為了確保船體的安全性能，日本船廠除了強(qiáng)化設(shè)計(jì)和工藝管理之外，還嚴(yán)格執(zhí)行日本船級(jí)協(xié)會(huì)規(guī)格和造船施工法標(biāo)準(zhǔn)，而且必須防止因船舶事故、損壞而造成的環(huán)境污染，故整個(gè)社會(huì)都關(guān)注船體安全性，即要求船體結(jié)構(gòu)比原來(lái)有更高的可靠性。另一方面，如何提高現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)率也是大課題，這除了應(yīng)改善與生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)的硬件和軟件條件之外，還需變形少、易加工的鋼材。為此，利用近年煉鋼、軋制技術(shù)的進(jìn)步，日本開(kāi)發(fā)了具有高強(qiáng)度可靠性和良好加工性的高功能性造船用鋼材，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
1龜裂高停止性鋼板
龜裂高停止性鋼板即表面超細(xì)晶粒鋼板(簡(jiǎn)稱SUF)。在船的碰撞、觸礁等“非常時(shí)刻”，為了避免船體的大規(guī)模嚴(yán)重?fù)p壞，船板須具有高脆性裂紋停止性能，日本海事協(xié)會(huì)將之作為一個(gè)重要指標(biāo)，將具有該性能的鋼板定義為“高停止性鋼板”
通常船舶航運(yùn)時(shí)，由于龜裂產(chǎn)生后應(yīng)力得到緩和、鋼材對(duì)龜裂有一定停止性能、以及結(jié)構(gòu)的不連續(xù)(如外板和骨架材的交叉)等因素的影響，有可能將焊接缺陷和疲勞龜裂作為起點(diǎn)而發(fā)生傳播的脆性龜裂停止在造成致命損壞之前。然而，從對(duì)“非常時(shí)”的滿載油船的碰撞狀態(tài)解析可知，被撞船的側(cè)外板上部遭到破壞，還損壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)材，同時(shí)在裂口附近的鋼材產(chǎn)生了最大約10%的塑性應(yīng)變。因此，在“非常時(shí)”往往就不能期待鋼材在通常情況下具有的裂紋停止性能。
SUF鋼板是在表層到大約為板厚1/6的范圍內(nèi)具有1～2μm超細(xì)晶粒鐵素體組織的鋼板，當(dāng)脆性龜裂傳播時(shí)，鋼板兩面的SUF部形成的剪切唇有停止的效果。
日本海事協(xié)會(huì)將船體產(chǎn)生應(yīng)力的狀態(tài)分類為碰撞、觸礁的“非常時(shí)”和正常情況下的“通常航運(yùn)時(shí)”，要求在脆裂停止材上的脆裂停止特性值(下稱Kca)在“通常時(shí)”須Kca≥4000N/mm1.5，在“非常時(shí)”須Kca≥6000N/mm1.5。
從將一般船體用EH級(jí)KE36鋼板和SUF鋼板施加5%和10%塑性應(yīng)變后，再進(jìn)行溫度梯度型ESSO(大型斷裂模型)試驗(yàn)的結(jié)果可知，KE36船板在最低使用溫度-10℃的“非常時(shí)”，即使在產(chǎn)生5%較低塑性應(yīng)變條件下，其Kca值也降至龜裂停止性能的要求值以下;反之，即使對(duì)SUF鋼板施加10%的高塑性應(yīng)變后，其仍具有充分高的Kca值，即通過(guò)此ESSO試驗(yàn)，確認(rèn)SUF鋼板具有在“非常時(shí)”的裂紋停止性能。
SUF鋼板最初用于78000m3低溫式液化石油氣船(LPG)，目標(biāo)是使其在“非常時(shí)”不發(fā)生大規(guī)模斷裂。為此，在覆蓋船載槽罐(Cargotank)整個(gè)區(qū)域的船側(cè)外板上部配置了SUF鋼板。此后，大量貨運(yùn)船和運(yùn)礦船也采用了SUF鋼板，使其用量在增大。另外，SUF鋼板不僅對(duì)“非常時(shí)”，且對(duì)提高在低溫海域航行船舶以及低溫貨運(yùn)槽罐周邊船體構(gòu)造的安全性也能提供有效保障?？梢灶A(yù)期，在整個(gè)社會(huì)都關(guān)注船舶安全性的背景下，SUF鋼板的使用范圍將會(huì)不斷擴(kuò)大。
2高疲勞強(qiáng)度鋼板
高疲勞強(qiáng)度鋼板即疲勞裂紋擴(kuò)展抑制鋼板(簡(jiǎn)稱FCA)。過(guò)去，防止疲勞破壞是遵從在特定部位如何抑制產(chǎn)生的變化應(yīng)力這一觀點(diǎn)來(lái)進(jìn)行的。如果焊接部的疲勞裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展特性與鋼材的強(qiáng)度和組織無(wú)關(guān)，則此認(rèn)識(shí)是可以接受的。然而，利用對(duì)鋼材的組織控制，卻能開(kāi)發(fā)可抑制疲勞裂紋擴(kuò)展的鋼板，并獲得更高的疲勞強(qiáng)度可靠性。
FCA鋼板的這種擴(kuò)展抑制機(jī)理是，由適當(dāng)比例構(gòu)成的鐵素體+貝氏體復(fù)合組織對(duì)疲勞裂紋有以下3種抑制效果：①相邊界對(duì)裂紋擴(kuò)展速度的抑制。②交變軟化對(duì)裂紋開(kāi)口的抑制。③交變軟化預(yù)應(yīng)變后延性斷裂抗力下降的抑制。
在小型CT試樣上確認(rèn)了FCA鋼板的龜裂擴(kuò)展速度為原來(lái)鋼板的大約1/2以下。為了確認(rèn)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提高的效果，進(jìn)行了模擬船體結(jié)構(gòu)模型疲勞試驗(yàn)。從結(jié)果可知：從使用FCA鋼板模型加強(qiáng)板轉(zhuǎn)角焊接部產(chǎn)生的疲勞龜裂到表面斷裂的壽命約為原來(lái)鋼板的2倍，這說(shuō)明即使是在結(jié)構(gòu)體上，也有顯著的疲勞壽命提高效果。
FCA鋼板最初是用作LPG船的雙層底面材，其目的是為了提高全長(zhǎng)貫通焊縫部的疲勞壽命。從FCA鋼板和原來(lái)鋼板的疲勞龜裂擴(kuò)展解析結(jié)果可知，使用FCA鋼板的疲勞壽命大約為使用原來(lái)鋼板的2.5倍。防止疲勞斷裂是確保結(jié)構(gòu)安全性的重要技術(shù)，還可因此而降低維修費(fèi)用，今后FCA類高疲勞強(qiáng)度鋼板在造船工程中的重要性將更加凸顯出來(lái)。
3熱變形抑制鋼板
熱變形抑制鋼板即殘余應(yīng)力控制鋼板。在包括造船的鋼結(jié)構(gòu)制作過(guò)程中，難以避免因切割和焊接輸入熱量而引起的鋼板變形，從而降低了施工效率并增加矯正工時(shí)數(shù)，這是與高精度組裝部件以及提高切割(焊接)精度等機(jī)械化、自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)目標(biāo)與發(fā)展方向背道而馳的。
造成切割和焊接時(shí)鋼材變形的原因是輸入熱量及其波動(dòng)、鋼材軋后形狀不良以及內(nèi)部的殘余應(yīng)力等。特別是因不均勻的殘余應(yīng)力難以預(yù)測(cè)，故設(shè)法將之降低就更為必要。為此，在原TM-CP(即控軋控冷)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)的鋼材形狀和殘余應(yīng)力控制技術(shù)。一方面在鋼坯加熱、軋制及軋后快冷過(guò)程中抑制平直度不良和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，同時(shí)利用在線的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)，判定鋼材及其切割后的形狀，從而實(shí)現(xiàn)了高精度殘余應(yīng)力控制，并將之作為解決軋后鋼材形狀不良和殘余應(yīng)力不均勻的有效手段。
采用以上技術(shù)生產(chǎn)的殘余應(yīng)力控制鋼板能用于船殼部位。在組裝船的雙層外殼的平行底座(尺寸為寬12m×長(zhǎng)20m×高3m)、焊接縱梁及面板時(shí)，檢測(cè)了不同鋼板的制作誤差和作業(yè)時(shí)間。結(jié)果表明，使用殘余應(yīng)力控制鋼板的縱梁間隙都控制在允許的誤差范圍以內(nèi);反之，使用原來(lái)鋼板誤差常超過(guò)允許范圍。由于前者可以不經(jīng)調(diào)整而施工，故較之后者可大幅節(jié)省工時(shí)，提高了施工效率。
4提高安全性的課題
為了確保船體的安全性，并隨壽命的延長(zhǎng)而降低壽命周期費(fèi)用，如何抑制船體腐蝕是關(guān)鍵。日本造船協(xié)會(huì)實(shí)際調(diào)查了船載油罐腐蝕狀況，在查明腐蝕原因及機(jī)理的基礎(chǔ)上，所開(kāi)發(fā)的耐蝕船板不僅可抑制底板的點(diǎn)蝕和上甲板內(nèi)面的倉(cāng)面腐蝕，且具有與原來(lái)的TMCP型船板同等的焊接性與加工性。這種鋼板正在不斷用于油船的建造中，已經(jīng)開(kāi)始顯示出延遲腐蝕、延長(zhǎng)壽命和防止損壞事故發(fā)生(而污染海洋環(huán)境)的效果。
另一方面，大型集裝箱的上甲板縱貫梁材采用了厚70～80mm的YP390N/mm2級(jí)高強(qiáng)度鋼板。近有研究報(bào)告指出，超厚板的脆性龜裂傳播試驗(yàn)表明，在最低航運(yùn)溫度(-10℃)和一定應(yīng)力條件下，無(wú)論是在大熱量輸入焊縫還是母材上，要停止脆性龜裂都是困難的。因此，如何確保超厚鋼板焊縫韌性、母材的脆裂停止性、檢測(cè)和排除焊接缺陷，從而確保此超厚板結(jié)構(gòu)的可靠性是重要課題。作為解決這些問(wèn)題之一例，是開(kāi)發(fā)了大熱量輸入焊接用YP460N/mm2級(jí)高強(qiáng)度鋼板。