厚度不到5厘米，航母甲板如何承受几十吨冲击力？

　　出品| 网易新闻

　　作者| 一闻，钢铁行业研究人员

　　作为“海上霸主”，航母的核心作战武器是舰载机。而航母甲板不仅要承受二三十吨重的舰载机高速起降时的强烈冲击，还要承受喷气式飞机2000多度尾焰的灼烧，同时还要具备一定的防弹能力。

　　与此同时，航母的船体结构又决定了甲板厚度不能太大，以便减轻甲板重量，降低航母的重心，保证船体的平稳，这对航母甲板用钢材提出了极高的要求。

　　说出来你可能不信，经过几十年来的不断升级，使用超高强钢制造的主力航母甲板厚度已经不足5厘米。

　　（一）航母甲板用钢：1平方厘米承受8吨冲击力

　　建造一艘航母需要的钢材种类繁多，但是基本上可以分为船体板、装甲板及结构板三大类。其中，航母用钢板要求最高的是用于甲板、隔仓和船体结构等的结构板，尤其是甲板，要求极高。

　　一般来说，甲板用钢要具有高强度、大板面、拒磁、高韧性、抗低温（零下38℃）、高断裂韧性、耐高温不变形、抗腐蚀、防弹的特性。

　　这与甲板的工作环境特点密切相关：承受战斗机起降的强大冲击和高温灼烧、防止被磁性水雷攻击及磁力探测发现、抵御海水腐蚀、保证飞机升降的质量、抵御炮弹和炸弹的轰击。

　　（辽宁号航母甲板）

　　到今天，世界上能制造航母甲板用钢的只有美国、日本、法国、俄罗斯、中国等少数几个国家。

　　航母用高强度结构用钢已经从最初的HTS钢（High Tensile Steel,高抗拉强度钢）及HY钢（High Yield,高屈服强度钢）发展到现在的HSLA钢（High Strength Low Alloy,高强低合金钢），钢材性能实现了跨越式提升。现在全球现役航母用高强钢主要是HY和HSLA两大系列。

　　HY钢共有HY-80、HY-100和HY-130三个品种，屈服强度分别为550MPa、690MPa和890Mpa；HSLA钢共有HSLA-65、HSLA-80、HSLA-100和HSLA-115四个品种，屈服强度分别为449MPa、549MPa、689MPa和795Mpa。美国最新的福特号航母甲板使用的就是HSLA-115钢，强度达到795Mpa，相当于一平方厘米的钢板上可以承受近8吨的冲击力。

　　与HSLA系列钢相比，传统的HY系列高强度航母用钢都是在低碳低合金钢的基础上，通过采用调质热处理工艺获得低碳回火马氏体组织来达到高强度、高韧性的性能。为了确保较厚规格钢板具有足够的淬透性，钢中通常需要添加较高含量的Ni、Cr、M等合金元素。钢的强度级别要求越高，碳含量就越高，焊接就变得更困难。

　　但是，随着超低碳、超纯净钢冶炼、微合金化及控轧控冷等冶金技术的发展，不需预热或者只需较低温度预热就能焊接的HSLA系列钢横空出世。因此，用HSLA钢代替HY钢可以减少甚至取消焊接预热，从而降低航母建造成本，提高作业效率。

　　（HSLA 和HY钢的化学成分(w/%)及性能）

　　（二）“世界轧机之王”：让中国航母用上国产钢板

　　航母建造过程中，三分之一的工作都是焊接钢板。

　　为了尽量减少焊缝，节省建造时间，同时也增加甲板强度，航母甲板用钢要求单块板的面积越大越好。

　　对于这种超宽、超长、超厚钢板，力学性能要求的苛刻程度却没有任何降低，800Mpa级的甲板用钢头和尾的强度偏差不能超过10Mpa，在零下84℃，冲击韧性要达到250焦以上。

　　由于要同时满足诸多严苛的要求，航母甲板用钢目前全世界仅5个国家能够生产，而且这些钢都被视作战略物资，不能出口。因而，航母要国产，首先要实现航母用钢的国产化。

　　其实，早在对“瓦良格号”航母（“辽宁号”的前身）进行修复之前，中国就开始了相关航母用钢的研制工作，不过初期主要精力集中于“瓦良格”号修复用钢的开发生产。直到首艘国产航母建造提上日程后，中国钢铁企业开始了航母甲板用钢的研发，并在2013年实现成功生产。

　　国产航母甲板用钢由世界最宽的轧机——5500mm轧机生产。这套“轧机之王”拥有高达10万吨的下压轧制力，可以轧制宽度5.5米的钢板，轧制长度可达40米以上。从这套轧机里生产的甲板用钢，是常规钢板的4倍大小。

　　（世界最宽的5500mm轧机）

　　（5500mm轧机轧出的大型宽厚板）

　　根据网络上流传的中国首艘国产航母甲板焊接图片，甲板焊接时气温15℃、钢板需要加温到128℃焊接。仅从焊接要求的温度推测看，钢板应该是HY-100或HSLA-100（HY-100钢板需预热至51.7～149℃，HSLA-100钢板厚度大于25.4mm时焊接工艺与HY-100钢相似），属于航母用钢中的高端产品。

　　目前，除美国在建航母“福特号”甲板使用HSLA-115以外，其他航母甲板用钢均为HSLA-100及以下品种。这也表明中国航母甲板用钢在短时间内已经跻身世界先进水平。

　　（首艘国产航母甲板焊接图片）

　　（三）航母用钢发展趋势：高质、减重、省钱

　　拥有一艘航母是很多国家梦寐以求的追求，但是航母建造的复杂程度让绝大多数国家高不可攀，而动辄几十亿美元的造价更让人畏而却步。

　　到现在为止，全球仅有美国、英国、中国、俄罗斯、法国等10个国家拥有航母，另外韩国、日本等国拥有准航母。

　　（世界上最贵、造价高达150亿美元的航母——福特号）

　　随着现代战争强度的不断提升，航母的战斗性能需要持续升级。

　　这对航母用钢提出了三方面要求：一是高质量，强度、韧性、焊接性、耐腐蚀等性能要越来越高；二是减重量，通过降低单位载重用钢量，降低船体中心，提高航母稳定性和机动性；三是降费用，缩短建造工时，节省制造材料，降低航母建造支出。

　　纵观历史，航母用钢之前的发展趋势也一直遵循上述三个原则。以美国为例，20世纪80年代前建造的“尼米兹”级航空母舰舰体主要采用屈服强度为550MPa的HY-80高强度钢，装甲结构采用屈服强度为690MPa的HY-100超高强度钢；20世纪80年代中期以后建造的“尼米兹”级航母主要结构材料改为HSLA-80和HSLA-100高强度低合金钢；21世纪最新一代航母则开始使用屈服强度达到794Mpa的HSLA 115钢。

　　（HSLA-80/100钢在美海军舰艇中的累积用量）

　　根据美国海军的统计，排水量10万吨的核动力航母需要5万吨以上的高合金钢。在这样一艘大型航母上，使用HSLA-115钢材取代HSLA-100，可以减重至少400吨，其中关键部位舰岛部分可以减轻100-200吨。

　　这一方面可以在保证航母性能的前提下，有效地降低航母重心；另外一方面也可以节省大量钢铁材料，减少焊接工作量，缩短建造时间，降低建造费用。

　　结语

　　作为现代战争中的“王牌”，航母日益受到世界各国的重视，美国、英国、印度等都纷纷新建航母。为了更好地维护国家安全和实现海洋强国的目标，相信未来中国必然也会出现更多、更先进的航母。与此相应，性能更高、质量更好的钢铁材料也将不断涌现。

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　　编辑| 史文慧