国产航母的特种钢到底有多难做？

兵器知识谱 2019-10-03

迄今为止全世界仅3个国家生产的钢板能用于航母制造，都被视作重要的战略物资，不予出口，上图为美国“福特”级超级航母“福特”号首块35吨级特种钢板切割现场。大家好，欢迎关注兵器知识谱，关注原创回答体验不一样的知识分享。建造一艘诸如“尼米兹”7万吨级的大型航空母舰，需用各种特殊品种的大宽厚钢板4万多吨，其中飞行甲板就需要50毫米厚的HSLA-80航甲板母专用钢板约8000吨。这类钢板必须满足以下性能要求：第一、拒磁；第二、高韧性；第三、抗高温和抗低温。下面我们就通过依次了解航母特种钢的性能要求来解答它的生产难度。下图为美国福特级超级航母二号舰“肯尼迪”号的首块高性能合金甲板钢开切仪式，美国造的特种钢依旧是世界上性能最好航母专用特种钢。航母特种钢“拒磁”性能的意义所谓“拒磁”并非不导磁，而是不被磁化或者说抗磁化性能好。钢材的本质是铁，因此会导磁和被磁化，物体的导磁特性通常用导磁率或导磁系数来表示，单位是亨/米（即H/m）。例如常用于电动机制造的专用钢(steel)，其相对导磁率约介于2000～6000H/m之间，高碳钢的导磁率约为7000H/m，而空气的导磁率定义为μ0其值为4πx10^-7H/m，这就是磁铁能隔空相互吸引以及吸引导磁物体的原理。武器专家利用导磁原理研制出专门用于攻击舰艇的磁性水雷、磁性鱼雷等等磁感武器，航母属于大型水面作战平台，如果建造材料不具备优良的拒磁性能，长时间在海里航行后将会被地球磁场磁化，那么航母将变成一个产生巨大磁场的移动物体，增大了对磁感武器的感应敏感性，更容易成为磁感武器的攻击目标，因此航母特种钢的导磁率必须低于500～1000H/米。低导磁率并不代表不会被磁化，这也是航母和其他舰艇必须每隔一段时间就要入港进行消磁作业的原因。下图为正在基地进行消磁处理的俄罗斯20380“守护”级护卫舰。航母特种钢“高韧性”的意义航母特种钢的“高韧性”性能说白了就是不易变形和折断，通常用屈服强度度来表示，比如美国的HSLA-80航甲板母专用钢板屈服强度为300MPa~600MPa，美国建造“福特”超级航母所使用的HSLA115特种钢屈服强度已经达到785MPa。世界上常有许多大型货运船舶在建造时因使用了屈服强度不达标的钢材导致在恶劣海况航行时船体折断，甚至还发生过停靠在港口卸货的船舶发生船体折断的事故。比如2015年7月15日凌晨3：45，武汉一艘名为“鄂团风货226”2000吨级的货运就在港口发生了船体折断事故。下图为发生船体折断事故的货轮。航母属于高价值国防尖端武器装备，是绝对不允许发生船体折断这类事故的，而且航母在回收舰载机时甲板需要承受舰载机每个架次降落时产生的巨大冲击力。比如歼-15舰载战斗机的空重为30吨，在搭载3吨燃油和2吨弹药后飞行重量将会增加到35吨，而降落时则需要保持230公里/小时的速度着舰，此时舰载机的过载将会超过5个G，航母甲板将会受到相当于175吨的力的瞬间冲击，关键是这种冲击力并不是偶然发生，战时每天承受200～300个架次的冲击也是很常见的。其次就是处于防弹性能的考虑，如果钢材屈服强度不达标，极有可能因中弹而引发舰体变形、开裂、折断，从而导致沉没。航母上有价值几百个亿的装备以及5000～6000名左右的官兵，一旦沉没将会对国家造成严重损失，最重要的是国防力量会因此削弱。因而航母在建造时必须使用屈服强度性能优异的特种钢材。下图为准备着舰降落的“超军旗”舰载战斗机，在触舰瞬间航母甲板将承受巨大的冲击力。航母特种钢“抗高温和抗低温”性能的意义抗高温性能是可以很直观地了解到的，比如舰载机起飞前从机尾处升起的挡焰板。喷气式战斗机的发动机尾焰温度最高能达到1800℃，而普通钢材的熔化温度为1500℃，尽管飞机发动机所喷射的尾焰不足以在短时间内将挡焰板加热到熔化温度，但是钢材在高温下使用性能会发生应力松弛、热脆性、热疲劳等变化，所以航母特种钢材必须具备承受1000℃左右高温的能力。马氏体合金钢能够长时间承受650℃的高温，奥氏体合金钢能承受620℃的高温，很明显这两种钢材都不符合航母建造材质性能要求，可见航母特种钢的性能指标是非常苛刻的。抗低温性能也不难理解，钢材的强度是随着温度的降低而下降的，当温度降低至某个临界值（或区间）钢材的韧性就会突然下降，导致钢材变脆。比如45#钢的低温临界点为-20C°，当气温下降到这个临界点以下时钢材将失去应有的强度；当温度下降至-30C°时在重力作用下将会被折断；当温度下降至接近-50C°时它会脆得像甘蔗，徒手都能将其掰断成两截；如果温度下降至接近绝对零度，那么45#刚将脆得像薯片一样。因此航母特种钢对抗低温性能的要求是能在-38℃以内的环境中不发生韧性变化，比如南极、北极等等这样极寒环境，如果抗低温性能不达标，航母在极寒环境中是无法承受舰载机着舰降落时强大冲击的。下图为撞击冰山后在沉没过程中发生船体折断的泰坦尼克号，船体出现折断现象说明该型邮轮所使用的钢材并不符合抗低温性，早在撞击发生之前船体钢材韧性就已经在寒冷的环境中发生变化。要造一种拒磁钢板，那就添加镍、铬等元素制成不锈钢；要造一种只要求高韧性的钢板则添加镍、钴元素制成高强度合金钢；要造一种只有耐高温钢材，那就添加钨、钼元素制成钨合金钢……任何一种单一性能要求的钢材都可以轻松制造出来，但是若要求集拒磁、高韧性、抗高低温性能于一身的钢板就不容易了，因此航母特种钢是一种十分难以生产、十分难以加工焊接、十分珍稀的高性能造船材料。此外，除了美、俄、中三个冶金大国以外，日本、法国、英国的冶金技术也是非常先进的，为何他们也造不出航母特种钢呢？原因在于日本受到成本的制约！航母特种钢虽然属于高性能钢材，但是出于研发难度过大、价格过高、需求量过低（禁止向国外出售）的原因考虑，即使日本成功研发出航母特种钢的生产工艺，研发成功也很难转化为效益。毕竟日本是一个战败国，武装力量以及武器装备的发展受到严格限制，研发航母特种钢自己用不上，又不能卖给海外用户，做这种买卖是绝对亏本的。而英、 法两国目前各自只建造了一艘在役的航母，少量用钢投入大量资金自行研发根本不划算，索性向美国购买反倒省事许多，因此英、法、日这三个具有先进冶金技术的国家也不具备生产航母特种钢的能力。下图为分段建造期间的英国“伊丽莎白女王”号滑跃起飞航母，它的建造材料全部从美国引进。

军武吐槽君 2019-05-13

国产航母所使用的特种钢应该是与辽宁舰一脉相传的，它的难度有多大呢？我们2002年将瓦良格号从乌克兰买回来之后，在大连港口整整呆了五年就没怎么动过，原因就是因为修复航母必须的特种钢材料迟迟得不到有效解决，严重拖延了辽宁舰的改造进度。（锈迹斑斑的瓦良格号）当然了，最终经过了鞍钢集团上下一心的集中攻关，国产航母用钢最终得以突破，我国也成为世界上少数能够制造航母特种钢的国家之一，正是因为材料问题解决，辽宁舰得以顺利服役，国产航母也能够快速建造下水，但是背后的艰辛历程也让人更加理解军工科技人员的努力付出！（焕发新生的辽宁舰）我们了解最多的航母用钢莫过于甲板钢，甲板钢的技术含量在航母特种用钢中算是数一数二的存在。甲板钢需要承受舰载机数十吨机体以数百公里的速度强力冲击，又要被发动机尾焰数千度的高温炙烤，在战时还要能够抵御一定的炸弹爆炸输出，因此其本身材料属性指标就非常高，屈服强度要求至少在500MPA以上，而且还必须有不错的耐高温性能和强度韧性，但是为了减重，厚度又不能超过50毫米，真是蜀道难，难于上青天！而在加工时，因为甲板需要由多块钢板焊接而成，为了在甲板上减少焊缝，增加强度，减少建造周期和成本，因此甲板钢板还要尽量的宽大，一块甲板钢两侧之间的耐压强度偏差还不能超过10MPA，不然很容易导致甲板在使用一段时间后出现凹凸不平，使用寿命降低，甚至威胁舰载机安全。面对这一世界难题，鞍山钢铁集团的员工们基本上是没日没夜的进行攻关，最终在一年半之内就交出了成品！而轧制超大型甲板钢板的世界最大5.5米级四辊可逆式双机架宽厚板轧机也由一重集团研发出来，最终我国制造并轧制出来的甲板钢不仅金属性能优异，并且宽度达到5.5米，长度超过40米，整体技术指标与美国福特级使用的HSLA-115型特种钢不相上下！除了甲板钢，航母上使用最多的就是对称球扁钢，这种钢材主要是用于建造大型船舶的龙骨、加强筋以及修复加固使用，辽宁舰的修复就曾经使用了数百吨的对称球扁钢。球扁钢按理来说不算是一种很高技术的钢材制品，但是由于航母技术指标高出民用好几个档次，而且辽宁舰需要的对称球扁钢形状非常特殊，当时国内并没有专门的生产线和热处理设备，生产此类钢材的技术和经验更是为零，但是当时任务重，时间紧，难度瞬间被拉升好几倍。鞍钢所在的水面舰船科研室经过三个月几乎不眠不休的努力，最终成功保证了对称球扁钢的正常生产和供应，艰难程度不要亚于甲板钢！目前国产航母除了30%技术相对较低的结构钢之外，包括甲板钢、球扁钢、上层建筑结构钢在内的70%关键部位钢材都由鞍钢集团供应。在许多人争相吐槽国企的时候，鞍钢用实际行动证明了自己是国民经济乃至军工行业的中流砥柱！结结实实打了许多喷子的脸！