第五章　船体结构用钢材

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1、1第五章 船体结构用钢材(4 学时)教学要求：教学要求：理解 CCS 关于船体结构用钢的规定。重点：重点：强度船体结构用钢不同牌号的性能指标。难点：难点：强度船体结构用钢性能指标测定试验。教学内容：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

2、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

3、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 N 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

4、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。2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：

5、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

6、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

7、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。3一、规范对高强度船体结构用钢的要求一、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

8、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二、高强度船体结构用钢的特点1.良好的力学和工艺性能高强度 一般强度船体结构用钢的屈服强度 s=235 N/mm2，而高强度船 体结构用钢的屈服强度在 315 N/mm2 以上;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（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；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.良好的化学性能低碳 为了保证较好的韧性、焊接性能和塑性，这类钢

9、含碳量大都在 0.20%以下。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（0.710.5%）和磷 （0.050.10%）。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

10、 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

11、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 0300之间)比其它不锈钢具有4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 液货舱和油、气、水处理用受压容器或其它构件应用的材料,船用不锈钢显著的 特点是超低碳。 CCS 1998 年材料与焊接规范和 2002、2004 年规范修改通报对奥氏体 不锈钢和双相不锈钢的化学成分、力学性能、

12、热处理作了规定。1. 化学成分奥氏体不锈钢的熔炼分析化学成分应符合表 5-7，双相不锈钢的熔炼分析 化学成分应符合表 5-8。2. 力学性能奥氏体不锈钢的力学性能应符合表 5-9，双相不锈钢的力学性能应符合表 5-10。牌号表示方法说明：1)不锈钢钢号由合金元素符号和数字组成。对钢中主要合金元素含量以百 分之几表示，而对钛、铌、锆、氮、等则按照合金结构钢对微量合金元素 的表示方法标出;2)对钢号中碳含量的表示方法，一般用一位数字表示平均碳含量的千分之 几；当碳含量上限小于 0.1时，以“0”表示。例如：平均碳含量(C) 0.08时，平均铬含量为 (Cr)18，镍含量为 (Ni)9的不锈钢，其钢

13、号 为 0Cr18Ni9;当碳含量上限不大于 (C)0.03时，以“00”表示(超低碳)。例如：平 均碳含量(C)0.03，平均铬含量为 (Cr)19，镍含量为 (Ni)13,钼 含量为 (Mo)3%的超低碳不锈钢，其钢号为 00Cr19Ni13Mo3。第五节 船体结构用其它钢材一、复合钢扳一、复合钢扳1.复合钢板 系指由基体材料和在其单面或双面上整体结合的薄层(覆层金 属)所组成的板材。适用于化学制品运输船的容器和液货舱。(1)基体材料1)凡适合采用轧制或爆炸复合方法结合的碳钢或碳锰钢均可作为基体材料。 若板材拟用作船体结构的一部分(如液货舱)或拟用于受压容器，则基体材料应 符合 CCS19

14、98 年材料与焊接规范的规定。 2)制造厂应提供基体材料的化学成分、力学性能等资料。(2)覆层金属1)凡适合于预定用途的材料，均可作为覆层金属，如奥氏体不锈钢、铬钢、 铝合金或铜镍合金等。2)制造厂应提供材料合格证书，并保证覆层金属的化学成分符合有关规定， 如验船师有疑问时，可要求进行化学成分的复查。3)无论何种复合钢板，其覆层金属的厚度均应经 CCS 认可。2.热处理板材应以最适合于复合板两种材料的热处理状态交货。热处理工艺应经本 社认可。3.粘合(1)基体材料和覆层金属相互间应充分粘合。除另有协议外，粘合面积比例 至少应达到 95。如复合钢板在以后的焊接过程中发现焊接接头部位有未粘合 的情

15、况，应采取经 CCS 同意的方法进行粘合。5(2)覆层金属与基体材料的粘合质量应采用超声波检测来检查，板厚不小于 l0mm 者要逐张检查，板厚小于 l0mm 者由验船师确定。对所有距四周边缘宽度 不小于 50mm 的区域应进行 100检测检查，中间区域应沿间隔 200mm 四方环线 进行连续的检测检查。允许存在的单个未粘合区域面积应不超过 50mm2，且各单 个未粘合区域之间的距离应不小予 500mm。(3)覆层金属与基体材料的粘合强度可用剪切试验来确定。4.力学性能试验力学性能试验有拉伸、弯曲、剪切、冲击试验，试样和试验方法以及各种 试验测得的强度数据均应符合 CCS 规范。二、二、Z Z

16、向钢向钢1.Z 向钢是在某一等级结构钢(称为母级钢)的基础上，经过特殊冶炼、镇 静处理和适当热处理的钢材。由于厚度方向承受拉伸载荷而对厚度方向有性能 要求的厚度不小于 15mm 的钢材与扁钢（简称 Z 向钢）。Z 向钢除符合本规定外， 还应符合其母级钢的所有要求。2.标记 Z 向钢的标记是在母级钢的标记后面加上 Z 向钢等级。Z 向钢分：Z15、Z25 和 Z35 3 个等级，Z 后面的数字为断面收缩率 z 的指标。如标记 EZ35 表示 母级钢为船体结构钢 E 级的 z 向钢，其板厚方向的断面收缩率 z 不小于 35。3.Z 向性能Z 向钢的化学成分除应符合母级钢的规定外，其含硫量还应不大予 0.010，必要时，验船师可要求逐张进行含硫量检验。按本 CCS 规定进行厚度方向拉伸试验，其厚度方向的断面收缩率应符合表 5-11 规定。