国产航母的特种钢到底有多难做？

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！

航母用的特种钢是相当难做，目前只有少数几个国家可以制造。印度的“国产航母”之所以拖了那么久没造好，其中一个原因就是因为其所用的特种钢要么是产量不足，要么是美俄等国家禁止出口或者少量出口。正所谓物以稀为贵，航母上的一颗螺丝钉换一辆名车所言非虚。目前航母用的特种钢大概是从英国，德国，美国的特种钢发展和完善。英国海军使用的高强度钢HT是一种造船和轻装甲钢，并在一战结束时使用。HT钢是一种含有少量镍的碳钢，它可以使其硬化到更高的水平而不会开裂，即韧性很大。直到年左右，杜克父子研发了杜克钢，这种钢一般只含有锰和硅作为合金元素。类似的钢还有德国的低百分比的镍钢，和美国的高强度钢HTS，其使用铬、钒和钼的更复杂的合金。英国皇家海军年建成的纳尔逊级和罗德尼号战列舰使用的杜克钢来减轻重量，但是这种钢在遭遇炮击时会造成钢体结构的损坏。后来它被用于英国最后一艘战舰乔治国王V级战舰的反鱼雷系统设计实践。其内部船体和鱼雷舱壁，内部甲板由杜克钢制成，这是高强度钢的一种超强形式。（二战时期的罗德尼轰炸了卡昂海岸附近的德国阵地）由于日本在一战中是同盟国，日本海军的建造起初得到了英国大量的技术支持，其使用的由钢是由维克斯、阿姆斯特朗·惠特沃斯和三井合作建造的。最上级重巡洋舰最初设计为全焊接的杜克钢舱壁，然后焊接到船体上。船体结构部分使用的电焊引起的故障导致变形，主炮塔无法正常训练。另外两个被重新设计，它们是用铆接结构重新建造的。后来日军的加贺号，飞鹰号，翔鹤号，信浓号航母等军舰都是采用杜克钢进行建造。（最上级重巡洋舰）而意大利海军在军舰的鱼雷防御系统中使用了与杜克钢相似的钢材。这种水下“凸出”系统被引入意大利利托里奥级战列舰，以及完全重建的意大利战舰“凯奥·杜伊利奥”号和“孔蒂·迪卡沃”级战列舰。船舷内侧由一层28-40mm厚的硅锰高强度钢组成，称为ER钢。年一份关于杜克W30钢的制造报告发现，除非在675摄氏度的足够温度下进行焊后热处理，否则焊缝中会出现热影响区脆化现象。日本海军在二战前后期建造的大型战舰使用全焊接的杜克钢结构，让其这很快导致了类似最上级重巡洋舰的严重问题。而且在二战期间使用的鱼雷的威力甚至迅速超过了最好的装甲保护系统，鱼雷可以通过在船的龙骨下引爆而完全绕过保护系统，因此航母逐渐放弃了使用杜克钢建造，只在轻型装甲、公路桥梁和机车蒸汽锅炉和核反应堆的压力容器等民用领域使用。（用杜克钢制造的切尔西桥梁）在另外一个分支中，克虏伯军工厂生产的特种钢，于年左右研发。这种均质钢制造的表面硬化装甲有效降低了对保护体的高倾角攻击。卡内基钢铁公司开发了一种新的镍铬钒合金钢，尽管年以后钒不再使用，但它比以前的镍钢装甲提供了更好的保护。这种合金钢后来被克虏伯运用在军工方面后被称为“特殊处理钢”。特种钢被用作厚度小于102毫米的均质装甲，起初用于火炮底座和指挥塔的同质装甲，其厚度要大得多。它比任何类似装甲的平均韧性稍高一些，与而传统的装甲相比特种钢很昂贵，但美国可以负担得起，并奢侈地使用它，并且几乎在年到二战期间美国建造的每一级军舰上都使用它，其使用范围从从舱壁到碎片防护，从军舰的装甲甲板到较低的装甲带。二战结束后，它成为美国海军建造和修理局（后称为船舶局）的镍钢的标准形式，用于需要均质直接冲击防护装甲的军舰的所有部分。美国船舶局进行了一项研究计划，以开发一种用于船舶和潜艇建造的高强度钢。在测试过程中，一种经过碳和镍改进并添加钼的特种钢变体，即所谓的“低碳特种钢”，融合了所有理想性能的最佳组合。低碳特种钢后来被用于青花鱼号潜艇和福里斯特尔号航母进行实践。（福里斯特尔号航母）低碳特种钢后来发展成为另一种特种钢HY-80，HY-80最终成为冷战期间潜艇和航母建造的标准钢材，特别是美国核潜艇项目的耐压壳的开发，目前仍在许多海军应用中使用。它的使用价值在于它具有优越的强度重量比性能。HY钢拥有抵抗永久性塑性变形的强度。HY-80附有HY-100和HY-130，其中80、100和130分别表示其屈服强度psi、psi和psi。HY-80和HY-100都是可焊接，但是，HY-130通常被认为是不可焊接的。现代钢铁制造方法能够精确控制HY钢加工过程中的时间和温度，使得制造成本更加经济。HY-80具有良好的耐腐蚀性和良好的成形性，以提供可焊性。使用HY-80钢需要仔细考虑焊接工艺，填充金属选择和接头设计，以考虑微观结构变化、变形和应力集中。HY-80钢是以镍、铬、钼为合金元素的低碳低合金钢家族的成员，具有淬透性。尽管由于碳和合金含量的原因，钢的焊接性很好，但它确实面临一系列挑战。碳含量可以从0.12%到0.20wt%（重量占比）之间，合金总含量高达8wt%。在HY钢的开发过程中，主要目的是制造一类具有优良屈服强度和整体韧性的钢，这些钢部分通过淬火和回火来实现。钢在900℃下进行首次热处理，以便在材料淬火前奥氏体化。淬火过程的快速冷却产生了非常硬的马氏体组织。马氏体组织不能直接产生，只能在大约650℃下回火，以降低整体硬度，回火后形成马氏体或者贝氏体组织。焊接件的最终微观结构将直接与材料的成分和所经受的热循环直接相关，这将在基底材料、热影响区和熔合区上发生变化。材料的微观结构将直接与材料或者焊接件的机械性能、焊接性和使用寿命，性能相关。在使用HY-80钢时，合金元素、焊接程序和焊接件设计都需要协调和考虑。另一种特种钢HY-130还包括钒作为合金元素。而特种钢的合金含量将根据板材的厚度略有变化。由于连接接头中应力集中度的增加，增加焊接性挑战，厚板在其成分合金范围内将受到更大的限制。而碳是控制材料的峰值硬度，是奥氏体稳定剂，这是马氏体形成所必需的。HY-80易形成马氏体，马氏体的峰值硬度与碳含量有关。镍可以增加HY-80的韧性和延展性，同时也是奥氏体稳定剂。锰可以清除钢中的杂质（最常用于清除硫化物），并形成针状铁氧体成核所必需的氧化物。HY-80钢中需要针状铁素体，因为它能提高优良的屈服强度和韧性。硅氧化物前体，用于清洁针状铁氧体并提供成核点。铬是铁氧体稳定剂，可以与碳结合形成铬碳化物，以提高材料的强度。制造特种钢的难度之一就是这些合金含量的添加份量要拿捏得很好，这需要精密的机器制造工艺。只有采取适当的预防措施，才能避免潜在的焊接性问题，由于HY-80是一种可硬化钢，因此造成了人们对在熔合区和热影响区中形成未回火马氏体的担忧。焊接过程会产生陡峭的温度梯度和快速冷却，这会形成未回火马氏体，因此必须采取预防措施避免这个过程，需要把握温度的变化和回火时机。使焊接性问题更加复杂的是，HY-80钢在海军用厚板或大型焊接件中的普遍应用。这些厚板、大型焊接件和严格的使用环境都会由于焊接接头处的内部和外部应力集中而带来额外的风险。氢致开裂或氢辅助开裂，是HY-80钢必须解决的一个实际焊接性问题。氢脆即在港内形成小裂缝或者气泡，而且在HY-80的所有制造环境下都容易发生氢脆，可能发生在熔合区或热影响区，因为在这些区域都容易形成马氏体，因此存在氢脆的风险。熔合区的氢致开裂或氢辅助开裂，可通过使用适当的填充金属来解决，而热影响区的氢致开裂或氢辅助开裂，则必须通过预热和焊接程序来解决。因此焊接HY-80钢时，始终建议采用低氢操作。由于未回火马氏体的形成，不可能对HY-80进行自熔焊接。需要使用填充金属，引入合金材料，以形成氧化物，从而促进针状铁素体的形核。但热影响区仍然是一个问题，必须通过适当的预热和焊接程序来控制冷却速率。在热影响区，缓慢的冷却速度和快速的冷却速度一样有害，快速冷却会形成未回火马氏体。而且由于高预热或预热和焊接程序的高热量输入的组合导致的冷却速度非常慢，可能会由于热影响区中形成的高碳浓度而产生非常脆的马氏体。只能采取预热，让扩散氢扩散并降低冷却温度的变化梯度。较慢的冷却速度将降低马氏体形成的可能性。如果预热温度不够高，冷却温度梯度将太陡，这将产生脆性焊缝。而多道焊需要最低和最高焊道间温度，以保持屈服强度和防止开裂。预热和焊道间温度将取决于材料的厚度。一般采用AWS-1-1焊丝焊接。ER100S-1具有较低的碳和镍含量，有助于在前面提到的焊接过程中起稀释作用。填充金属的一个重要作用是使针状铁素体形核。针状铁素体是在氧化物的存在下形成的，填充金属的成分可以增加这些临界形核点的形成。但HY-130的焊接被认为更困难，因为很难获得能够提供类似性能的填充材料。（ER100S-1的元素含量表）焊接工艺的选择会对受焊接影响的区域产生重大影响。热输入可以改变热影响区和熔合区的显微组织，焊缝金属和热影响区韧性是HY-80焊接件的关键要求。在选择工艺时，必须考虑焊件的整体性，因为厚板通常需要多道焊，而附加焊道可能会改变先前熔敷的焊接金属。不同的方法手工电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、埋弧焊，可以对材料的断裂韧性产生显著影响，以埋弧焊为例，由于其通常具有较高的热输入特性，因此可以对以前的焊道进行回火。换句话说，工人的技艺对特种钢的焊接成败有关键影响，如果没有积累足够的高级技术人才，很容易就在焊接这关跪了。（埋弧焊）HY-80焊件的详细硬度曲线随不同工艺而变化（梯度变化很大），但不同工艺之间的硬度峰值保持不变。这对热影响区和焊接金属都适用。鉴于母材和焊缝复合区之间的成分差异，可以合理地预计，由于不均匀的膨胀和收缩，可能会产生潜在的变形。这种机械效应会导致残余应力，导致焊接后立即出现各种故障，或在负载下工作时出现故障。在HY-80钢中，变形程度与焊接热输入水平成正比，热输入越高，变形水平越高。HY-80钢的检测可分为破坏性和非破坏性两大类。可以进行通过各种破坏性试验得出结果，无损检测包括许多技术或方法：目视检查、X射线检测、超声波检测、磁粉检测和涡流检测。而一旦被检测是破坏性损伤，则前功尽弃，需要回炉重造。而且制造特种钢的不同器材都由不同的跨国公司制造，比如HY-80的锻钢由美国安赛乐米塔尔公司生产，HY-80的锻件和铸件由谢菲尔德锻造大师生产，HY80的铸件由英国的古德温铸钢公司生产。由于这种特种钢的全球化分工都集中在以英美为主的国家，而且他们都是穿同一条裤子的，更容易形成技术壁垒，也更容易对特种钢的核心技术形成卡脖子，这不是有钱就能买到的，你要么在产业链上实现技术突破，自给自足，要么只能加入他们的朋友圈，才能获得关爱的眼神。在特种钢的制造上，能用钱解决的都不是问题，但是这不是一句造不如买就能解决的。

有这么一个传言的故事：年，美国披露钢材数据造假之后，尤其是造假30多年，咱们某大厂几位退休科研老专家坐不住了，气得砸了东西···主要是长期HY-80合金钢就是咱们科研公关的主要内容，这种合金钢更多用于潜艇的制造。这批专家就是专门攻克这种合金钢的，一开始连其30%的强度都达不到，经过很多年科研公关，折腾到50%····本来已经是很大的进步了，但是这表彰会开的不是滋味····美国在前面；后来经过近十年折腾，达到了80%的水平，然后无论如何也无法提升。这群“钢铁直男”从没怀疑美国钢材数据有问题，美国科技那么牛逼，怎么造假····一直就这样退休，遗憾的把研究交给新人，但是其实50%已经都达到了深海潜艇的水平，80%更是满足深潜器的使用标准···但是表彰会，总是有美国参数压的····美国钢材造假新闻爆出后，这群老专家们，跑上单位，让单位重新开了一场表彰会·····航母上用的个钢材，以前辽宁号前身瓦良格号在码头上呆了好几年。当时的主要问题是，这个钢材的焊接还不过关。瓦良格号钢材的性能本身就非常优异，强度高（850M），耐腐蚀，另外一个军舰专用参数，低磁性比较好。这在当时的确是我们造不出来的。不过有了钢材样本，也就是用了一年中国也能生产，当时还求助俄罗斯，被俄罗斯拒绝了；唯独焊接性能，折腾了更长时间，航母甲板钢材不是特别后，一般不超过50MM，但是焊接要求特别高，主要是这个船是运动的，这个焊缝会反复受力。直到后来才解决这个问题。钢材研发和其他的研发不一样，只要你获得了样本，基本都不是难的，例如那个圆珠笔芯用的钢材，你只要获得样本，研究金属结构，不难。主要是未来方向比较难，目前兔子已经搞出了920/980系列，世界领先水平。补充个有趣的小故事：人类在年进行核试验后，空气中的背景辐射就会很大，导致后面制造的钢材的背景辐射也很大。主要是在空气中的氡元素造成。在某些高精尖的科研领域，例如航天，医疗，探测器，需要的低辐射背景钢材就不好搞。很长时间，只能通过打捞过年的沉船来解决。直到兔子遇上一个奇葩事，那就是我们使用的不锈钢，竟然钴60辐射超标···这不锈钢里面怎么会有钴辐射···见鬼了···经过研究，得出一个结论，那就是钢材的生产中一直使用废旧钢材作为原料，上世纪进口的废旧钢材里面有钴60这种医疗发射废元素，偶然间混合到钢材生产中，由于不锈钢比较贵，一直都是回收使用的，所以导致一直有辐射。后来，在钢材生产中不加入废钢材后，生产才低辐射钢材····联想到上面背景辐射，主要钢材生产是用空气提取氧气的，里面就有氡元素，如果采用化学合成的氧气，就能生产出合格的背景钢材···这个秘密，保守很多年。即不加入废料，用合成氧气炼钢····只不过这样成本略高，这种钢材使用范围小，还不如从海里捞船快，一次万吨···