第五章 船体结构用钢材

第五章船体结构用钢材(4学时)

教学要求：理解CCS关于船体结构用钢的规定。

重点：强度船体结构用钢不同牌号的性能指标。

难点：强度船体结构用钢性能指标测定试验。

教学内容：

随着造船工业的不断发展,造船工业所用的材料，品种越来越多，数量越来越大。例如建造一艘16000吨级多用途集装箱货船，单船体用钢材就需要4600吨，2005年我国造船量为1200万载重吨，消耗钢材400多万吨，由此可见材料对发展造船工业的重要性。

造船材料分为金属材料和非金属材料两大类。

现代船舶的船体结构制造所用材料主要是一般强度船体结构用钢、高强度船体结构用钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢、复合钢板、Z向钢、铝合金、增强塑料等。根据CCS 1998年《材料与焊接》规范和2002、2004年规范修改通报要求，所有金属材料必须从力学性能(强度、塑性、硬度、蠕变)、工艺性能（弯曲、焊接性）、化学成分、脱氧方法、交货状态（热处理）等方面符合规范要求。

第一节船体结构对其金属材料的基本要求

由于船舶工作条件的特殊性和复杂性，因而对制造船体结构的金属材料提出了较高的要求，大致有以下几方面：

一、良好的力学性能

1.强度

强度—金属材料在外力作用下抵抗断裂和变形的能力。

2.塑性

塑性—金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。

3.冲击韧性

冲击韧性—金属材料抵抗冲击载荷和脆性破坏的能力。

4.疲劳强度

疲劳强度—金属材料抵抗外力反复作用下的能力，即在交变载荷无限次作用下不致引起破坏的能力，以бN表示。

5.硬度

硬度—金属材料抵抗比它更硬物体压入表面内的能力。

二、优良的工艺性能

所谓工艺性能是指材料对各种加工方法的适应性。在现代造船中，采用最多的金属材料加工方法是焊接与弯曲。因此，作为船体结构材料必须具有良好的焊接性和优良的承受弯曲加工的性能。

三、良好的耐腐蚀性能

船体结构用金属材料在海水中具有较高的耐腐蚀性能，而目前的一般强度船体结构用钢和高强度船体结构用钢还不能完全满足要求，在海水中的腐蚀都比较严重，据统计碳素钢为0.1毫米/年，含镍合金钢为0.08毫米/年。因此，船舶设计时必须增放腐蚀余量，这就增加了船体自重和材料消耗。

从耐腐蚀观点出发，奥氏体不锈钢和双相不锈钢作为造船材料是比较理想的。

四、要经济可靠

造船材料要成本低、品种多、质量好、保证大量供应。要满足这些要求，必须立足于国内，国产材料应有良好的供应经济性，如船板厚度进级可为o.5毫米，角钢可以是不等边不等厚。也只有这样，才能保证充足的货源，满足我国造船工业的需要。

五、良好的试验性能

船体结构用金属材料只有经过严格的、全面的性能试验，才能保证船舶的建造质量和航行安全。其试验项目包括有：拉伸试验、冲击试验、冷弯试验,脱氧、晶粒度、化学成分检验，焊接认可试验等。这些试验项目的试验条件、方法、内容和目的应根据CCS 1998年《材料与焊接》规范和2002、2004年规范修改通报要求执行。

第二节一般强度船体结构用钢

内河与近海船舶（化学品船除外）的船体结构用钢材，采用一般强度船体结构用钢。根据《钢质内河船舶入级与建造规范》(2002)的规定,将一般强度船体结构用钢分为A、B、D、E四个等级。

A级钢——要求+20℃的冲击试验性能;

B级钢——要求0℃的冲击试验性能;

D级钢——要求-20℃的冲击试验性能;

E级钢——要求-40℃的冲击试验性能。

1.对脱氧和化学成分的要求

船体结构用钢材的脱氧方法和桶样化学成分应符合表5-1的规定。

2.对热处理的要求

钢材的交货状态应符合表5-2的要求。

3.对力学性能的要求

一般强度船体结构用钢的力学性能应符合表5-3的规定。

第三节高强度船体结构用钢

高强度船体结构用钢是普通低合金高强度结构钢中一个重要钢种。随着船舶吨位不断提高,因此就提出了使用高强度船体钢的要求。世界上虽然在民船上高强度钢的使用从1 9世纪已开始，但真正获得应用的还是20世纪60年代。我国国产船舶中江南造船厂制造的“东风”号万吨船上曾较多地使用过高强度钢。1998年我国CCS规范中划分了高强度船体结构用钢的品种。高强度船体结构用钢按其最小屈服点应力划分强度级别，每一强度级别又按其冲击韧性的不同分为A、D、E、F 4级。规范规定适用于厚度不超过100mm的A32、D32、E32、A36、D36和E36等级的钢板和宽扁钢以及厚度不超过50mm的A40、D40、E40、F32、F36和F40等级的钢板和宽扁钢；规范规定还适用于上述等级的厚度不大于50mm 的型钢和棒材。

一、规范对高强度船体结构用钢的要求

规范对高强度船体结构用钢在脱氧方法与化学成分、热处理、力学性能、伸长率方面规定了要求。

1.脱氧方法与化学成分

高强度船体结构用钢均应为经过细化晶粒处理的镇静钢，化学成分应符合表5-5的要求。

2.高强度船体结构用钢的力学性能应符合表5-6的规定。

二、高强度船体结构用钢的特点

1.良好的力学和工艺性能

⑴高强度一般强度船体结构用钢的屈服强度бs=235 N/mm2，而高强度船体结构用钢的屈服强度在315 N/mm2以上;

⑵良好的韧性和塑性为了防止断裂事故和低温下的脆断，高强度船体结构用钢具有较好的伸长率（δ>20%），它在-40℃时的韧性（aK）不低于常温的50%，可以冷弯加工，能在严寒地区做工程结构；

⑶良好的工艺性能作为船体结构用钢，具有优良的加工、焊接性能；

2.良好的化学性能

⑴低碳为了保证较好的韧性、焊接性能和塑性，这类钢含碳量大都在0.20%以下。

⑵低合金以锰为主要合金元素，Mn能推迟奥氏体冷却时铁素体的析出，有效地起到对铁素体固溶强化和细化晶粒。当含锰量不超过1.8%时，在低碳条件下仍可保持较高的塑性及韧性。

铌或钒为辅加合金元素，铌或钒可生成碳化物或碳氮化物。一方面在热轧时阻止奥氏体晶粒长大，另一方面在冷却过程中碳氮化物析出，进一步提高钢的强度。为了提高耐锈蚀能力，还加进适量的铜（0.71～0.5%）和磷（0.05～0.10%）。这类钢具有优良的抗腐蚀的能力。

3.良好的热处理性能这类钢多用热轧并经过正火（或退火），以各种规格的型材或板材供应。通过冲压、焊接制造各种工程结构和零件，一般情况下不再进行热处理。

第四节奥氏体不锈钢和双相不锈钢

能够抵抗大气腐蚀的钢叫不锈钢，通常不锈钢包括耐酸钢和耐热钢。耐酸钢能抵抗某些酸性介质的腐蚀,耐热钢在高温下具有良好的抗氧化性和高温强度。由于耐酸钢和耐热钢同时能抵抗大气的腐蚀，故习惯上也包括在不锈钢内。一般的说，不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢则往往都是具有抵抗大气腐蚀的能力。但耐酸钢也不是无条件的总是不锈的，如铬镍耐酸钢在硝酸和有机酸中有较好的耐蚀性，而在盐酸和硫酸中则容易被腐蚀。又如含铬13%的不锈钢在室温下能抵抗硝酸的腐蚀，而将硝酸加热至沸腾，则这种钢就不耐蚀了。因此，除了钢的化学成分以外，介质的种类、浓度、温度和压力等，对不锈钢的耐蚀性也有很大的影响。

按化学成分不同分: 不锈钢可分为铬不锈钢及铬镍不锈钢两大类。

按显微组织不同分：不锈钢又分为奥氏体型、铁素体型、马氏体型、奥氏体—铁素体型及沉淀硬化型五类。

不锈钢中，奥氏体不锈钢（构件使用温度不低于－165℃）、奥氏体—铁素体型不锈钢(双相不锈钢, 构件使用温度在0℃～300℃之间)比其它不锈钢具有更优良的耐腐蚀性、耐热性和塑性，可焊性良好，是化学品船和液化气体船的液