零下84度的奥秘——从冲击试验温度管窥国产航母用钢的研制_风闻

马氏体-2021-11-11 14:19

2021-11-11

众所周知，我国的航母事业正飞速发展。2019年12月17日首艘国产航母“山东舰”入列。第二艘国产航母也正在紧锣密鼓地建造中。

要自主建造一艘航母，离不开全国工业体系的大协作，涉及的高性能材料数不胜数，航母甲板钢就是其中之一，由鞍钢承制。据中央电视台《经济半小时》20180312节目《启航新时代——重器的钢铁脊梁》透露，国产航母甲板钢需要满足零下84℃冲击功大于250J的严苛指标。

船用钢测低温下的冲击功原本不值得大惊小怪，因为无论军舰还是民船用钢都对低温韧性有要求，以保证极寒条件下的安全性。奇怪之处在于试验温度——零下84℃。这是一个多么“别扭”的数字，为什么不是-85 ℃？为什么不是-80℃？

（设定温度就是-84 ℃）

我隐隐感觉到了什么，拿出计算器一换算，恍然大悟——

-84℃ = -120 ℉

是的，其实奥秘到此就已经解开了。

世界上仍然“顽固”地使用华氏温标的、且有能力建造航母的国家，有且只有美国！

没错，我国航母用钢的性能指标，是向美国看齐的！

贴一张美国舰船用钢力学性能表，这些都是典型的美国航母和潜艇用钢。其中HY系列是调质钢，由于碳当量过高，焊接困难，正逐渐被HSLA系列低合金高强钢取代。HSLA是低碳、铜沉淀硬化钢，焊接前无需预热或仅需低温预热，极大地简化了造船工艺，降低了成本，是目前先进舰船用钢的代表。

正因为我们的敌人是我们要追赶的目标，所以我们需要学习敌人身上一切值得我们学习的东西，用来强化自己，用来战胜敌人。

（到这里问题已经得到解答了，但如果还有兴趣探讨这个温度值背后的故事，那请继续耐心往下看）

如果要论证得更严谨一些，为什么说-84 ℃一定是跟美国学的呢，那我们只能使用排除法。

现在世界上能够自己造航母、准航母的国家，只有美国、俄罗斯（把苏联的功劳算上，或者把替印度改造航母当成是造航母）、中国、英国、法国、意大利、西班牙、日本和（离造好还差得比较远的）印度。对于这些国家的主要航母、潜艇用钢，美国的已经说过了；英国主要测-80℃，由于引进了美国的HY钢技术，也有部分钢测-84 ℃；法国貌似测-60 ℃；日本测-50℃和-70 ℃；意大利和西班牙存在感较低，毕竟只能造小航母；俄罗斯和印度留待稍后再讲。也就是说，哪怕是美国的一众“小弟”，如果不是买的美国钢，自己研制的航母、潜艇用钢，冲击试验都是在以℃为单位下整十的温度值测的（这些国家基本都使用摄氏温标）。网上总是调侃在装备研发中“中国是最大的‘美粉’”，看来此言不虚！

那俄罗斯（苏联）的航母甲板钢，是在多少度做冲击试验的呢？

首先，苏联/俄罗斯是使用摄氏温标的国家，因此也不太可能用-84 ℃这个在摄氏温标下如此“别扭”的温度值来做试验，而是采用整十的温度点。

其次，印度在航母和潜艇的建造中，往往需要引进俄罗斯生产的特种钢材，包括自建的“维克兰特号”航母，那么，试验用于替代进口钢材的国产钢时，借鉴俄罗斯的性能标准似乎是一件顺理成章的事，而印度自研的舰艇用钢，就是在-40℃和-60 ℃做冲击试验的。由此推断，苏联/俄罗斯很可能也是在类似的条件下测的（考虑到苏联海军舰艇需要在高纬度寒冷海域活动，有可能需要比较低的试验温度，比如-60℃乃至-80 ℃）。

当然，还有更直接的证据。一位懂俄文的朋友非常热心地帮我查阅了俄罗斯的舰船用钢国家标准——沿用自苏联的ΓOCT5521-67，也确认了这一点。

综上所述，中国航母用钢试验标准，就是借鉴美国的。

作为当今世界拥有最大规模、最先进、最成功的航母运作经验的国家，美国在航母建造和运用上确实有非常非常多值得我们学习的地方，相关文章早已汗牛充栋，这里我们就只关注一个点——冲击试验温度。为什么美国人要定在-84 ℃？

这就要说到船用钢板的分级。我国的民用船用钢板采用国际通行的分级方法，根据低温韧性的不同，分为A至F级，分别要求在20、0、-20、-40、-60 ℃做冲击试验。一般认为钢板的使用温度不低于冲击试验温度+20℃，也就是说，在-60 ℃做试验的F级钢板，最低允许使用温度是-40 ℃，这足以应对在极地航行的船舶可能遭遇的绝大多数恶劣天气。然而，对于美国航母，这还远远不够。军事装备对于可靠性有着极高的要求，因为敌人不会因为你所处的环境恶劣而大发慈悲停止战斗。航母甲板钢要频繁承受二三十吨重的舰载机着陆的冲击力，必然对韧性有极高的要求；更何况军用舰艇还要能承受爆炸冲击，而随着变形速率的提高，钢材的韧性是会下降的。对于美国而言，在自己的标准体系内，定下-84℃（-120℉）这样严苛的试验标准，就是要让航母时刻都能可靠使用且留有足够大的安全余量。

为了赶超最强大的对手，为了把自己的航母打造成能够在任何一片海域、在任何恶劣的环境下都能够作战的舰艇，中国特地在自己的舰艇用钢标准里，加上了-84℃的试验要求。一想到这里，一句话跃入我的脑海：“我们的征途是星辰大海。”

最后，我来尝试着回答一个问题，能够满足如此严苛要求的国产航母甲板钢，到底是何方神圣？

（以下内容都是基于有限的公开资料分析的，不保证准确，谢绝查水表）

（轧制航母甲板钢的鞍钢鲅鱼圈基地5.5米轧机）

根据2013、14年公开发表的论文，我国实际用于舰艇建造的比较先进的钢材，主要有用于潜艇的屈服强度785 MPa级980钢和590 MPa级921A钢，以及用于水面舰艇建造的921A钢、440 MPa级945钢和390 MPa级的907A钢（这些都是舰艇用钢的代号，它们都有用合金元素含量表示的国标牌号）。

虽然国产航母使用的钢材牌号不得而知，但是好在网络上有原“瓦良格舰”（现“辽宁舰”）的资料。根据海军驻426厂（就是造航母的大连造船厂）军代表分析“瓦良格舰”钢材的论文，“瓦良格舰”飞行甲板用AK-25钢建造。

在修复“瓦良格舰”建成“辽宁舰”的基础上，国产航母在很多方面借鉴了“瓦良格舰”，在飞行甲板采用与AK-25同一强度级别的921A钢（用成分表示为10CrNi3MoV）应该有比较大的可能性。当然，这只是推测，国产航母也可能使用更高强度等级的钢材。

（我国的921A钢和苏联/俄罗斯的AK-25钢同级）

从921A钢板的国家军用标准修订历史中也可以看出端倪。921A钢依据的国军标最早是GJB 1663-1993《潜艇用10CrNi3MoV、10CrNi3MoCu和10CrNi2MoCu钢板规范》，于1993年发布，在2005年修订为GJB 1663A-2005《舰艇用10CrNi3MoV、10CrNi3MoCu、10CrNi2MoCu钢板规范》。从“潜艇”到“舰艇”的一字之差，反映的是921A钢在水面舰艇上应用日益广泛。

更直接的证据是新旧标准对韧性指标要求的变化。

2005年修订的GJB 1663A，对921A钢增加了-84 ℃冲击试验指标！这再度暗示了，921A很可能就是国产航母甲板钢。

（注：2012年发布的GJB 7786-2012 《潜艇用980 钢板规范》也增加了-84℃冲击试验要求，但只是“记录供参考”，而且这个时间点太晚了，国产航母于2013年11月在大连造船厂开工，但是此标准在2013年4月才开始实施。另外，更高强度等级的钢一般来说成本更高、焊接更困难，可能首先应用于对钢板性能要求更高的潜艇上）

2005年在中国航母发展历程上处于什么时间点呢？根据2018年3月12日《经济半小时》的报道，2008年，鞍钢接到研制生产修复“瓦良格舰”所需的球扁钢任务，2011年，鞍钢接到研制国产航母甲板钢的任务，而鞍钢正是GJB 1663A的起草单位之一。没有规矩不成方圆，在正式生产航母用钢前就借鉴世界最先进水平，高标准严要求地定下航母用钢性能指标，中国的航母建造就是这样一步一个脚印地踏实推进的。