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MateEriAalS E
安普蒂亚克
Wati G. Babcock，AMPTIAC季刊总编辑
先进材料与工艺技术信息分析中心
纽约罗马
Ernest J. Czyryca生存能力，结构和材料理事会海军水面作战中心Carderock部门
西贝塞斯达, 医学博士
材料在船舶设计和运营中的作用
介绍
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一个安静的湖泊或河流上的运动渔夫选择浅吃水，平底船。深海捕捞包船选择一艘功率更大的大型船底船。一家货运公司选择一个长方形横截面的四四方方的船只。一些容器是焊接钢，而另一些是木材，还有一些是由玻璃或碳纤维增强聚合物制成。所有这些船都拥有相同的基本原则，即保持操作员或货物干燥，使他们能够穿过水体，完成某项任务。但结构，速度，敏捷性，海上养护和整体能力的差异是巨大的。
很明显，航空母舰的任务与巡洋舰的任务不同。但是为什么渔民会选择浅吃水平底船进行低音捕捞呢？这些问题是设计师在建造新船时必须考虑的因素，还有更多。
在本期的MaterialEASE中，我们试图了解船舶设计师在为当前和未来的海军舰艇选择材料时面临的一些最紧迫的考虑因素。虽然我们无法解决造船所特有的所有问题，但我们在此寻求做的至少是与任何船舶设计师必须解决的材料有关的“第一层”考虑因素。这里汇编的信息使得非专业人员可以对造船中一些最重要的材料问题获得基本的认识。
现代船舶不仅使用多种级别的钢材，而且从这一特刊的文章中可以看出，正在努力改变战斗人员的基本材料和结构。随着钢铁取代木材，未来30年可能会看到造船技术最显着的变化。
首先，看看现代船舶。自第二次世界大战以来，焊接钢（所谓的整体式）船体几乎完全取代了所有超过100英尺长的船舶的铆接钢壳。所有这些结构都是用纵向和横向“T”形结构构件的网络制造的，所述结构构件覆盖有板以形成船体形状。所有接头都焊接在一起，所用钢种通常分为三类：中等屈服强度35至50ksi，较高屈服强度约80ksi，最高屈服强度100ksi或更高。
在美国，20世纪50年代规定了高屈服强度的海军钢80和100ksi，其成分与一般工业钢的成分不同。这些“HY”系列钢必须满足显着的韧性和可焊性要求，特别是在低温下，
并被用于核潜艇耐压船体和水面保护的水面船舶的关键区域以及作为“止裂器”。这些要求是由在铆接结构中常见的钢制造的第一艘焊接船发生的灾难性故障所驱动的。HY-80和HY-100最近增加了更新的工业HSLA（高强度，低合金）牌号，这些牌号将满足强度，韧性和可焊性要求，但应该显着降低成本。（有关HSLA钢的更多信息，请参阅本期Czyryca等人的文章。）
海军舰艇中使用的任何钢必须符合海军和造船厂要求的某些标准。金属的基本焊接性，韧性和成形特性必须在施工阶段得到满足。然后还有其他参数决定了船舶的最终性能，例如重量，冲击载荷，振动，极端环境中的断裂韧性和防火性能。由于船舶寿命的这两个阶段受材料性能方面的不同需求支配，我们选择将这一报告划分为这些线。但是，无论是船舶的操作还是施工都不能独立检查，因此应该注意在另一方的背景下考虑每一种。第一部分将介绍现代船舶建造阶段所关注的主要材料问题。第二部分将讨论船舶运行期间最重要的材料考虑因素。
大多数海军船体都是钢制的，除了一些特殊用途的船只，它们有玻璃纤维或木质船体。（这些专门用于减少磁性特征至关重要的任务，例如扫雷。）许多船舶的水线以上结构（称为“上部”）由铝制成，最近一些人使用玻璃增强聚合物（GRP）复合材料。本报告中的大多数讨论都与钢铁有关，除非在其他材料应用的主题上有所说明。
第1节：
与海军舰艇建造有关的重大问题
应再次注意，在施工阶段考虑的任何材料参数都将影响下游的操作特性。例如，将结构焊接在一起所需的时间和程序是船舶建造过程中的主要成本点。
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降低这些成本存在很大的压力，因此金属的可焊性是至关重要的。但是，如果没有仔细进行焊接，它们实际上是一个缺陷的滋生地，因此将严重影响船舶在运行中的服务性能。
强度
任何结构的总尺寸通常是其组成材料强度的函数。在船舶的情况下，通常使用具有30至130ksi的屈服应力的高强度钢。通常，大多数船舶结构由50或80ksi屈服应力钢制成，关键区域根据需要使用更强的等级。较低密度的铝合金可用于顶部结构，最近复合材料也经常在船上找到它们（主要用于顶部结构 - 不常用于船体）。当前的极限承载能力（拉伸和压缩）具有合理的成本效益GRP复合材料将全复合材料船体的长度限制在约200英尺。
整体强度问题的一个更复杂的方面是结构能够完成其预期的工作。例如，如果设计师要求屈服应力为50ksi的0.5英寸厚的板，则可以替换更薄的80ksi板似乎是合适的。船舶结构（以及大多数其他大型结构）从未如此简单。板钢焊接成整体结构，具有互连的I形和T形横截面梁。然后将船体或甲板板焊接到位，形成“格栅”结构。较薄的板（即使具有较高的屈服应力）也会表现得不同，通常比较厚的板更快地弯曲。出于这个原因，需要特别注意整体结构的屈曲模式，并且即使在其特定强度与任务完全匹配时，也经常需要较厚的板。
类似地，容器的总长度决定了其负载特性。在较短的容器（最大约150英尺）内，其结构部件必须在弯曲时表现良好并且坚硬。对于长度超过200英尺的船体，其部件的极限拉伸和压缩性能会接管。虽然复合材料可以制造具有极高强度的能力，但是它们的组件材料和制造成本迅速增长（特别是当选择更多的奇特组件时）。钢结构可以制造成以更加可承受的成本处理两种加载方案（刚度和极限强度，基于长度）。
焊接性
建造钢船需要大量的焊接。成千上万的零件被切割和组装，在接头处需要数英里的焊缝。许多这些关节需要多次通过才能完成。到目前为止，焊接是构建船舶中劳动密集程度最高的部分。船舶结构中的焊缝对其整体强度，耐用性和韧性也非常关键。即使焊件中的小缺陷也会产生相当大的裂缝和最终失效的起始点。
由于需要大量的焊接，以及它对容器结构完整性的重要性，因此严格遵守小心的焊接工艺。虽然HSLA钢需要在焊接过程中注重细节和程序，但HY系列钢需要更多的焊接准备和后处理。在20世纪90年代推动用HSLA等级取代HY系列钢的原因之一是减少了焊接所需的劳动力。通常，任何满足强度，韧性和其他要求的钢种，但是焊接更简单，焊接缺陷的倾向性较低是理想的。合金钢增加可焊性的成本必须与较低可焊性等级相关的焊接工人的额外成本进行平衡。
韧性
除了强度和可焊性之外，韧性是金属结构最显着的特性之一。在造船业中，韧性是结构及其组件材料（板材和焊接金属）的关键特征，因为它们必须能够在一定程度上塑性变形，并且能够承受裂缝和缺陷，同时保持整体结构完整性。由于海军舰艇必须能够在从冰冻的北极到热带热带的各种海洋环境中运行，这显然很复杂。
然而，随着温度降低，钢在韧性方面具有韧性 - 脆性转变。它是钢的温度，加载速率和微观结构的函数。低于每种钢种特定的温度，该材料对灾难性裂缝的生长几乎没有抵抗力。在过渡区域中，动态载荷和应力集中区域中的裂缝或缺陷的组合可以导致通过材料的无阻碍的快速裂缝传播。
对于造船钢，必须选择韧性转变温度低的级别（低于预期的工作温度范围）。对于海军使用的高强度钢，合金化和加工方法用于生产具有极低韧性转变温度的牌号，但同样，这会增加成本并降低牌号的可用性。
海洋腐蚀
远洋船舶旨在用于地球上最具腐蚀性的环境之一，因此，在任何船舶的设计阶段都要仔细考虑腐蚀。设计师和造船厂可以使用各种材料选项，设计策略，涂层和阴极保护技术。
画船可能是海军传统中最强烈的爱/恨关系。这个过程对于保护船舶免受海洋的腐蚀作用是必要的，但这是一项永无止境的任务，需要耗费大量的劳动力资源和时间。当船上的某些东西没有被涂上时，船舶的使用寿命很少。这些涂料不是你在五金店找到的那种材料：有很多
32 AMPTIAC季刊，第7卷，第3期
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不同的配方，每个配方专门设计用于执行船舶周围的关键任务。许多还需要非常严格的表面处理和固化过程，这会增加人力。
从设计者的角度来看，船舶必须以减少腐蚀的方式建造（例如限制水可以收集和滞留的区域），并且还允许在船舶持续时间内持续进行重大的腐蚀预防过程。生活。结构元件必须允许周期性的并且有时经常重新涂覆，并且如果特别易受影响，则一些元件必须允许更换。
已经努力用其它金属如铝或钛代替易腐蚀的钢。这些替代金属提供较低的密度（可以减轻重量）和一些耐腐蚀性，但它们提出了自己独特的问题，超出了本文的范围。简而言之，海洋级铝（5000系列）是唯一的有色金属，耐腐蚀金属，在过去30年中已广泛用于海军舰船作为顶部结构。这主要是因为海洋铝的可用性和相对低的成本，这是商业船员和使用公知的制造和焊接工艺的高速渡轮结构的结果。
成形性
船体形状和格架结构要求组件钢或复合材料形成多种复杂形状。制造钢结构所需的大量焊接也会在成品结构中产生大量的残余应力并且通常会产生不希望的变形。初始成形要求的这种组合与变形板的组装后矫直相结合，要求选择用于船舶构造的钢适合于各种成形过程。与这些成形过程相关的劳动必须与合金化或钢板预处理的成本相平衡，以提高成形性。此外，等级的可成形性影响韧性，可焊性和强度。
复合材料提供了形成更复杂的整体形状的能力，但不适合组装多个子部分。传递结构载荷和适应热膨胀不匹配在大型结构中不是一件容易的事。事实上，连接技术（包括复合材料到复合材料和复合材料到钢材）目前是最具限制性（也可能是最有希望的）开发领域之一。所有这些
在选择过程中必须仔细平衡因素。
可用性
国防部使用的钢约有40-50％用于海军舰艇制造。HY系列钢材专用于海军应用，迫使制造商采用
将生产转移到普通等级并增加生产所需的准备时间。当结合其独特的合金化要求时，这些因素使得HY钢比更常见的工业等级贵得多。最近使用工业标准HSLA钢种的一些努力有助于增加可用钢的有效量，并降低采购成本。
承受能力
目前和可预见的未来，海军舰船材料选择中最紧迫的因素之一是可负担性。随着劳动力成本不断上升并且往往超过原材料成本的增加，这些之间的平衡必须仔细调整并预测材料决策如何影响建筑人工费用。维护和准备就绪的长期成本也必须考虑在内。如果决定需要大量增加建筑工人和/或在30到30年间造成维护噩梦，那么在施工阶段选择最便宜的材料不能算是成功的。平台预计寿命为50年。
传统钢和较新的复合材料各自具有特定的优点。与复合材料相比，钢的购买成本更低，制造成本相对较低，并且维护起来可能更昂贵。在考虑用钢材建造船舶的成本时，必须始终考虑到重复喷漆和减轻腐蚀的长期成本。复合材料的制造成本更高，但可以通过耐腐蚀性降低维护成本。然而，关于复合连接技术的长期维护，引起分层的环境攻击（如水渗透一样简单）以及可能更尚未发现的问题存在疑问。
第2节：
与海军舰艇作战有关的重大问题
一旦船舶进入船队，在设计过程中多年前作出的许多材料选择决定将继续影响其日常运营。
重量
在空气和航天器的设计中，重量是几乎所有材料和结构决策的驱动力。无论成本如何，无论何时重量都可以降低，通常都是如此。较低的重量转化为更大
速度，范围和有效载荷能力，以及通常以燃料需求形式降低的运行成本。
虽然不像航空和航天器那么重要，但船舶减重非常重要。有效载荷，速度和范围的相同经济转换，以及燃料需求的减少。降低船舶的上部重量还有其他好处
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结构，例如通过提高平台在海上航道中的稳定性来提高船舶的海水保持能力。（减少船上的质量使重心保持较低并减少侧倾力矩。）虽然船舶的总重量主要取决于设计阶段的决策，但它们对服务性能的影响最大，包括增长对于船舶使用寿命期间增加或改进的能力至关重要。因此，我们选择将讨论纳入我们的“操作”部分。
目前使用的许多船舶具有铝顶侧结构。虽然这些结构采用现代高强度合金，但采用传统的焊接格架结构，制造方法和设计仍然非常传统。复合材料最近也被用于一些有限的顶部结构，例如桅杆外壳和隔间。（有关船上复合材料的更多信息，请参阅本期Potter的文章。）
最近减少船舶重量的研究工作集中在使用较高屈服应力钢来代替具有较低屈服应力的钢。这使得能够使用更薄的板，从而减轻重量。然而，不能用更薄的材料替换所有结构板，因为屈曲不稳定性成为日益增加的问题。许多研究和实验已经用于研究船舶结构如何用更薄，更高屈服应力钢进行，这项工作无疑将继续下去。
其他创新，如先进的双壳（ADH）寻求用新技术取代传统结构，这些技术减少了所需的金属零件的总数。（有关ADH概念的更多信息，请参阅本期Beach等人的文章。）复合材料已用于长度超过200英尺的船体，并取得了巨大成功。构建复合材料船体的原材料和人工成本对于没有复合材料的特定要求（例如减少签名）的应用来说仍然太高。
断裂韧性
如前所述，断裂韧性是舰船结构钢和焊接金属所需的关键性能。结构构件能够承受与极端温度，桥墩和其他船只的撞击，维护程序，海况以及其他“正常”事件相关的日常严酷性。然而，这些并不是影响准备就绪的最重要条件。海军舰艇也受到敌
资料编号：[5957]
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