與沒有預(yù)熱要求的HY-100鋼相同的焊接材料和工藝時，具有可焊性。HSLA-100的開發(fā)由3個階段組成：（1）合金設(shè)計，通過利用實驗室標(biāo)準(zhǔn)的加熱方式來不斷優(yōu)化設(shè)計鋼的成分；（2）在鋼板廠試生產(chǎn)鋼板以達(dá)到臨時性規(guī)范；（3）進(jìn)行板厚0.25～3.75英寸的鑒定項目。

    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定，高約束度下可焊性和焊接工藝范圍的評定（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)模型的制造和評定來驗證實驗室確定的焊接工藝參數(shù)的適用性。根據(jù)在評定中演示的性能和可焊性，驗證了HSLA-100鋼在水面艦艇結(jié)構(gòu)和防彈結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用并用它來取代HY-100制造美國JobnC.Stennis（CVN74）核動力航空母艦以降低制造成本。根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，估計該艦制造成本可節(jié)約500～3000美元/長噸（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，還沒有對屈服強(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，也沒有制定設(shè)計標(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比較高。

    顯然，在HSLA-80鋼項目中，屈服強(qiáng)度為65ksi的鋼是為供管線和近海平臺使用而研制成的“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)合來代替昂貴的添加合金元素和熱處理（用這個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)開發(fā)HSLA-65級鋼的計劃。這是由于設(shè)計研究（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而且同時可減輕重量。對HSLA-65級的候選鋼是控軋、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)計的關(guān)鍵性能。一艘具有50年服役期，殼體形狀與CVN-68級航空母艦類似的航空母艦，減輕重量是很困難的而且費用很高。在服役壽命的基礎(chǔ)上，要絕對保證提高航母的作戰(zhàn)能力和威脅性將會繼續(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達(dá)1500長噸的水平（最大的減輕重量措施可以利用設(shè)計的方法）。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級結(jié)構(gòu)鋼時，HSLA-65鋼的開發(fā)得到了發(fā)展的機(jī)會。據(jù)紐波特紐斯船廠估計，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級艦的重量逐漸增加，將會減少壽命延長極限。紐波特紐斯船廠提出了一項臨時性的“凈化”低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)說明書，并且通過了ASTM分委員會、海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC）、美國船級社（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HSLA-65鋼及其焊接性能同時展開了幾個主要項目的研究，以測定它的機(jī)械、物理和斷裂性能；可焊性和焊接工藝范圍的評定；疲勞性能的研究和海洋環(huán)境的影響以及制造特點。對其中一些研究項目概述如下：

    NNS航空母艦研究項目對HSLA-65生產(chǎn)性鋼板的特性做了表征，并且對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)行了評論；

    海軍研究署的海洋用材料項目評定了按照ASTMA945生產(chǎn)的65級（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焊接的開發(fā)研究，確定了高強(qiáng)度級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，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）建造時的制造方法（火工矯直，熱/冷成型，焊后熱應(yīng)力消除）對HSLA-65鋼及其焊件性能的影響。本項目集中于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。

    美國國內(nèi)鋼板廠按照ASTMA945為這些項目提供了板厚為0.25～1.25英寸的65級鋼板。按照ASTMA945對所有鋼板的生產(chǎn)方法（控軋，淬火和回火，熱機(jī)械加工和加速冷卻）進(jìn)行了評定。

    項目內(nèi)容

    1 美國國內(nèi)所有鋼廠生產(chǎn)的鋼板都滿足ASTMA94565級鋼的化學(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的厚度減薄率超過HY-80鋼，而且在裂縫源爆炸鼓脹試驗也呈現(xiàn)很好的性能。

    HSLA-65系統(tǒng)認(rèn)證

    對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同時進(jìn)行研制材料性能和特性的評定，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來驗證設(shè)計標(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（格子一般由縱向和橫向加強(qiáng)的板連接而成）。

    檢驗結(jié)構(gòu)用HSLA-65

    HSLA-65鋼結(jié)構(gòu)性能和穩(wěn)定性的檢驗和評定集中在HSLA-65結(jié)構(gòu)行為的六個方面：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)評估項目并且已在2002年完成。研究重點集中在預(yù)定應(yīng)用的苛刻條件以取得數(shù)據(jù)庫和一般結(jié)構(gòu)用認(rèn)證的可靠性。這也會減少艦船設(shè)計中使用新型65ksi屈服強(qiáng)度鋼的風(fēng)險。由結(jié)構(gòu)試驗來驗證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)計標(biāo)準(zhǔn)對主結(jié)構(gòu)的證明和HSLA-65系統(tǒng)設(shè)計是很有必要的。一旦證實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)料這種材料將會進(jìn)一步用在DD（X），LPD17和LHA（R）級等艦上。

    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，這種誤差會引起裝配中的安裝問題。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)證過程中，進(jìn)行了特殊結(jié)構(gòu)元素測試替代極端惡劣環(huán)境下的組合型材來獲取數(shù)據(jù)和支持焊接HSLA-65鋼成型件的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

    1 結(jié)構(gòu)性能圓柱體試驗

    在壓縮載荷下的結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性試驗基本上用線彈性公式來定量表達(dá)，它只僅對應(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)力點防止扭曲超過比例限來進(jìn)行設(shè)計的。（比例限是應(yīng)力不再與應(yīng)變成線性比例關(guān)系的一點）。為了預(yù)測非彈性扭曲，采用比例限和屈服應(yīng)力來校正線彈性扭曲公式和說明非彈性效應(yīng)。

    對很短的由HSLA-65I-梁組成的分段進(jìn)行一系列的壓縮試驗。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-型梁試驗所得的數(shù)據(jù)相比，就可確定HSLA-65結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作應(yīng)力的相應(yīng)安全系數(shù)。

    2 局部非穩(wěn)定性試驗

    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，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，該梁又長到足夠消除長寬比的影響。法蘭和腹板的尺寸要設(shè)計成具有相同的穩(wěn)定性，以此來滿足下限強(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4種寬厚比的I-梁進(jìn)行測試，測試方法與測試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)計提供了寬厚比極限的實驗依據(jù)。

    3 板扭曲試驗

    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)計成能夠承受工作載荷。在艦船面板周圍焊接加強(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，假定面板邊緣是簡單支撐的，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)生壓潰時產(chǎn)生扭曲后強(qiáng)度。對用不同寬度的面板通過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)行了性能評價。在面板上安裝了應(yīng)變片和位移傳感器以測定扭曲的發(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

    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)計的，它們與吃水、壓載、燃料和浮動條件的變化有關(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)計的，以使它可能使板承受某種程度的永久變形。設(shè)計指南已經(jīng)發(fā)展到采用校正因素（稱為“C-因素”）來確定板最大的寬厚比，給出板的長寬比和作用在板上的靜壓頭。

    對HSLA-65板進(jìn)行測試，采用試驗方法來測定鋼板的彈性、破壞能力等性能，采用NSWCCD分部壓力箱設(shè)備來測定該鋼板的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。整個試驗裝置放在壓力箱內(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)度時所預(yù)料的那樣。

    5 結(jié)構(gòu)件疲勞試驗

    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，就可以在設(shè)計時考慮更高的疲勞強(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)生破壞時決定的。由于最終將用恒定振幅載荷來預(yù)測航程中的載荷，在HSLA-65焊接接頭評定中也應(yīng)該采用隨機(jī)振幅載荷作為精確地評定預(yù)測疲勞壽命的方法。為了表征焊接HSLA-65鋼的疲勞強(qiáng)度也對簡單的T型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試。

    疲勞試驗接頭結(jié)構(gòu)在長度中部的兩側(cè)連接平板，無受載的側(cè)面連接的全焊透填角焊縫與施加整個反復(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，也對由HSS和HSLA-80鋼做成的類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗。疲勞試驗是在利用液壓夾具的專用機(jī)械上進(jìn)行的。

    對疲勞應(yīng)力幅大小進(jìn)行的測試確定了整個艦船服役期間內(nèi)防止疲勞設(shè)計的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)有助于解決艦船結(jié)構(gòu)老化的維修問題。試驗結(jié)果表明，在整個服役期內(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)度無關(guān)。因此，當(dāng)鋼的強(qiáng)度和設(shè)計應(yīng)力增加時，必須充分注意疲勞設(shè)計以獲得適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)壽命。

    6 格子試驗

    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)問題。當(dāng)整個結(jié)構(gòu)尺寸增加時，為了控制主載荷構(gòu)件的扭曲要對構(gòu)件的尺寸、形狀和長度加以限制。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實驗就可很好地確定。格子測試結(jié)構(gòu)，包括多層縱向和橫向加強(qiáng)件被用來評定災(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)的獨特格子試驗設(shè)備進(jìn)行儀表安裝，測試非平面變形、試驗、分析和擬訂文件等。

    HSLA-65鋼設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)/指南

    HSLA-65結(jié)構(gòu)試驗對板扭曲的設(shè)計標(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驗驗證。這些數(shù)據(jù)支持全面實施無限制地使用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)料問題的風(fēng)險。結(jié)構(gòu)試驗演示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。

    未來海軍用鋼

    HSLA鋼的研究和開發(fā)項目給海軍提供開發(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。海軍在高強(qiáng)度鋼研究上已取得的主要成果是通過冶金手段獲得可焊、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)，已由國外生產(chǎn)改變成國內(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鋼種的要求，而減輕艦艇重量改進(jìn)其防護(hù)性是另一個要求，這將要求合金鋼系統(tǒng)的屈服強(qiáng)度能增加到130-150ksi以此來抵御未來武器的威脅。



 

責(zé)任編輯：王元

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