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用2200兆帕的钢造潜艇能下潜多深,中国研制出多种新型舰用钢材

2019年5月3日 - 军事资讯
用2200兆帕的钢造潜艇能下潜多深,中国研制出多种新型舰用钢材

问题:用2200兆帕的钢造潜艇能下潜多深?

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驶离码头的中国海军最新型常规动力潜艇。

回答:

  本报记者 钱晓虎 特约通讯员 乔燕飞

首先来说,如果能容易焊接又便宜好用的话,那耐压壳采用屈服强度2200兆帕超级钢造出来的潜艇,其潜深肯定是肯定要比现在主流的核潜艇深的多。
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▲美国弗吉尼亚级采用屈服强度550兆帕的HY-80钢最大潜深300米。海狼级采用屈服强度690兆帕的HY-100钢最大潜深600米,那如果采用屈服强度2200兆帕的超级钢造耐压壳的话,潜艇潜深最少也可以超千米。

  从工业革命开始,钢铁就成了战舰最亲密的“盟友”。一艘艘威武的战舰在大洋上劈波斩浪,是钢材撑起了它不屈的脊梁,也是钢材为它们穿上了一件件“钢盔铁甲”。

但问题在于宝钢所研制的这种2200Mpa超级钢,但底指的是什么特性?
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▲2017年该材料首次被大规模宣传,是因为当年顶级学术期刊《科学》杂志上对它的报道,该报道的原文称这种超级钢拥有2200Mpa的屈服强度和16%的均匀延伸率,同时成份简单可以用热轧、冷轧、热处理等常规工业工艺加工,如果这么看着的话这种“超级钢”明显是极好的,不仅屈服强度卓越而且加工简单、成本低廉。

  然而,你可曾想到,两百多年来,军用钢材的发展脚步从来没有停止。那些看上去形色单一、毫无生命迹象的舰艇用钢,竟有几十个型号、上百种规格,它甚至决定着舰船装备的升级换代。

但是在这篇文章之前,2006年3月由钢铁研究总院、结构材料研究所、先进钢铁材料技术国家工程研究中心等单位共同撰写的《2200Mpa超级高强度低合金钢的组织和力学性能》和2007年2月《镍含量对2200+MPa超级高强度钢力学性能的影响》中,对“超级钢”的主要力学特性都形容为“抗拉强度”。
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▲在《镍含量对2200+MPa超级高强度钢力学性能的影响》一文中明确提到:“低合金超级高强度钢在4130、4340、D-6ac和6150的含碳量依次递增,205℃回火后其抗拉强度分别为1550MPa、1980MPa、2000MPa和2050MPa,伸长率分别为11%、11%、8.9%、和1%,降低回火温度会使抗拉强度更好,当抗拉强度突破2000MPa,塑韧性明显下降,无法应用”……而本研究“拟将中低合金超高强度钢含碳控制在0.5%左右,采用真空感应冶炼、电渣重熔等先进冶炼技术,有效减少钢中的S、P杂质和O、N等气体含量,提高其韧性,同时通过选择合适的回火温度,控制韧性相-残留奥氏体在回火过程中的转变,达到较好的韧性配合,探索出强度为2200MPa级塑韧性较高、成本较低的中低合金超高强度钢。”

  前不久,记者走进某大型钢铁企业,就此话题采访了海军某办公室高级工程师邵军。

所以宝钢的这种2200MPa的“超级钢”,很可能指的是抗拉强度,而不是潜艇必要的屈服强度,当然,也不排除在经过10余年的发展之后,宝钢将这种超级钢材的屈服特性提高的可能。

  ●钢材也有“升级”压力

其实现在潜艇用钢不一定非要用那种性能极致的钢材,就像前文中所说的那样,美国在冷战末期开发的海狼级用的是屈服强度690兆帕的HY-100,但是其后来研制的弗吉尼亚级就采用550兆帕的HY-80了,这是因为HY-80相对来说加工难度更低,成本也更便宜,所以在用合适的钢材去匹配合适的潜艇,这才是最好的选择。
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▲潜艇耐压壳的焊接一直是潜艇制造的难题,很多“超级钢材”在焊接时必须用惰性气体保护焊接,所以成本非常高,目前全世界除了俄罗斯利用前苏联遗产可以对潜艇分段整体焊接、整体探伤以外,还没有人能“烧钱”到这个地步。

  记者:能不能简要介绍一下军用钢的发展情况?

不过我国核潜艇用不用这种2200Mpa的钢材,都不影响我国开发这种钢材的意义,毕竟我国能拥有这种2200MPa的“中低合金超高强度合金钢”,本身就已经是非常了不起的一件事,而且技术是相对发展的,未来也不排除我国在此基础上,可以开发出便宜、好用的高屈服强度合金钢的可能!

  邵军:舰用特种钢材料具有批量小、规格多、要求高的特点,决定了各国舰船材料体系的发展原则一般都是:改进提高现有材料和发展新材料并举。为了不断满足舰船对船体钢的更高要求,世界各国都对现有成熟钢种不断改进提高,进行深化完善的研究工作。如美国HY80/100钢,自50年代研制成功以来一直在进行改进提高的研究工作,目前已修订标准11次,对技术指标要求、冶金工艺方法、化学成份分档、钢板厚度规格、钢中夹杂元素及冶金质量控制等方面不断完善,精益求精。

回答:

  我们国内在这方面也做了大量的工作,通过先进冶金技术及多种技术途径,促进了船体结构钢及配套材料技术进步。如:某船体钢实现了由模铸提升为连铸供货,板厚度规格范围扩大,并实现了全厚度等强匹配,提高了舰船结构安全性,有效减轻结构重量,大幅缩短生产周期,并已应用于海军舰艇的建造,为我军实现船体材料的升级换代奠定了技术基础。

我国近期研发成功了屈服强度为2200兆帕的先进钢材,可用于潜艇的建造等方面,目前,世界上顶尖的潜艇耐压壳用钢也才1100兆帕,我国的新兴超级钢材的屈服强度是其二倍,因此潜艇的下潜深度大大增加。

  ●高强度是永不停止的追求

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  记者:军用钢的高强度是它的一个传统特色,近年来有什么新的进展?

图为苍龙级潜艇结构图,实际上苍龙级的耐压艇体也不是一种钢材制造的。

  邵军:高强度是各国军用钢的共同追求,从来没有停止过。国际上,一般用“屈服强度”来表示船用钢材的强度特性,计量单位为MPa(兆帕)。

但是潜艇究竟能够下潜多深并不是看他使用的强度最大的钢材,而是看他耐压艇体上使用的钢材中屈服强度最小的那一个,毕竟潜艇的耐压艇体也不是用一种钢材制造的嘛,2200兆帕的钢材使用确实可以提高潜艇下潜深度,但是也不会逆天的高,木桶原理还是存在的。以日本的苍龙潜艇为例,他采用了NS110和NS80两种高强度钢材,其中大部分用的是NS80钢材。

  以国外航母为例,航母甲板需要承受飞机起降的巨大冲击力以及燃气冲刷、爆炸冲击等极端复杂的服役环境,技术要求很高,强度级别和厚度大大高于一般船体结构钢。美国航母大量采用690MPa级高强钢作为航母甲板用钢,新近又研发了强度级别785MPa级的HSLA115钢,已经开始在新型航母——福特号上试用。

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  为满足大潜深潜艇(500-600m)主船体的建造要求,俄、美、日等国已采用了屈服强度为900MPa~1080MPa级超高强度潜艇耐压壳体用钢。美国研制的HY80钢、HY100钢、HY130钢、HSLA100钢等应用于舰艇制造的高强度低合金钢,最高强度达到900MPa,被美国政府作为战略物资,不允许擅自出口。日本90年代开发的NS110钢屈服强度已达到了1080MPa级,俄罗斯研发的АБ系列钢最高强度甚至达到1175MPa级。

图为我国海军039B潜艇,他上面使用的钢材屈服强度最大的为1000兆帕。

  我国的舰用特种钢研制也达到了相当的技术水平,某型艇用耐压壳体用钢采用了国际先进的合金设计和生产工艺,不仅强度高,还具有高韧性和耐海水腐蚀性能。

NS80钢材的屈服强度是780兆帕,但是日本之所以大量选择屈服强度略小的NS80主要还是因为NS110实在是不好加工。为了把这种高强度的钢材焊接到一起,需要研发先进的焊接技术,比如激光焊接、爆炸焊接等,但是这些焊接技术用起来成本高,对技术人员的要求很高,并不利于潜艇的规模化建造,与其追求极致的性能,倒不如把武器造成可以量产、有成本优势、经得起消耗的武器。

  ●焊接性是各国面临的难题

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澳门新萄京 ,  记者:焊接性能是不是也是钢材研制过程中的一个难题?

图为我国新钢材研发成功的论文。

  邵军:的确是这样。通常,随着钢的强度级别的提高,钢中合金元素增多,钢的碳当量和裂纹敏感性也随之大幅增加,这使得钢的焊接变得十分困难。如何兼顾高强度舰船用钢的强度和焊接性,已成为船体结构钢设计的一个关键因素。

而且先进的钢材研发成功后,一般也不是优先供应到潜艇这样的领域,用得上高强度钢材的地方很多,比如桥梁、铁路、机械、机车等涉及到国计民生的方方面面,如果把新研发的还未大量生产的钢材就用到不一定何时才能用上的潜艇上,确实也是一种浪费,也是不提倡的。应该优先保障经济社会发展的重点领域使用。

  从上世纪八十年代开始,以美国海军为代表,逐渐开发、应用了新一代高强度易焊接舰船用钢——HSLA系列船体钢。

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  从冶金学上来讲,新一代船体钢与传统调质型高强度船体钢完全不同,它是以低碳铁素体钢或超低碳贝氏体钢为基础发展起来的。该系列钢合金设计具有如下特点:为了保证优良的焊接性和良好的低温韧性,钢中碳含量明显降低。Cu是该钢中最主要的强化元素。通过时效处理析出细小弥散的ε-Cu颗粒,产生强烈沉淀强化,弥补了降碳引起的强度损失。由于碳当量的降低,这类钢的某些高强品种甚至可以实现0℃焊接不预热,大大简化了造船工艺,缩短了造船周期。

高屈服强度钢材用途广泛,也不仅仅是军事领域,图为港珠澳大桥,他的拉索就要使用高屈服强度钢材。

  该系列钢在保证高强度、高韧性的前提下,具有很好的焊接性能,已经用于航母、巡洋舰、驱逐舰等大型海军装备的建造。

而且,我国的2200兆帕钢材也才刚刚研发成功,目前也没有应用到潜艇上,我国用在潜艇上屈服强度最高的钢材同样是1100兆帕,不过也是近几年才开始,从最新一批次的039B和093BG型潜艇上才出现的,过去还是以屈服强度700兆帕左右的钢材为主,所以目前也不会清楚用了2200兆帕新型钢材后潜艇下潜深度能够提升多少。

  ●隐身化是一种发展趋势

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  记者:能不能谈谈新型军用钢的发展趋势?

图为039B型潜艇的改进型,该潜艇目前是我国海军最新型的常规潜艇。

  邵军:我们都知道,一般钢铁都带有一定磁性。磁性对军舰来说是非常不利的。因为这容易被敌方磁力探测仪侦测到,或受到敌方磁性水雷等武器的打击。所以舰艇均需消磁,以防止磁性水雷或者通过磁力探测到军舰。我们经常可以看到这样的场面:很多军舰在坞内或码头上被电缆“五花大绑”,这是在进行通电消磁作业。

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