HY-80

Zezwolenie klasy USS Plunger na drogi budowlane na Mare Island

HY-80 jest niskostopową stalą o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności . Został opracowany do zastosowań morskich, w szczególności do rozwoju kadłubów ciśnieniowych dla programu atomowych okrętów podwodnych USA i nadal jest obecnie używany w wielu zastosowaniach morskich. Jest ceniony ze względu na stosunek wytrzymałości do masy .

Stale „HY” są zaprojektowane tak, aby miały wysoką granicę plastyczności (wytrzymałość na trwałe odkształcenia plastyczne). HY-80 towarzyszy HY-100 i HY-130, przy czym każdy z 80, 100 i 130 odnosi się do ich granicy plastyczności w ksi (80 000 psi, 100 000 psi i 130 000 psi). HY-80 i HY-100 są spawalnymi gatunkami, podczas gdy HY-130 jest ogólnie uważany za niespawalny. Nowoczesne metody produkcji stali, które umożliwiają precyzyjną kontrolę czasu/temperatury podczas przetwarzania stali HY, sprawiły, że koszt produkcji stał się bardziej ekonomiczny. Uważa się, że HY-80 ma dobrą odporność na korozję i dobrą plastyczność, aby uzupełnić spawalność. Użycie stali HY-80 wymaga starannego rozważenia procesów spawania, doboru spoiwa i projektu złącza, aby uwzględnić zmiany mikrostruktury, odkształcenia i koncentrację naprężeń.

okręty podwodne

Potrzeba opracowania ulepszonych stali była spowodowana chęcią głębiej nurkujących okrętów podwodnych. Aby uniknąć wykrycia przez sonar , okręty podwodne najlepiej działają co najmniej 100 metrów poniżej głębokości warstwy dźwiękowej . Okręty podwodne z II wojny światowej operowały na całkowitej głębokości rzadko większej niż 100 metrów. Wraz z rozwojem atomowych okrętów podwodnych , ich nowa niezależność od powierzchni w zakresie dopływu powietrza do ich silników wysokoprężnych oznaczała, że ​​mogli skupić się na ukrytych operacjach na głębokości, zamiast działać głównie jako okręty podwodne do pływania po powierzchni. Zwiększona moc reaktora jądrowego pozwoliła ich kadłubom stać się większymi i szybszymi. Rozwój sonaru umożliwił im skuteczne polowanie na głębokości, zamiast polegać na obserwacjach wizualnych z głębokości peryskopowej . Wszystkie te czynniki spowodowały potrzebę ulepszonych stali dla mocniejszych kadłubów ciśnieniowych.

Wytrzymałość kadłuba łodzi podwodnej jest ograniczona nie tylko granicą plastyczności, ale także wytrzymałością zmęczeniową. Poza oczywistą potrzebą kadłuba wystarczająco mocnego, aby nie został zmiażdżony na głębokości, cykliczny efekt setek nurkowań w ciągu całego życia okrętu podwodnego oznacza, że ​​ważna jest również wytrzymałość zmęczeniowa . Aby zapewnić wystarczającą odporność na zmęczenie, kadłub musi być zaprojektowany w taki sposób, aby stal zawsze działała poniżej granicy wytrzymałości ; to znaczy naprężenie spowodowane ciśnieniem na głębokości pozostaje mniejsze niż wytrzymałość zmęczeniowa przez nieokreśloną liczbę cykli.

okrętami podwodnymi wcześniejszej floty . Ich stal również została ulepszona i była odpowiednikiem „HY-42”. Wśród łodzi tej konstrukcji były między innymi USS Nautilus i Skate . , które były pierwszymi atomowymi okrętami podwodnymi o konwencjonalnym wówczas kształcie kadłuba Późniejsza klasa Skipjack , chociaż miała nowy kształt kadłuba Albacore „łza”, również wykorzystywała te wcześniejsze stale. Takie łodzie miały normalną głębokość operacyjną około 700 stóp (210 m) i a głębokość zmiażdżenia 1100 stóp (340 m). Bureau of Ships przeprowadziło program badawczy w celu opracowania stali o podwyższonej wytrzymałości do budowy statków i łodzi podwodnych. Podczas testów odmiana stali do specjalnej obróbki (STS), jednorodna stal pancerna typu Krupp, opracowana przez Carnegie Steel w 1910 roku i powszechnie stosowana do ochrony pokładu, z modyfikacjami węgla i niklu oraz dodatkiem molibdenu , stał się znany jako „Niskoemisyjny STS”; stal ta wykazała najlepszą kombinację wszystkich pożądanych właściwości. Niskoemisyjny STS stał się prekursorem HY-80 i został po raz pierwszy użyty w 1953 roku do budowy USS Albacore , małej badawczej łodzi podwodnej z silnikiem Diesla. Albacore przetestował swój tytułowy kształt kadłuba w kształcie łzy, który stanowiłby wzór dla następujących klas nuklearnych w USA.

Chociaż głębokości operacyjne okrętów podwodnych są ściśle tajne, ich granice głębokości zgniatania można obliczyć w przybliżeniu, wyłącznie na podstawie znajomości wytrzymałości stali. W przypadku mocniejszej stali HY-80 głębokość ta wzrosła do 1800 stóp (550 m), aw przypadku HY-100 do 2250 stóp (690 m).

Pierwszymi produkowanymi okrętami podwodnymi, w których zastosowano stal HY-80, były okręty typu Permit . Te podobno miały normalną głębokość operacyjną 1300 stóp, mniej więcej dwie trzecie limitu głębokości zgniatania narzuconego przez stal. USS Thresher , wiodąca łódź tej klasy, zaginęła w wypadku w 1963 roku. W tamtym czasie ten niewyjaśniony wypadek wzbudził wiele kontrowersji co do jego przyczyny, a zastosowana nowa stal HY-80 była podejrzliwa, zwłaszcza ze względu na teorie dotyczące pękania spoin był przyczyną straty.

Stal HY-100 została wprowadzona dla głębiej nurkującej klasy Seawolf , chociaż dwie z poprzednich klas HY-80 Los Angeles , USS Albany (1987) i USS Topeka (1988), wypróbowały konstrukcję HY-100. Oficjalnie twierdzi się, że USS Seawolf ma normalną głębokość operacyjną „większą niż 800 stóp”. Na podstawie zgłoszonej głębokości operacyjnej Thresher można założyć, że normalna głębokość operacyjna Seawolf jest mniej więcej dwukrotnie większa niż oficjalna wartość.

HY-100 również miał problemy z pękaniem spoin. Konstrukcja Seawolfa doznała niepowodzeń w 1991 r. i szacunkowo 15% lub dwa lata prac nad budową kadłuba musiały zostać przerwane. Chociaż później rozwiązane, te dodatkowe koszty (i poradziecka dywidenda pokojowa) wpłynęły na zmniejszenie liczby planowanych 29 Seawolf do zaledwie trzech zbudowanych.

Metalurgia

Stal HY-80 należy do rodziny stali niskowęglowych i niskostopowych zawierających nikiel , chrom i molibden (Ni-Cr-Mo) jako pierwiastki stopowe i jest hartowalna. Spawalność stali jest dobra, choć wiąże się z szeregiem wyzwań związanych z zawartością węgla i stopów. Zawartość węgla może mieścić się w zakresie od 0,12 do 0,20% wagowych, przy całkowitej zawartości stopu do 8% wagowych. Jest również szeroko stosowany w zastosowaniach wojskowych/marynarki wojennej z dużymi grubymi przekrojami blach, które zwiększają potencjalne problemy ze spawalnością, np. łatwość obróbki cieplnej i naprężenia szczątkowe w grubych blachach. Głównym celem podczas opracowywania gatunków stali HY- było stworzenie klasy stali, która zapewnia doskonałą granicę plastyczności i ogólną udarność, co jest osiągane częściowo przez hartowanie i odpuszczanie. Stal jest najpierw poddawana obróbce cieplnej w temperaturze 900 stopni Celsjusza austenityzować materiał przed hartowaniem. Szybkie chłodzenie procesu hartowania powoduje powstanie bardzo twardej mikrostruktury w postaci martenzytu . Martenzyt nie jest pożądany i dlatego konieczne jest odpuszczanie materiału w temperaturze około 650 stopni Celsjusza w celu zmniejszenia całkowitej twardości i utworzenia odpuszczonego martenzytu/ bainitu .

Ostateczna mikrostruktura konstrukcji spawanej będzie bezpośrednio związana ze składem materiału i cyklami termicznymi, jakie on przeszedł, które będą się różnić w zależności od materiału bazowego, strefy wpływu ciepła (HAZ) i strefy przetopienia (FZ). Mikrostruktura materiału będzie bezpośrednio skorelowana z właściwościami mechanicznymi, spawalnością i żywotnością/wydajnością materiału/konstrukcji spawanej. Elementy stopowe, procedury spawania i projekt konstrukcji spawanej muszą być skoordynowane i rozważone przy planowaniu użycia stali HY-80.

HY-80 i HY-100 są objęte następującymi specyfikacjami wojskowymi USA:

• MIL S-16216
• MIL S-21952

Zawartość stopu

Zawartość stopu będzie się nieznacznie różnić w zależności od grubości materiału płyty. Grubsza blacha będzie bardziej restrykcyjna w zakresach składu stopu ze względu na dodatkowe wyzwania związane ze spawalnością spowodowane zwiększoną koncentracją naprężeń w złączach.

Znaczenie kluczowych pierwiastków stopowych

Węgiel – kontroluje szczytową twardość materiału i jest stabilizatorem austenitu, niezbędnym do tworzenia martenzytu. HY-80 jest podatny na powstawanie martenzytu, a szczytowa twardość martenzytu zależy od zawartości węgla. HY-80 to FCC , który pozwala na łatwiejszą dyfuzję węgla niż w materiałach FCC, takich jak austenityczna stal nierdzewna .

Nikiel – zwiększa wytrzymałość i plastyczność HY-80, a także jest stabilizatorem austenitu.

Mangan – Czyści zanieczyszczenia ze stali (najczęściej używany do wiązania siarki), a także tworzy tlenki, które są niezbędne do zarodkowania ferrytu iglastego. Ferryt iglasty jest pożądany w stalach HY-80, ponieważ zapewnia doskonałą granicę plastyczności i udarność.

Silicon - Tlenek tworzący, który służy do czyszczenia i zapewniania punktów zarodkowania ferrytu iglastego.

Chrom – jest stabilizatorem ferrytu i może łączyć się z węglem, tworząc węgliki chromu w celu zwiększenia wytrzymałości materiału.

Pierwiastki śladowe

Antymon, cyna i arsen są pierwiastkami potencjalnie niebezpiecznymi w składzie kompozycji ze względu na ich zdolność do tworzenia eutektyków i tłumienia lokalnych temperatur topnienia. Jest to narastający problem związany ze zwiększonym zużyciem złomu do wytwarzania stali w elektrycznego pieca łukowego (EAF).

Dokładny zakres dopuszczalnej zawartości stopu różni się nieznacznie w zależności od grubości blachy. Poniższe liczby dotyczą grubszych arkuszy, 3 cale (76 mm) i więcej, które są bardziej restrykcyjnymi kompozycjami.

	HY-80	HY-100
Pierwiastki stopowe
Węgiel	0,13–0,18%	0,14–0,20%
Mangan	0,10–0,40%
Fosfor	0,015% maks
Siarka	0,008% maks
Krzem	0,15–0,38%
Nikiel	3,00–3,50%
Chrom	1,50–1,90%
molibden	0,50–0,65%
Pozostałości elementów
Wanad	0,03% maks
Tytan	0,02% maks
Miedź	0,25% maks
Pierwiastki śladowe
Antymon	0,025% maks
Arsen	0,025% maks
Cyna	0,030% maks

Kolejna stal, HY-130, zawiera również wanad jako pierwiastek stopowy. Spawanie HY-130 jest uważane za bardziej ograniczone, ponieważ trudno jest uzyskać materiały dodatkowe, które mogą zapewnić porównywalne parametry.

Charakterystyka

Właściwości fizyczne stali HY-80, HY-100 i HY-130

	Stal HY-80	Stal HY-100	Stal HY-130
Granica plastyczności przy rozciąganiu	80 ks (550 MPa)	100 ksi (690 MPa)	130 ks (900 MPa)
Twardość ( Rockwella )	C-21	C-25	C-30
Właściwości elastyczne
Moduł sprężystości $mi {\ Displaystyle E$ ( GPa )	207
Współczynnik Poissona ${\ displaystyle \ nu}$	0,30
Moduł ścinania ${\ Displaystyle G = E / 2 (1 + \ nu)}$ (GPa)	79
Moduł objętościowy ${\ Displaystyle K = E / 3 (1-2 \ nu)}$ (GPa)	172
Właściwości termiczne
Gęstość ${\ Displaystyle \ rho}$ (kg / m 3 )	7746	7748	7885
Przewodność ${\ displaystyle k}$ (W / mK)	34		27
Ciepło właściwe ${\ displaystyle c_ {p}}$ (J / kg K)	502		489
Dyfuzyjność ${\ Displaystyle k / \ rho c_ {p}}$ (m 2 / s)	.000009		.000007
Współczynnik rozszerzalności ( obj. ) ${\ Displaystyle \ alfa}$ (K -1 )	.000011	.000014	.000013
Temperatura topnienia ${\ Displaystyle T_ {topić}}$ (K)	1793

Spawalność

Stal HY-80 może być spawana bez incydentów, pod warunkiem zachowania odpowiednich środków ostrożności w celu uniknięcia potencjalnych problemów ze spawalnością. Fakt, że HY-80 jest stalą hartowniczą, budzi obawy związane z tworzeniem się nieodpuszczonego martenzytu zarówno w strefie przetopienia (FZ), jak iw strefie wpływu ciepła (HAZ). Proces spawania może powodować strome gradienty temperatury i szybkie chłodzenie, które są niezbędne do powstania niehartowanego martenzytu, dlatego należy podjąć środki ostrożności, aby tego uniknąć. Kwestię spawalności dodatkowo komplikuje ogólne zastosowanie stali HY-80 w grubych blachach lub dużych konstrukcjach spawanych do zastosowań morskich. Te grube blachy, duże konstrukcje spawane i rygorystyczne warunki pracy stwarzają dodatkowe ryzyko ze względu na wewnętrzną i zewnętrzną koncentrację naprężeń w złączu spawanym.

HIC lub HAC — pękanie wywołane wodorem lub wspomagane wodorem jest prawdziwym problemem związanym ze spawalnością, którym należy się zająć w przypadku stali HY-80. Kruchość wodorowa stanowi wysokie ryzyko we wszystkich warunkach dla HY-80 i mieści się w strefie 3 dla metody AWS. HAC/HIC może wystąpić zarówno w strefie fuzji, jak i strefie wpływu ciepła. Jak wspomniano wcześniej, HAZ i FZ są podatne na tworzenie martenzytu, a zatem są narażone na HAC/HIC. Fusion Zone HIC/HAC można rozwiązać za pomocą odpowiedniego spoiwa, podczas gdy HAZ HIC/HAC należy rozwiązać za pomocą procedur wstępnego podgrzewania i spawania. Podczas spawania stali HY-80 zawsze zaleca się praktykę o niskiej zawartości wodoru.

Nie ma możliwości spawania autogenicznego HY-80 ze względu na powstawanie niehartowanego martenzytu. Do wprowadzenia materiałów stopowych służących do tworzenia tlenków sprzyjających zarodkowaniu ferrytu iglastego wymagane jest użycie spoiwa metalicznego. HAZ nadal stanowi problem, który należy rozwiązać za pomocą odpowiednich procedur podgrzewania i spawania w celu kontrolowania szybkości chłodzenia. Powolne tempo chłodzenia może być równie szkodliwe jak szybkie tempo chłodzenia w SWC. Szybkie chłodzenie utworzy niehartowany martenzyt; jednak bardzo powolne tempo chłodzenia spowodowane wysokim podgrzewaniem wstępnym lub połączeniem podgrzewania wstępnego i dużego wkładu ciepła z procedur spawania może spowodować powstanie bardzo kruchego martenzytu z powodu wysokich stężeń węgla, które tworzą się w SWC.

Należy rozważyć wstępne podgrzanie, aby umożliwić dyfuzję wodoru dyfuzyjnego i zmniejszyć gradient temperatury chłodzenia. Wolniejsza szybkość chłodzenia zmniejszy prawdopodobieństwo powstawania martenzytu. Jeśli temperatura wstępnego nagrzania nie jest wystarczająco wysoka, gradient temperatury chłodzenia będzie zbyt stromy i spowoduje powstanie kruchych spawów. Spoiny wielowarstwowe wymagają minimalnej i maksymalnej temperatury między warstwami w celu utrzymania granicy plastyczności i zapobiegania pękaniu. Temperatury podgrzewania wstępnego i między przejściami zależą od grubości materiału.

Spoiwo spawalnicze

Generalnie HY-80 spawany jest drutem spawalniczym AWS ER100S-1. ER100S-1 ma niższą zawartość węgla i niklu, aby pomóc w omówionym wcześniej efekcie rozcieńczania podczas spawania. Ważną funkcją spoiwa jest zarodkowanie ferrytu iglastego . Ferryt iglasty powstaje w obecności tlenków, a skład spoiwa może zwiększać powstawanie tych krytycznych miejsc zarodkowania.

Procesy spawalnicze

Wybór procesu spawania może mieć istotny wpływ na obszary objęte spawaniem. Doprowadzane ciepło może zmienić mikrostrukturę w SWC i strefie wtopienia, a udarność metalu spoiny/HAZ jest kluczowym wymogiem/wymaganiem dla spawów HY-80. Przy wyborze procesu ważne jest, aby wziąć pod uwagę całość konstrukcji spawanej, ponieważ gruba blacha zazwyczaj wymaga spoin wielościegowych, a dodatkowe przejścia mogą zmienić poprzednio osadzony metal spoiny. Różne metody ( SMAW , GMAW , SAW ) może mieć znaczący wpływ na odporność materiału na pękanie. SAW jako przykład może odpuszczać poprzednie ściegi spawalnicze ze względu na ogólnie wysoką charakterystykę wprowadzanego ciepła. Szczegółowe profile twardości spawanych elementów HY-80 różnią się w zależności od różnych procesów (gradienty różnią się znacznie), ale wartości szczytowe twardości pozostają stałe w różnych procesach. Dotyczy to zarówno HAZ, jak i metalu spoiny.

Zniekształcenie i stres

Biorąc pod uwagę różnice składu między materiałem podstawowym a strefą kompozytową spoiny, uzasadnione jest oczekiwanie potencjalnego odkształcenia spowodowanego nierównomiernym rozszerzaniem się i kurczeniem. Ten efekt mechaniczny może powodować naprężenia szczątkowe, które mogą prowadzić do różnych uszkodzeń bezpośrednio po spawaniu lub awarii eksploatacyjnych pod obciążeniem. W stalach HY-80 poziom odkształcenia jest proporcjonalny do poziomu doprowadzonego ciepła spoiny, im wyższe doprowadzone ciepło, tym wyższy poziom odkształcenia. Stwierdzono, że HY-80 ma mniejszy skurcz spoiny w płaszczyźnie i mniej odkształceń poza płaszczyzną niż zwykły ABS klasy DH-36.

Testowanie

Badania stali HY-80 można podzielić na kategorie oceny niszczącej i nieniszczącej. Można przeprowadzić różnorodne testy niszczące, od Charpy V-karb do wybrzuszenia wybuchowego. Badania niszczące nie są praktyczne w przypadku kontroli gotowych konstrukcji spawanych przed oddaniem ich do eksploatacji; dlatego w tym przypadku preferowane jest NDE . Ocena nieniszcząca obejmuje wiele technik lub metod: inspekcję wizualną, rentgenowską, ultradźwiękową, magnetyczno-proszkową i metodą prądów wirowych .

Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie tych stali jest uważana za drugorzędną w stosunku do ich granicy plastyczności. Tam, gdzie jest to wymagane do osiągnięcia określonej wartości, jest to określone dla każdego zamówienia.

Wytrzymałość karbu jest miarą odporności na rozdarcie , czyli zdolności stali do wytrzymania dalszego rozdzierania z wcześniej istniejącego karbu. Zwykle ocenia się go jako stosunek wytrzymałości na rozdzieranie , czyli stosunek odporności na rozdzieranie do granicy plastyczności.

Stale do przeróbki plastycznej HY-80 produkowane są m.in. przez ArcelorMittal w USA, odkuwki i odlewy w HY-80 przez Sheffield Forgemasters , a odlewy w HY80 przez Goodwin Steel Castings w Wielkiej Brytanii.