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文 譚海林

隨著科學與工業的進步，往往由於材料的發展，而使工程設計引起突破性的改 變與更新。造艦為一綜合的工藝，因此在考慮何部位使用何種材料時，皆應做 整體性之分析、功能、造價、維修、貨源等等，以求因時、因地、因物均有最 佳之設計結果。

壹、前言

“材 料”在現代之造艦上扮演著一相當重要的角色，如果沒有適用的材料，再好的設計與製造方法亦難達成艦 艇適切的要求。因此選擇正確適切的材料配合良好的設計不僅可提昇艦艇之品質與精度，更可在作戰需求及使用 期限上增加甚多。造船工業乃係所有工業之集合，已為眾所週知，一艘艦船內、外部所用之材料種類極多。本文 僅就作為船殼構造料件用之材料予以論述。

造船之伊始，可以遠溯至「刳木為舟」時代，即使現在，木材仍為小型船舶及其他之重要材料，不過現在造 船用之主要材料則為以鐵(Fe)為首之鋼(STEEL)材，之外尚有輕合金材料（如鋁合金、鈦合金等），另亦有玻璃 纖維補強塑膠(FRP、GRP)，複合材料，陶磁等高分子材料，也有一些小型船舶採用鋼骨水泥船殼等。

貳、船體構造用材料之選擇

艦船依任務在規定的各種浪級中航行時，船體結構應具有足夠的強度和剛度，這亦是結構設計的主要任務，船 體結構材料必須在保證結構強度和剛度條件下來權衡選擇。

就選用船殼構造材質時應考量下列因素：

(1)操作性(Operating Characteristics)

如船速、酬載、操舵性、耐海性等等。

(2)適居性(Habitability)

如空間之安排、振動與噪音及溫度控制等。

(3)外觀(Appearance)

如FRP、GRP製船外殼光滑美觀。

(4)安全(Safety)

如強度、耐火性。

(5)造價(Acquisition Cost)

如材料的價格、施工的價格等。

(6)維護(營運)成本(Ownership Cost)

如船體壽命、維修費用等。

(7)心理因素(Psychological Factor)

如取決於使用者(船東)之喜惡習慣經驗等。

上述之各因素其優先順序取決於該船之主要需求功能，至於如何使各項因素均達最佳狀況，則視設計者經驗及 資料來決定。

然而就戰鬥艦艇所要考量之方針：

1.在嚴格的使用環境下，仍能提供滿意性能。

2.合適的生產及維護的環境。

3.符合健全及安全上的需要。

4.適合大量的採購及儲存。

5.初期造價和最後造價基礎的價值觀。

就前述之因素或方針規納，由於船舶構造用之材料數量往往非常大，且需大量勞力與技術，因此決定使用之材 料應具下述之一般性質：

1.廉價且有大量來源。

2.強度、剛性要大。

3.加工及接合性容易、且修補性良好。

4.水、油氣密性要好。

5.耐蝕性須優越。

6.其他如低溫強度比重小等。

船體採用何種材料，應根據艦船的技術要求作具體分析，但必須遵循下述原則：

1.能滿足艦船對機械性能及物理性能的要求。

2.符合國家材料資源發展政策和供應能力。

3.有利於簡化工藝，縮短建造週期。

4.便於艦船的保養維護，降低艦船建造成本。

目前船體構造常使用之材料列舉如下：

1.鋼質材料

(1)一般軟鋼(Mild Steel)

(2)高張力鋼(High Tensile Steel)

(3)高耐力鋼(High Yield Steel)

2.鋁合金

3.複合材料(FRP、GRP)

4.鈦合金

5.銅鎳合金

6.聚乙烯塑膠

7.帆布橡膠

8.木材

參、各種船體結構材料之特性與用途

為了提高艦船的航行速度或有更大之酬載能量，減輕船體重量是重要措施之一。在保證船體有足夠強度和剛度

的前題下，減輕結構重量，還可以節約材料，降低艦船的建造成本，所以船體結構材料的選用有著很重要的影響 結果，以下僅將常用之船體結構材料之特性與用途概略介紹。

一、鋼材

由於煉鋼廠柏塞梅(Bessemer)及開口爐式程序(Open-hearth Process)的發展，船殼主要材料就是鋼或是其他形式及合金。

鋼是均勻的材料，具有上好的強度特性，它能鑄造、鍛鍊或做成板狀。它適合於各種焊接程序，所焊接處是均 勻而可靠的，對於造船方面，鋼最主要的缺點是不能抵抗銹蝕，在海水中易受銹蝕(Corrosion)這種特性，必須經常 注意油漆維護時要隨時警惕。

軟鋼在經濟的船體結構上是標準而慣用的材料；然而在現代軍艦，尤其在結構上通常使用高張力鋼(HTS)，HTS 的張力強度比軟鋼大25％至30％。銹蝕問題在特別的地方或不適用油漆的表面，就用抗銹蝕鋼(CRS)。這種合金 含有鉻，不易焊接且昂貴，因此在船上使用是須限量的。在發射台甲板及防護的船壁和遮蔽物，須用特殊處理鋼 (STS)。這是種鎳鋼合金，有良好的強度特性鎳增加硬度、粗糙度及彈性僅減小一些延性。以下簡單就鋼質材料之 特性及用途作一敘述：

(一)特性

(1)一般軟鋼(M.S)－其抗拉強度約41Kg/mm ²以上，降伏強度24Kg/mm²以上，基於脫氧熱處理及厚薄之不同，一 般區分為A.B.C.D.E等級。

(2)高張力鋼(H.T.S)－其抗拉強度約48Kg/mm2以上，降伏強度32Kg/mm ²以上，其分級法與一般軟鋼同。

(3)高耐力鋼(H.Y.S)－一般以HY代表如HY-80、HY-100等，此種鋼材於低溫狀態下仍具相當高之韌性，其強度

表一 各種碳鋼的用途

表 二 普通鑄鋼之含碳量和用途例

表三鋁合金含量種類系列

要求以屈伏強度為主，屬於低含碳量之合金鋼，例如：HY - 80其耐力80,000 -100,000PSI(56 -70Kg/cm2)。

(二)用途

(1)抗銹蝕鋼(Corrosion Resisting Steel)：

用於艦上廚房、浴室、機艙、踏板、砲台等。

(2)高強力鋼：

用於戰鬥艦艇、潛艇之船殼或其他重要的結構(Critical Structure)。

(3)高耐力鋼:

用於戰鬥艦艇、潛艇之船殼或其他重要的結構。

(4)鉻鉬鋼(Chrome-molybdeum Steel):

用於高溫汽設備、鍋爐、過熱器聯箱。

(5)碳矽鋼(Carbon-silicon Steel)：

用於船用鋼爐或其他的壓力容器。在於鋼質材料其焊接時簡要說明其性質如下：

(1)低碳鋼：

含碳量在0.3％以下之低碳鋼，因熔接後硬化強度不高，故不必預熱及退火即可應用。

(2)中碳鋼：

表四 鋁合金一般性質與用途

含碳量在０.3～0.5％，熔接前須預熱至150～240℃，以改善其硬度，採用厚塗料之低碳鋼焊條，作業完成後 全部焊道需加熱至54～65℃，以除去焊道附近所產生的內應力。

(3)高碳鋼：

含碳量在０.5～0.9％，其熔接前須預熱至250～430℃，熔接後在650～790℃回火，以避免熔化區域變脆及變 硬。

(4)工具鋼：

含碳量0.8～1.5％，甚少用電弧熔接，因其熔化區域所生之硬度過高，所以必須要先行預熱焊件。

(5)合金鋼：

鉬碳鋼須預熱至210～340℃，鉬鉻鋼須預熱至900～955℃，鎳鉻鋼與鉻鉬鋼相似且要注意退火溫度。

以上概略的將艦用鋼料其種類、特性、用途及焊接處理大致介紹，其餘尚有腐蝕與防蝕的問題、試驗與檢驗等 均為重要，不可忽視。

二、鋁合金

在造船方面，適當的選擇鋁合金是很有使用價值的，在許多方面，其特徵性能的適應範圍比鋼鐵更大。鋁的主 要優點及特別性能是重量輕及承受彎曲應力之優越性、特種結構的應用。其延性、扭曲、拉長性及衝擊抗力皆比 其他金屬好，它不產生火花，亦無磁性。鋁有高度的抗銹性，唯獨其比鋼材貴、工作費用高，焊接技術雖然不斷 改進，但仍比鋼鐵不易焊接。

一般船艦之船樓及受有重量限制的小艇，其均採用鋁質材料，諸如水翼船、高速海岸砲艇、魚雷艇、淺水拖船、 遊艇等等。

鋁合金種類甚多，應用甚廣，其含量種類系列如下表，而適於造船(構造)用者有5000及6000兩系列，其中5000

表五 MIL-P-17549D之強度要求值

表六 鋼、鋁合金及FRP之強度特性比較表

系列為Al-Mg合金系，6000系列為A1-Mg-Si合金系。

適於船殼外構造且使用較多者有5083、5086，其在海水中有最好的抗銹性，且其焊接性良好、強度大。6061 具較高之強度，且耐蝕性亦甚好，但由於焊接性不佳，因此使其限於上層建築或內構等，常見之適用其如船殼外 板、甲板、船樓、桅桿、煙囪、門、窗、梯子、桌椅等等。一般來說鋁合金具下列優點：

1.比重小（2.7）。

2.強度大、船殼輕、提高船速、節省燃料。

3.耐蝕性佳。

4.低溫特性、耐衝擊性優越。

5.非磁性。

6.無毒、無臭。

7.成型加工性良好。

8.焊接性良好。

9.膨脹收縮大,至破壞為止的衝擊吸收量亦大。

10.對光熱的反射良好。

近年來由於焊接技術的進步，TIG、MIG的使用上，使得鋁製品之品質上更為提昇，再則爆壓金屬複合板的出 現，使得鋁質材料與其它金屬材料之結合性上更為提昇，顯而易見鋁合金用途將日益更廣。

三、複合材料(Composite Materials)

近年來工業益加發達，所要求材料之性能亦各不同，如要求 輕重量、高強度、高溫高強度、磨擦係數較小、耐 磨耗佳、導電性良而耐熔著性或耐蝕性佳、或其他單一材料無法達到的特殊性能，而需要兩種以上材料，依適當 方法使成單一材料而使用者。故有不同類型之複合材料出現，此種經組合之新材料，能兼具原有材料之特性及相 輔性之優點，用途甚廣，小至家庭用品，大至船艦、飛機或飛彈等。茲列舉數種複合材料如下：

1.玻璃纖維強化塑膠(Glass Fiber Reinforced Plastics)

2.碳璃纖維強化塑膠(Carbon Fiber Reinforced Plastics)

3.硼璃纖維強化塑膠(Boron Fiber Reinforced Plastics)

表七 鈦合金之有關機械性質做比較

表八 台灣主要材料之強度

4.克維拉璃纖維強化塑膠(Kevlar Fiber Reinforced Plastics)

由於材料價格及施工性之影響，目前用於造船結構材者，一般只限於玻璃纖維，其他如碳纖亦有局部少量之應 用。玻璃纖維強化塑膠、FRP或GRP其成份如下：

1.基材

(1)不飽和聚脂樹脂(Polyester)

(2)環氧樹脂(Epoxy)

(3)酚鈦樹脂(Phenolics)

(4)聚硫亞胺樹脂(Polyimides)等。

2.補強物一般船殼用E玻璃(其他有e型、S.R型等)耐玻璃纖維可分為如下之產品

(1)Mat(毯)一般段積成

(2)Cloth(布)以玻璃絲製成

(3)Woven Roping(編紗束)紗束編織而成

3.蕊材

(1)木材、合板、硬木、白塞木等

(2)泡膠－CCA、PU、PVC

(3)蜂巢板

4.膠殼(Gel Coat)

FRP材由於受積層數、方式、方法及材料環境因素之不同，而有不同之強度，因此在認定FRP構造強度時，通 常要求以與實際構造相同之積層試片作各種強度試驗方行之。依美軍MIL其玻璃，纖維強化塑膠之強度要求值如 表五：

以FRP或GRP造船之優點如下：(1)較鋼材鋁合金之比重小，同樣之船可較輕。

(2)將油漆顏料拌入所塗樹脂內，即可著色，不須另塗油漆而無腐蝕之虞，保養費低廉。

(3)比強度(Specific Strength)大。

(4)船殼及甲板可合併模造成一整體結構避免接頭及啣縫，船殼一體成型，美觀平順，建造工藝簡單，成型方 便。

(5)所需工場設備甚少，施工容易，尤適於大量建造，因當一陰模製成後，即可長期重複使用，也不需機器加 工，建造週期短。

(6)樹脂內加入防火藥品，可具有防火能力。

(7)非導電體，雷達螢幕上無反應之特性，能透過雷達波及紅外線適於軍事用途，可具穩形效果。

(8)因非金屬，故無電解腐蝕及不合磁性，其非磁性可用於水雷反制艦船。耐海水及化學腐蝕、絕緣、絕熱性 好，不碎裂，船體保養方便。

缺點如下：

(1) 長期浸於水中易老化，老化後機械性能顯著下降。

(2) 各種機械性能受到原材料、配方、工藝規程、溫度及技術水準的影響而不夠穩定。

(3) 材料的彈性模數E值較低，僅為鋼的1/20~1/15左右，船體結構剛度降低。

(4) 玻璃纖維材是不可焊材料，只能用螺栓和鉚釘連接固定，與可焊材料相比，施工建造不便，增加了連接固 定件的重量。

四、鈦合金(Titanium)

鈦之比重介於Al與Fe之間，具有優良之耐蝕性，鈦及鈦合金主要被用於耐蝕及高強度機件 上。鈦有優良之鈍 性，因此對於大部份之酸性物或氯化物不與之作用，同時強度好，堅固硬性、韌性低密度等等性質足供不同鈦合 金適用於低溫或高溫之機構材料，鈦合金材料於1957年首先用於太空工業上，太空船的結構、噴射引擎等各不同 之部。至到1963年才被用於造船工業上潛艇外殼之應用。

鈦及鈦合金之分類由商業級(Commercial Grade)及半商業級(Semi-commercial Grade)可歸納為：(1)商業級純鈦(2)α及類似α鈦合金(3)α-β類鈦合金(4)β類鈦合金等4大類。僅就HY-80鋼質材料與Ti-5Al- 2.5Sn之鈦合金之有關 機械性質做比較如表七：

就造船工業而言，尤其是潛艇之特種環境下作業之潛艇，鈦及鈦合金屬之應用為我未來造艦之首要考量，得使 潛艇能發揮更大之作戰能力。

五、木材(WOODS)

木材各種強度，隨木材種類而異，強度特性也因使用在船舶部位不同，也有區分。一般分為彎曲強度 (Bending Strength)、剪曲強度(Shearing Strength)、壓縮強度(Compression Strength)，其又分平行或垂直木紋兩種，以及耐震強度(Impact Strength)、抗張強度(Tension Strength)等，依美國ASTM測試方式為將含水量25％以上之原木(Green Wood)

及經乾燥含水量在12％之木材，在實驗室分別做機械試驗而得有關各種允許工作強度資料，供木殼船舶結構設計 引用參考。

木材分硬木(Hard-Wood)及軟木(Soft-Wood)兩大類。其用於船材者；硬木中以柚木(Teak)、橡木(Oak)、櫸木 (Zelkova)等為主，軟木則以松(Pine)、杉(Deal)、樅(Fir)、檜(Cypress)等為主。

木材強度隨含水率百分比而變，亦會隨溫度增加，而各種強度特性而會減弱，溫度降低時則木材強度變強。總 之，該影響強度現象，是即刻發生的，其影響大小程度則視各種木材含水率及溫度升高時間長或短而定，以標準 溫度華氏七十度含水率12％之木材各種木材強度，每超過或小於七十一度時，則其各種強度應力相對減加約0.3到 0.5百分比。

本軍LCVP登陸小艇之艇殼係用洋松或柳安木防水合板製造，洋松與柳安木均為紋理通直、節瘤少之長材，價 格便宜，用製防水七合板五合板等頗為相宜。以合板代替木材，輕而耐用是其優點。

肆、破壞力學與非破壞檢測在船體結構之運用考量

二次世界大戰期間，全電焊設計的二千五百艘自由輪，其中一百四十五艘折斷為 兩段，大約七百艘造成嚴重損 壞，同樣的不幸也發生於許多橋樑和結構物。經調查的結果，材料的瑕疵和應力集中是導致結構物損壞的主因。 高強度材料的使用大幅地增加，如：有限元素法主要為的是節省重量，同時由於應力分析方法的發展，如有限元 素法(F.E.M.)等之計算使得局部應力的決定更具可靠性，而容許的安全係數減少，也導致減少更多的重量，結果是 結構的設計採用高強度材料時僅需保有較小的安全餘留量，這亦是一般傳統的設計方式，但是當結構物處在有裂 痕情況下，這些標準就不適用了。材料強度的提高卻亦減低了其材料的韌性。因此在安全設計上就必須多加考慮 到材料破裂的特性。

材料破壞的主要起源包括有設計、材料選用，材料缺陷、加工和製造、再加工、組合、檢修、試驗、品質管制、 庫存和運輸，使用狀況維護和未預期的超負荷和使用受到機械式化學的損害。往往破損的原因不止一種。

以鋼鐵材及製品為例；如鋼錠、鋼胚、鑄造品、鍛造品、軋延品及焊接品等之表面或內部之裂痕、空隙及夾雜 物等缺陷，對鋼料強度及韌性就有不良的影響。

目前非破壞檢驗(Nondestructive Test)技術發展已有相當之功效，其可以用不損及鋼料而檢驗其有無缺陷及缺陷之 位置、大小或程度等。其主要用途為：

(1)鋼鐵材料或製品之驗收及安全檢驗之用。

(2)提供鋼料製造過程中影響品質因素之資料。

目前常被使用之非破壞檢驗方法有：

(1)超音波檢驗(Ultrasonic Test)

(2)放射線照相檢驗(Radiographic Test)

(3)磁粉檢驗(Magnetic Particle Test)

(4)浸透檢驗(Liquid Penetrant Test)

(5)渦電流檢驗(Eddy Current Test)

(6)電磁檢驗(Electro Magnetic Test)

(7)音洩檢驗(Accoustic Emission Test)

(8)洩漏檢驗(Lesk Test) 這些方法可以執行包含鋼鐵材料或製品表層及內部缺陷的發現，鋼料或製品厚度的測 定和塗膜厚度的測定及材質的鑑別等。

另外破壞力學近年來的研究發展已為成熟，其破壞力學研究的最終目的就是為了防止材料的破裂。在學理及實 務檢測上均有良好之方法配合使用，在傳統力學的觀念結合破裂韌性參數及檢驗來設計艦船結構，應可得到更安 全，更有保障的設計結果。

伍、結語

隨著科學與工業的進步，往往由於材料的發展；而使工程設計上引起突破性的改變與更新，今日的科學家與工 程師對材料知識的具備與探求已成為不可缺少的一門科學，每一位應用科學家或工程師無不與材料發生切身的關 係。

造艦為一綜合的工藝，因此在考慮何部位使用何種材料時，皆應做整體性之分析、功能、造價、維修、貨源.... 等等，因時、因地、因物均有不同之設計結果，為使有更好之艦船，則有待大家共同努力研究之。

參考資料

1.Koichi Masubuchi 〝Materials for Ocean Evgineering”

2.PETER M. PALERMD 争“STRUCTURAL INTEGRITY CRITERIA FOR NEW HULL MATERIALS”

3.中國材料科學學會“材料手冊Ⅰ、Ⅱ”

4.賀俊“材料工程與科學”

5.張志純歩“纖維混成複合材料之應用”

6.工藝材料

7.李金聲、李常聲“鋼船構造”

8.海軍常用金屬材料表

海軍上校譚海林

中正理工學院船研所

現服務於海軍造船發展中心