古代水面战役舰艇和潜艇等战舰为了具有较好的波动性,添加无效载荷、机动性和生活性,要求不时添加采用能加重壳体构造分量的高强度钢板比例。国防部要求海军舰艇建造运用的合金钢和装甲钢约占总量的50%。在舰艇退役进程中,其构造接受着复杂的载荷谱和环境,同时用来制造壳体的构造钢和焊接资料在这些环境中必需具有高断裂韧性。退役进程中的普通动载荷包括波浪载荷、波浪拍击、冲击、振动、在寒带和热带海域的热偏移、船货漂移、飞机的降落与下降以及武器的反作用等。在这些效劳环境下必需确保壳体构造的完好性以使其具有延续抗浪性以及对敌方武器做出疾速的反响。海军AI已经渗透到了生活中的方方面面。在智能交通领域,人工智能技术也正在发挥作用。舰艇的防断性是经过采用构造钢和焊接资料停止壳体拆卸来保证的,使得在这些极端恶劣任务环境中能具有高断裂韧性和许用裂痕。因而,对海军舰艇钢的关键要求,不只要思索强度、可焊性以及冲击载荷作用下的高温韧性,而且还要思索经济性,以便坚持合理的舰艇推销本钱。
HSLA-80和HSLA-100钢
20世纪80年代初期,钢铁厂已经消费了具有优秀可焊性、高温韧性和屈从强度为60~80ksi的高强度、低合金(HSLA)钢板。海军展开了一项开展和检验高强低合金钢的项目,使该合金钢可以不经或增加预热工夫就具有可焊性、高强度、高韧性以及与高屈从钢相等的优质焊缝功能等。该项目研讨的重点是在合理的壳体制形成本范围内加重CG-47级驱赶舰和DDG-51导弹驱赶舰的分量。这个项目标明,改良的ASTMA710A级钢板可以满足最低屈从强度80ksi的要求,在高温下具有高却贝V型缺口冲击能,当采用与没有停止预热处置的HY-80相反的工艺和办法时,该钢板具有优秀的可焊性。因而,HSLA-80钢是ASTMA710钢中最佳的钢种,并且在1984年经过对钢板功能、焊接性以及制造特性,包括构造模型的建造和无损检测进一步评价之后,可证明这类钢板可用于舰艇制造业。据预算,用HSLA-80取代HY-80每吨制形成本可浪费2000~3000美元。其中包括资料、休息力、能耗和检验本钱等。到2001年,大约有40000tHSLA-80用于美国海军水面战役舰艇构造上。
继HSLA-80项目之后,开端进一步的合金开发和鉴定项目,该项目的停止使得准许用HSLA-100来替代HY-100以进一步降低制形成本。HSLA-100也是一种含碳量低,铜沉淀强化钢,合金元素含量比HSLA-80的要高。这种新型钢种具有与HY-100相应的强度和韧性,运用与没有预热要求的HY-100钢相反的焊接资料和工艺时,具有可焊性。HSLA-100的开发由3个阶段组成:(1)合金设计,经过应用实验室规范的加热方式来不时优化设计钢的成分;(2)在钢板厂试消费钢板以到达暂时性标准;(3)停止板厚0.25~3.75英寸的鉴定项目。
HSLA-100钢板和焊件的鉴定包括机械、物理和断裂韧性等功能测定,高约束度下可焊性和焊接工艺范围的评定(那些易于发生少量剩余应力),研讨疲劳功能和陆地环境的影响,以及大型构造模型的制造和评定来验证明验室确定的焊接工艺参数的适用性。依据在评定中演示的功能和可焊性,验证了HSLA-100钢在水面舰艇构造和防弹构造上的使用并用它来取代HY-100制造美国JobnC.Stennis(CVN74)核动力航空母舰以降低制形成本。依据构造的复杂性,估量该舰制形成本可浪费500~3000美元/长吨(2240镑)。在2001年,大约有30000tHSLA-100钢板用在海军水面战役舰艇上(次要用在航空母舰上)。
HSLA-65钢
海军水面舰艇用高强度钢板次要包括屈从强度为50kis(345MPa)的ABSDH/EH-36钢,屈从强度为80kis(550MPa)的HY-80或HSLA-80钢以及屈从强度为100kis(690MPa)的HY-100或HSLA-100钢。虽然舰艇的某些构造要求运用较厚的钢板,但是大少数构造包括船壳板则只需厚度为0.25~1.25英寸的钢板。在水面战役舰艇建造中,还没有对屈从强度在50ksi的HSS钢和80ksi的HY/HSLA-80之间的高强度钢板停止鉴定,也没有制定设计规范。除了舰艇防护板(装甲)外,在舰艇构造中运用高强度钢是为了加重分量和降低本钱进步效益。与用HSS(DH/EH36)钢相比,用HY/HSLA-80只需求用较薄的板和更少的焊接金属。但是,这会招致歪曲发作,因而就需求附加增强件,这就不利于为加重分量而对HY/HSLA-80的运用。此外,HY和HSLA钢板的每吨本钱要比HSS高2倍多而且制形成本也绝对比拟高。
#p#分页标题#e#显然,在HSLA-80钢项目中,屈从强度为65ksi的钢是为供管线和远洋平台运用而研制成的&ldquo地道&rdquoHSLA钢为根底的,它能满足具有高强度、韧性和可焊性的造船钢板要求。这种HSLA钢应用低含碳量和微合金化与热机械加工技术相结合来替代昂贵的添加合金元素和热处置(用这个与依赖于少量合金元素&mdashNi,Cr,Mo,Cu和线外热处置&mdash淬火和回火来取得功能的HY/HSLA-80钢相比)。
海军海上零碎司令部引荐持续开发HSLA-65级钢的方案。这是由于设计研讨(驱赶舰型壳体)标明使用屈从强度为80ksi的钢将遭到限制(由于翘曲限制),而65ksi屈从强度钢可以到达类似的加重分量的目的。对用65ksi屈从强度钢制造的大少数水面舰艇壳体构造,制形成本可以降低,该钢资料和制形成本相似于HSS而且同时可加重分量。对HSLA-65级的候选钢是控轧、微合金化、控制夹杂外形的低碳锰钢,相似于管线用钢API5LX65。
退役寿命,分量和允许的波动性是新一代航空母舰设计的关键功能。一艘具有50年退役期,壳体外形与CVN-68级航空母舰相似的航空母舰,加重分量是很困难的而且费用很高。在退役寿命的根底上,要相对保证进步航母的作战才能和要挟性将会持续添加它的分量。因而必需思索航空母舰构造可以添加分量极限的措施。
用HSLA-65替代HSS将可以运用较薄的板材,从而使每艘舰加重分量估量达1500长吨的程度(最大的加重分量措施可以应用设计的办法)。HSLA-65钢板的本钱大致与HSS相等,其焊接工艺、顺序和焊接资料与HSS相反。对较薄的钢板运用较少体积的焊缝金属也将增加总的制形成本。因而,HSLA-65系列将经济无效地节省分量。
HSLA-65开发和焊接最优化
在20世纪90年代初,当诺斯罗普·格鲁曼公司纽波特纽斯船厂(NNS)探究航空母舰主构造运用经济性好、工业标准的(ASTM)HSLA-65级构造钢时,HSLA-65钢的开发失掉了开展的时机。据纽波特纽斯船厂估量,假如在CVN-76和CVN-77建造中采用这种钢,就可大大加重舰艇的分量。CVN-69级舰的分量逐步添加,将会增加寿命延伸极限。纽波特纽斯船厂提出了一项暂时性的&ldquo污染&rdquo低碳钢规范阐明书,并且经过了ASTM分委员会、海军水面作战中心(NSWC)、美国船级社(ABS)和有关钢铁制造厂等的审查。在1995年年度规范中发布了ASTMA945,它是应用低含碳量,限制硫含量来改善高强度低合金构造钢的可焊性、成型性和韧性的规范标准的。在1994~2000年间,对HSLA-65钢及其焊接功能同时展开了几个次要项目的研讨,以测定它的机械、物理和断裂功能;可焊性和焊接工艺范围的评定;疲劳功能的研讨和陆地环境的影响以及制造特点。对其中一些研讨项目概述如下:
·NNS航空母舰研讨项目对HSLA-65消费性钢板的特性做了表征,并且对CVN-77航空母舰上关键与非关键构造取代345MPa高强度钢的能够性停止了评论;
·海军研讨署的陆地用资料项目评定了依照ASTMA945消费的65级(HSLA-65)钢板的强度、韧性、疲劳功能和可焊性,其焊缝用高强度钢型焊接资料制造。HSLA-65焊接的开发研讨,确定了高强度级焊接资料的功能要求;鉴别可进步HSLA-65焊接韧性的焊接资料以及在高热能下表征HSLA-65热影响区的韧性;
·海军研讨署的制造技术项目表征了具有经济效益的可替代产品HSLA-65焊材应用典型的船厂焊接工序时,金属极气维护焊、埋弧焊、药弧焊以及溶剂芯电弧焊等的特征。审查了船用高强度钢(DH-36,EH-36)建造时的制造办法(火工矫直,热/冷成型,焊后热应力消弭)对HSLA-65钢及其焊件功能的影响。本项目集中于HSLA-65焊接资料和工序的最优化;焊接接头功能的剖析以及在苛刻任务条件下HSLA-65焊接接头功能的鉴定。
美国国际钢板厂依照ASTMA945为这些项目提供了板厚为0.25~1.25英寸的65级钢板。依照ASTMA945对一切钢板的消费办法(控轧,淬火和回火,热机械加工和减速冷却)停止了评定。表1归结了海军研讨署和纽波特纽斯船厂有关HSLA-65钢和焊件项目所取的研讨效果。
表1海军研讨署和NNS对HSLA-65项目的研讨效果
项目
内容
1
#p#分页标题#e#美国国际一切钢厂消费的钢板都满足ASTMA94565级钢的化学成分、拉力功能和冲击韧性的要求,全部钢板都满足或许超越海军水面战役舰艇构造规则的在-400F下,最低CVN&ge70(ft-Lbs)的要求;
2
一切钢板采用的成分和加工工艺以其他工业用钢为根底(不扫除军用型钢板),诸如HY/HSLA-80或HSLA/HY-100钢板;
3
舰船建造办法,诸如冷成型,火工矫直,焊后应力消弭都是与采用高强度钢(DH-36,EH-36)相反工艺时异样的加工温度限制;
4
大少数70系列焊接资料规则的屈从强度比HSLA-65钢要低(低婚配屈从强度焊缝);但是,实践上,大少数焊缝金属屈从强度和抗拉强度最终足够使HSLA-65钢板基体发作毁坏;
5
HSLA-65的可焊性等于或优于高强度钢(DH-36,EH-36);
6
HSLA-65焊接构造件断裂韧性实验出现延展性,高的裂痕允许量,在-200F任务温度下显示高的抗脆性(焊缝在-400F下韧性超越20ft-lb);
7
几种70系列焊材(依据钢板化学成分和焊接工艺决议)制成的焊缝,显示出具有良好的CVN(在-400F下超越25ft-lb,它被海军设定为水面战役舰艇的功能目标要求);
8
HSLA-65对接和十字接头的高周疲劳功能,它的十字局部相似一拉丁十字,都在高强度钢和HY80焊接形态接头实验后果的分散度范围之内;
9
用70系列焊接资料制成的HSLA-65板焊缝爆炸鼓胀实验的厚度减薄率超越HY-80钢,而且在裂痕源爆炸鼓胀实验也出现很好的功能。
HSLA-65零碎认证
对HSLA-65钢板和应用高强度钢焊接工艺顺序和焊接资料的焊件停止的检验和剖析标明,这种系列资料的功能和特征是可以满足水面战役舰艇构造要求的。它与HSLA-80,HSLA-100同时停止研制资料功能和特性的评定,并足以支持海军水面非次要构造件用HSLA-65钢零碎的认证。但是,必需对其停止构造疲劳、板歪曲、侧向压力、部分不波动性以及短柱和格子实验来验证设计规范和在主构造上全部应用HSLA-65高强度钢的优点(格子普通由纵向和横向增强的板衔接而成)。
检验构造用HSLA-65
HSLA-65钢构造功能和波动性的检验和评定集中在HSLA-65构造行为的六个方面:①焊接构造紧缩功能;②增强件的部分波动性;③板的歪曲;④板的正面变形;⑤疲劳强度;⑥格子强度。目前由于缺乏这些方面的数据而阻碍了HSLA-65在水面战役舰艇主构造的无效使用。
由于新型航空母舰非常需求加重分量,所以树立了鉴定HSLA-65钢作为水面战役舰艇主壳体构造使用的全部构造评价项目并且已在2002年完成。研讨重点集中在预定使用的苛刻条件以获得数据库和普通构造用认证的牢靠性。这也会增加舰船设计中运用新型65ksi屈从强度钢的风险。由构造实验来验证HSLA-65板歪曲、侧向受压才能、构造疲劳、构造件的波动性和格子功能等设计规范对主构造的证明和HSLA-65零碎设计是很有必要的。一旦证明HSLA-65可以在水面战役舰艇上运用,则它的潜在效益能够超出海军航空母舰的使用范围。可意料这种资料将会进一步用在DD(X),LPD17和LHA(R)级等舰上。
此外,分量的加重将由HSLA-65组合(焊接)型材替代效率低的高强度轧制型材。没有厂家消费造船用的高强度轧制型材,而且这种型材根本上都是特大尺寸的。但是HSLA-65组合型材可以设计和制成满足强度要求的尺寸从而加重舰艇的分量。此外,制造和装置本钱将由于增加大型轧制型材公差误差而降低,这种误差会惹起拆卸中的装置成绩。要将HSLA-65钢组分解T型(两块平板焊接成T型-横截面外形)的设计规范必需使各尺寸成比例以避免法兰和腹板的部分歪曲。在认证进程中,停止了特殊构造元素测试替代极端恶劣环境下的组合型材来获取数据和支持焊接HSLA-65钢成型件的设计规范。
1构造功能圆柱体实验
在紧缩载荷下的构造件的波动性实验根本上用线弹性公式来定量表达,它只仅对应力在应力-应变曲线上的原始线弹性范围内才适用。舰船构造根本上依照接近屈从强度的应力点避免歪曲超越比例限来停止设计的。(比例限是应力不再与应变成线性比例关系的一点)。为了预测非弹性歪曲,采用比例限和屈从应力来校正线弹性歪曲公式和阐明非弹性效应。
对很短的由HSLA-65I-梁组成的分段停止一系列的紧缩实验。I-梁的法兰和腹板是成比例的,以避免部分歪曲,而试样的总长做成足够短以避免圆柱歪曲。由于存在纵向填角焊缝惹起剩余应力和制造惹起非立体变形,测量了制成的HSLA-65I-梁的变形,然后加载到发作严重塑性变形后呈现毁坏。记载加载-变形曲线显示初始线性的偏移点构造比例极限。用这些后果校正非弹性行为的弹性歪曲公式。与HSS和HSLA-80相似的I-型梁实验所得的数据相比,就可确定HSLA-65构造设计的任务应力的相应平安系数。
2部分非波动性实验
#p#分页标题#e#舰船钢构造的组合T-增强件需求法兰与腹板有适当的宽-厚比(b/t)以防止在紧缩载荷下的部分歪曲(即避免增强件的法兰和腹板歪曲)。疏忽这种生效方式能够招致各个构件承载才能增加发生更严重的歪曲生效。在HSLA-65I-梁组合的分段上做圆柱实验,该梁短到足以避免圆柱歪曲的发作,但是当板歪曲形式占主导位置时,该梁又长到足够消弭长宽比的影响。法兰和腹板的尺寸要设计成具有相反的波动性,以此来满足上限强度,即法兰不能波动腹板,而腹板又不能波动法兰。在每端焊接端盖可将载荷很好的传递到梁上。圆柱上装置应变和位移片以保证载荷的平均散布以及确定歪曲的发作和歪曲后的行为。对4种宽厚比的I-梁停止测试,测试办法与测试HSS和HSLA-80钢相似。HSLA-65显示的构造行为和极限强度正如所意料的,跟HSS和HSLA-80之间的屈从强度相似。HSLA-65钢构造行为的剖析给HSLA-65板增强件设计提供了宽厚比极限的实验根据。
3板歪曲实验
舰船构造简直完全由直角增强板组成。板材和增强件都必需设计成可以接受任务载荷。在舰船面板四周焊接增强件或与左近的面板焊接。焊接惹起的剩余应力,它能够会严重影响面板的强度。板歪曲普通用板的宽厚比参数表征,这些参数是宽厚比率、屈从强度和弹性模量。为了设计,假定面板边缘是复杂支撑的,而且在平均添加紧缩边缘载荷上面板首先歪曲,然后直到最终发作压溃时发生歪曲后强度。对用不同宽度的面板经过边缘焊接并在轴向加载使得在超出宽厚比范围内发作歪曲行为的HSLA-65面板停止了功能评价。在面板上装置了应变片和位移传感器以测定歪曲的发作和追踪每块面板发作歪曲后的行为。HSLA-65面板的板格测试后果与海军舰船为避免板歪曲和极限强度所运用的曲线比拟相符。
4正面压力实验
舰船壳体构造的大少数板格是依据接受不同数值的侧向压力停止设计的,它们与吃水、压载、燃料和浮动条件的变化有关。此外,某些构造件(例如,壳板和壁板)是依照接受侧向载荷设计的,以使它能够使板接受某种水平的永世变形。设计指南曾经开展到采用校正要素(称为&ldquoC-要素&rdquo)来确定板最大的宽厚比,给出板的长宽比和作用在板上的静压头。
对HSLA-65板停止测试,采用实验办法来测定钢板的弹性、毁坏才能等功能,采用NSWCCD分部压力箱设备来测定该钢板的C-要素。圆柱安装是用柱面一端有增强件的厚板形成的。HSLA-65实验板与圆柱的内径和增强件焊接在一同。圆柱的另一端用厚圆板盖住。整个实验安装放在压力箱内,逐步添加和增加压力以树立永世变形和施加压力之间的关系。应变片和位移传感器测量了板的反响和永世性安装。在搜集足够的数据后,就可测定HSLA-65板的C-要素,添加压力不断到达最终坚持压力。在这种压力下,在板材边缘的增强焊缝处发作了剪切毁坏。对HSLA-65面板在侧向压力下树立的C-要素正如钢在屈从强度时所意料的那样。
5构造件疲劳实验
运用HSLA-65钢将取得比HSS接受更大应力和更薄尺寸的构造。当主构造和辅佐构造遭到循环应力作用时,就可以在设计时思索更高的疲劳强度。焊接构造件的疲劳强度由在恒定振幅的循环应力作用下的具有代表性的焊接接头呈现疲劳裂痕发生毁坏时决议的。由于最终将用恒定振幅载荷来预测航程中的载荷,在HSLA-65焊接接头评定中也应该采用随机振幅载荷作为准确地评定预测疲劳寿命的办法。为了表征焊接HSLA-65钢的疲劳强度也对复杂的T型构造停止了测试。
疲劳实验接头构造在长度中部的两侧衔接平板,无受载的正面衔接的全焊透填角焊缝与施加整个重复载荷振幅的轴方向垂直。这种构造代表在舰船构造中的焊接件的盛行,也对由HSS和HSLA-80钢做成的相似构造停止了实验。疲劳实验是在应用液压夹具的公用机械上停止的。
#p#分页标题#e#对疲劳应力幅大小停止的测试确定了整个舰船退役时期内避免疲劳设计的数据。这种数据有助于处理舰船构造老化的维修成绩。实验后果标明,在整个退役期内,HSLA-65焊件的疲劳功能可以与HSS和HSLA-80焊件的疲劳功能相媲美。焊件的疲劳强度与T型焊缝凸缘的应力集中有关(焊缝的几何外形)而与钢的屈从强度和抗拉强度有关。因而,当钢的强度和设计应力添加时,必需充沛留意疲劳设计以取得适当的构造寿命。
6格子实验
如前所述,舰船构造普通包括纵向和横向增强板。前述实验旨在理解部分构造的功能,诸如在增强件之间板的承载才能,增强件的法兰和腹板单元的比例和焊接件的疲劳强度。但是,在设计更大的普通构造前,必需理解像那样的部分构造成绩。当整个构造尺寸添加时,为了控制主载荷构件的歪曲要对构件的尺寸、外形和长度加以限制。由于歪曲模型互相作用的复杂性以及因制造惹起的初始变形和剩余应力的影响,大型构造的最终承载才能经过实验就可很好地确定。格子测试构造,包括多层纵向和横向增强件被用来评定灾难性的歪曲生效形式并确定了避免最终毁坏的平安极限。格子实验运用的是8×24英尺的构造,其中包括3块舱室隔板,由纽波特纽斯船厂制造。由NSWCCD室内的共同格子实验设备停止仪表装置,测试非立体变形、实验、剖析和拟订文件等。
HSLA-65钢设计规范/指南
HSLA-65构造实验对板歪曲的设计规范、侧向受压才能、构造疲劳、构造的波动性和格子功能提供了实验验证。这些数据支持片面施行有限制地运用HSLA-65作为主壳体构造并且增加舰船在建造和退役中存在的未意料成绩的风险。构造实验演示HSLA-65零碎(基体资料和焊接构造)的片面功能以便在现有规范和指南下依照所意料的条件下运用。
将来海军用钢
HSLA钢的研讨和开发项目给海军提供开发用低本钱钢取代HY钢零碎和较高消费率的新型高强度焊接产品的时机。海军在高强度钢研讨上已获得的次要效果是经过冶金手腕取得可焊、韧化的构造钢而不再遭到自20世纪60年代以来HY系列钢的本钱和焊接的限制。
以前遭到限制研讨的先进超低碳钢冶金零碎和加工技术,已由国外消费改动成国际工业消费了。随着成熟的热金属处置、微合金化、改良钢坯消费、热机械控制轧制和在线冷却的共同作用,能够失掉屈从强度为150ksi的固有可焊合金钢板。
先进的HSLA冶金零碎,钢板加工技术和高强度钢的先进衔接技术将持续成为21世纪海军研讨和开发的一局部。可以意料&ldquo下一代海军&rdquo舰艇的功能要求是进步对钢种的要求,而加重舰艇分量改良其防护性是另一个要求,这将要求合金钢零碎的屈从强度能添加到130-150ksi以此来抵挡将来武器的要挟。