HY-80 - HY-80

Разрешать учебный класс USSПоршень на строительных путях в Остров Маре

HY-80 является высокопрочным, высоким пределом текучести, низким сплав стали. Он был разработан для использования в военно-морских целях, в частности, для разработки прочных корпусов для ядерных вооружений США. подводная лодка программа и до сих пор используется во многих военно-морских приложениях. Ценится за соотношение прочности и веса.[нужна цитата ]

Стали "HY" предназначены для обеспечения высокой предел текучести (сопротивление остаточной пластической деформации). HY-80 сопровождается HY-100 и HY-130, где каждый из 80, 100 и 130 относится к их пределу текучести в ksi (80 000 фунтов на квадратный дюйм, 100 000 фунтов на квадратный дюйм и 130 000 фунтов на квадратный дюйм). HY-80 и HY-100 являются сварочными марками; тогда как HY-130 обычно считается несварным. Современные методы производства стали, позволяющие точно контролировать время / температуру при обработке сталей HY, сделали производство более экономичным.[1] Считается, что HY-80 имеет хорошую коррозионную стойкость и хорошую формуемость, что дополняет его свариваемость.[1] Использование стали HY-80 требует тщательного рассмотрения процессов сварки, выбора присадочного металла и конструкции соединений с учетом изменений микроструктуры, деформации и концентрации напряжений.

Подводные лодки

Необходимость разработки улучшенных сталей была продиктована желанием иметь подводные лодки для более глубокого погружения. Чтобы избежать обнаружения сонар, подводные лодки в идеале работают на глубине не менее 100 метров ниже глубина звукового слоя.[2] Подводные лодки времен Второй мировой войны работали на глубине, редко превышающей 100 метров. С развитием атомные подводные лодки их новая независимость от поверхности для подачи воздуха для своих дизельных двигателей означала, что они могли сосредоточиться на скрытых операциях на глубине, а не работать в основном как надводные подводные аппараты. Возросшая мощность ядерных реакторов позволила их корпусам стать больше и быстрее. Развитие сонара позволило им эффективно охотиться на глубине, а не полагаться на визуальные наблюдения с глубина перископа. Все эти факторы вызвали потребность в улучшенных сталях для более прочных корпусов высокого давления.

Прочность корпуса подводной лодки ограничивается не только пределом текучести, но и усталостной прочностью.[3] Помимо очевидной необходимости в корпусе, достаточно прочном, чтобы не раздавить его на глубине, циклический эффект сотен погружений на протяжении всего срока службы подводной лодки[я] значит, что предел выносливости тоже важно. Чтобы обеспечить достаточное сопротивление усталости, корпус должен быть спроектирован так, чтобы сталь всегда работала ниже своей предел выносливости; то есть напряжение из-за давления на глубине остается меньше усталостной прочности в течение неопределенного числа циклов.

Подводные лодки США после Второй мировой войны, как обычные, так и ядерные, имели улучшенную конструкцию по сравнению с более ранними. подводные лодки флота. Их сталь также была улучшена и являлась эквивалентом «HY-42».[2] Лодки этой конструкции включены USSНаутилус, а Кататься на коньках-учебный класс, которые были первыми атомными подводными лодками с классической тогда формой корпуса. Позже Скипджек учебный класс, хотя и новой формы корпуса Albacore «слезинка», также использовали эти более ранние стали. Такие лодки имели нормальную рабочую глубину около 700 футов (210 м), а глубина дробления 1100 футов (340 м). Судовое бюро провела программу исследований по разработке стали повышенной прочности для строительства кораблей и подводных лодок. Во время тестирования вариант сталь специальной обработки (СТС), однородная Броня типа Круппа сталь, разработанная Карнеги Стил в 1910 году и обычно использовался для защиты палубы, с модификациями углерода и никеля и добавлением молибден, стал известен как «Низкоуглеродистый СТС»; эта сталь показала наилучшее сочетание всех желаемых свойств. Низкоуглеродистая СТС стала предшественником HY-80,[6] и впервые был использован в 1953 году для строительства USSАльбакор, малая дизельная исследовательская подводная лодка. Альбакор испытал его одноименный каплевидный корпус, который станет образцом для следующих ядерных классов США.[7]

Хотя рабочие глубины подводных лодок строго засекречены, их пределы глубины раздавливания могут быть рассчитаны приблизительно, только исходя из прочности стали. С более прочной сталью HY-80 эта глубина увеличилась до 1800 футов (550 м)], а с HY-100 - до 2250 футов (690 м).[2]

Первыми серийными подводными лодками, использовавшими сталь HY-80, были Разрешать учебный класс. Сообщается, что их нормальная рабочая глубина составляет 1300 футов, что составляет примерно две трети предела глубины дробления, установленного сталью.[2] USSThresher, головная лодка этого класса, была потеряна в результате аварии в 1963 году. В то время эта необъяснимая авария вызвала много споров о своей причине, и новая использованная сталь HY-80 вызывала подозрение, особенно в связи с теориями о растрескивании сварных швов. причина потери.[8][9][10]

Сталь HY-100 была представлена ​​для более глубоких погружений. Класс морского волка, хотя два предыдущих HY-80 Лос-Анджелес учебный класс, USSОлбани (1987) и USSТопика (1988), опробовали конструкцию HY-100. USSМорской волк официально заявлено, что нормальная рабочая глубина составляет «более 800 футов». Исходя из заявленной глубины разработки Thresher, можно предположить, что нормальная рабочая глубина Морской волк примерно вдвое превышает официальную цифру.[2]

HY-100 также преследовал проблемы растрескивания сварных швов. Морской волк строительство пострадало в 1991 году, и пришлось отказаться от 15% или двухлетних работ по постройке корпуса.[8] Хотя эти дополнительные расходы (и постсоветские мирные дивиденды) позже были решены, они стали фактором сокращения запланированных 29 Морской волк подводных лодок всего три построено.[11]

Металлургия

Сталь HY-80 относится к семейству низкоуглеродистых низколегированных сталей с никель, хром и молибден (Ni-Cr-Mo) в качестве легирующих элементов и упрочняется. Свариваемость стали хорошая, хотя она сопряжена с рядом проблем, связанных с содержанием углерода и сплава.[12] Содержание углерода может составлять от 0,12 до 0,20 мас.% При общем содержании сплава до 8 мас.%. Он также широко используется в военных / флотских приложениях с большими толстыми листами, которые добавляют к потенциальным проблемам свариваемости, например легкость термообработки и остаточных напряжений в толстом листе. Основной целью при разработке марок стали HY было создание класса сталей, обеспечивающих превосходный предел текучести и общую ударную вязкость, что частично достигается за счет закалки и отпуска. Сталь сначала подвергается термообработке при температуре от 900 градусов Цельсия до аустенитизировать материал перед закалкой. Быстрое охлаждение процесса закалки дает очень твердую микроструктуру в виде мартенсит.[13] Мартенсит нежелателен, поэтому необходимо, чтобы материал был отпущен примерно при 650 градусах Цельсия, чтобы снизить общую твердость и сформировать отпущенный мартенсит /бейнит.[13][14]

Окончательная микроструктура сварного шва будет напрямую связана с составом материала и термическими циклами, которые он претерпел, которые будут различаться в зависимости от основного материала, зоны термического влияния (HAZ) и зоны плавления (FZ). Микроструктура материала напрямую зависит от механических свойств, свариваемости и срока службы / характеристик материала / сварного изделия. При выборе стали HY-80 необходимо согласовывать и учитывать легирующие элементы, процедуры сварки и конструкцию сварных деталей.

HY-80 и HY-100 соответствуют следующим военным спецификациям США:

Содержание сплава

Содержание сплава будет немного отличаться в зависимости от толщины материала пластины. Более толстый лист будет более ограничен в отношении диапазонов его составов сплавов из-за дополнительных проблем свариваемости, создаваемых повышенными концентрациями напряжений в соединительных соединениях.[17]

Важность ключевых легирующих элементов

Углерод - контролирует максимальную твердость материала и является стабилизатором аустенита,[18] что необходимо для образования мартенсита. HY-80 склонен к образованию мартенсита, а максимальная твердость мартенсита зависит от содержания в нем углерода. HY-80 - это FCC материал, который позволяет углю легче диффундировать, чем материалы FCC, такие как аустенитная нержавеющая сталь.

Никель - повышает прочность и пластичность HY-80, а также является стабилизатором аустенита.

Марганец - очищает от примесей в стали (чаще всего используется для связывания серы), а также образует оксиды, необходимые для зарождения игольчатого феррита. Игольчатый феррит желателен в сталях HY-80, поскольку он обеспечивает превосходный предел текучести и ударную вязкость.[19]

Кремний - образующий оксид, который служит для очистки игольчатого феррита и создания точек зарождения.

Хром - это стабилизатор феррита, который может соединяться с углеродом с образованием карбидов хрома для повышения прочности материала.

Микроэлементы

Сурьма, олово и мышьяк являются потенциально опасными элементами для композиционного состава из-за их способности образовывать эвтектика и подавить локальные температуры плавления. Это возрастающая проблема с увеличением использования лома при производстве стали в электродуговая печь (EAF) процесс.

Точный диапазон допустимого содержания сплава незначительно варьируется в зависимости от толщины листа. Цифры здесь относятся к более толстым листам, 3 дюйма (76 мм) и более, которые представляют собой более ограниченные составы.

HY-80HY-100
Легирующие элементы
Углерод0.13–0.18%0.14–0.20%
Марганец0.10–0.40%
Фосфор0,015% макс.
Сера0,008% макс.
Кремний0.15–0.38%
Никель3.00–3.50%
Хром1.50–1.90%
Молибден0.50–0.65%
Остаточные элементы[ii]
Ванадий0,03% макс.
Титан0,02% макс.
Медь0,25% макс.
Микроэлементы[ii]
Сурьма0,025% макс.
Мышьяк0,025% макс.
Банка0,030% макс.

Другая сталь, HY-130, также включает ванадий в качестве легирующего элемента.[12] Сварка HY-130 считается более ограниченной, так как трудно получить присадочные материалы, которые могут обеспечить сопоставимые характеристики.[12]

Характеристики

Физические свойства стали HY-80, HY-100 и HY-130[20]
Сталь HY-80Сталь HY-100Сталь HY-130
Растяжимый предел текучести80 тысяч фунтов / кв. Дюйм

(550 МПа)

100 тысяч фунтов / кв. Дюйм

(690 МПа)

130 тысяч фунтов / кв. Дюйм

(900 МПа)

Твердость (Rockwell )С-21С-25С-30
Эластичные свойства
Модуль упругости

(ГПа )

207
Коэффициент Пуассона

.30
Модуль сдвига

(ГПа)

79
Объемный модуль

(ГПа)

172
Тепловые свойства
Плотность

(кг / м3)

774677487885
Проводимость

(Вт / мК)

3427
Удельная теплоемкость

(Дж / кг · К)

502489
Диффузность

(м2/ с)

.000009.000007
Коэффициент расширения (т. )

(K−1)

.000011.000014.000013
Температура плавления

(K)

1793

Свариваемость

Сталь HY-80 можно сваривать без происшествий при условии принятия надлежащих мер предосторожности, чтобы избежать потенциальных проблем свариваемости. Тот факт, что HY-80 является закаливаемой сталью, вызывает опасения по поводу образования незакаленного мартенсита как в зоне плавления (FZ), так и в зона термического влияния (ЗТТ).[13] Процесс сварки может создавать крутые температурные градиенты и быстрое охлаждение, которые необходимы для образования неотпущенного мартенсита, поэтому необходимо принять меры, чтобы этого избежать. Проблема свариваемости еще больше усложняется тем, что сталь HY-80 обычно применяется в толстых листах или больших сварных конструкциях для морского применения. Эти толстые листы, большие сварные детали и жесткие условия эксплуатации создают дополнительные риски из-за концентрации как внутренних, так и внешних напряжений в сварном соединении.[21]

HIC или HAC - водородное растрескивание или растрескивание, вызванное водородом, является реальной проблемой свариваемости, которую необходимо решать для сталей HY-80. Водородное охрупчивание является высоким риском для HY-80 при любых условиях и попадает в зону 3 для метода AWS.[22] HAC / HIC может происходить либо в зоне термоядерного синтеза, либо в зоне теплового воздействия.[23] Как упоминалось ранее, HAZ и FZ подвержены образованию мартенсита и, следовательно, подвержены риску HAC / HIC. HIC / HAC в зоне сварки можно решить с помощью подходящего присадочного металла, а HAZ HIC / HAC необходимо решить с помощью процедур предварительного нагрева и сварки. При сварке сталей HY-80 всегда рекомендуется использовать низкое содержание водорода.[13]

Невозможно автогенный шов HY-80 за счет образования неотпущенного мартенсита.[13] Использование присадочных металлов необходимо для введения легирующих материалов, которые служат для образования оксидов, способствующих зарождению игольчатого феррита.[13] ЗТВ по-прежнему является проблемой, которую необходимо решать с помощью надлежащих процедур предварительного нагрева и сварки, чтобы контролировать скорость охлаждения. Медленная скорость охлаждения может быть вредной, как и высокая скорость охлаждения в ЗТВ. При быстром охлаждении образуется незакаленный мартенсит; однако очень медленные скорости охлаждения, вызванные сильным предварительным нагревом или комбинацией предварительного нагрева и большого количества тепла, выделяемого в процессе сварки, могут привести к образованию очень хрупкого мартенсита из-за высоких концентраций углерода, которые образуются в ЗТВ.[13]

Следует предусмотреть предварительный нагрев, чтобы позволить диффузионному водороду диффундировать и уменьшить градиент температуры охлаждения.[24] Более низкая скорость охлаждения снизит вероятность образования мартенсита. Если температура предварительного нагрева недостаточно высока, градиент температуры охлаждения будет слишком крутым, что приведет к образованию хрупких сварных швов. [24] Многопроходные сварные швы требуют минимальной и максимальной температуры между проходами с целью поддержания предела текучести и предотвращения растрескивания.[24] Температура предварительного нагрева и промежуточного прохода зависит от толщины материала.

Сварочный присадочный металл

Обычно HY-80 сваривается сварочной проволокой AWS ER100S-1. ER100S-1 имеет более низкое содержание углерода и никеля, чтобы способствовать эффекту разбавления во время сварки, о котором говорилось ранее.[25] Важная функция присадочного металла - образование зародышей. игольчатый феррит. Игольчатый феррит образуется в присутствии оксидов, и состав присадочного металла может увеличить образование этих критических центров зародышеобразования.[26]

Сварочные процессы

Выбор процесса сварки может существенно повлиять на области, подверженные сварке. Подвод тепла может изменить микроструктуру как в ЗТВ, так и в зоне плавления, а ударная вязкость металла шва / ЗТВ является ключевым соображением / требованием для сварных деталей HY-80. При выборе процесса важно учитывать всю сварку, поскольку толстый лист обычно требует многопроходных сварных швов, а дополнительные проходы могут изменить ранее наплавленный металл шва. Различные методы (SMAW, GMAW, УВИДЕЛ ) может иметь значительное влияние на вязкость разрушения материала.[1] Пила, например, может закаливать предыдущие проходы сварки из-за ее обычно высоких характеристик теплопроводности. Подробные профили твердости сварных деталей HY-80 варьируются в зависимости от различных процессов (градиенты сильно различаются), но пиковые значения твердости остаются постоянными для различных процессов.[1] Это справедливо как для HAZ, так и для металла шва.

Искажение и стресс

Учитывая различия в составе основного материала и композитной зоны сварного шва, можно ожидать Искажение из-за неравномерного расширения и сжатия. Этот механический эффект может вызвать остаточные напряжения, которые могут привести к множеству отказов сразу после сварки или к отказам в процессе эксплуатации под нагрузкой. В сталях HY-80 уровень деформации пропорционален уровню подводимой теплоты сварного шва: чем выше подводимая теплота, тем выше уровень деформации. Было обнаружено, что HY-80 имеет меньшую усадку в плоскости сварного шва и меньшую деформацию вне плоскости, чем обычный ABS марки DH-36.[27]

Тестирование

Испытания стали HY-80 можно разделить на категории разрушающей и неразрушающей оценки. Разнообразные разрушающие тесты от Шарпи V-образный вырез до взрыва выпуклость может быть выполнена. Разрушающее испытание нецелесообразно для проверки готовых сварных конструкций до их ввода в эксплуатацию; следовательно, NDE в этом случае предпочтительнее. Неразрушающая оценка включает в себя множество методов или методов: визуальный контроль, рентген, ультразвуковой контроль, контроль магнитных частиц и вихревой ток осмотр.

Предел прочности этих сталей считается вторичным по отношению к их пределу текучести. Если это требуется для достижения определенного значения, оно указывается для каждого заказа.

Прочность с надрезом - это мера сопротивление разрыву, способность стали сопротивляться дальнейшему разрыву из уже существующей выемки. Обычно оценивается как коэффициент текучести, отношение сопротивления разрыву к пределу текучести.[28][29][30][31]

Деформируемые стали HY-80 производятся, в том числе, АрселорМиттал в США,[32][33] поковки и отливки из HY-80 по Шеффилд Форджмастерс[34] и отливки в HY80 от Стальные отливки Goodwin в Соединенном Королевстве.[35]

Рекомендации

  1. ^ USSТаллиби, 730 погружений за время работы.[4] USSТорск Учебная дизельная подводная лодка совершила 11 884 погружения.[5]
  2. ^ а б Элементы не добавлены намеренно
  1. ^ а б c d Яйла П. (лето 2007 г.). «Влияние сварочных процессов на механические свойства сварных деталей из стали HY80». Материалы и дизайн. 28 (6): 1898–1906. Дои:10.1016 / j.matdes.2006.03.028.
  2. ^ а б c d е "Беги без звука, беги глубоко". Сеть военного анализа. Федерация американских ученых. 8 декабря 1998 г.
  3. ^ Хеллер, капитан С. Р. Младший; Фиорити, Иво; Васта, Джон (февраль 1965 г.). «Оценка стали HY-80 как конструкционного материала для подводных лодок». Журнал морских инженеров. 77 (1): 29–44. Дои:10.1111 / j.1559-3584.1965.tb05644.x.
  4. ^ "USS Таллиби - История ». Архивировано из оригинал на 2014-05-17. Получено 2015-05-20.
  5. ^ "История USS Торск (SS-423) ". usstorsk.org.
  6. ^ Оценка стали HY-80 как конструкционного материала для подводных лодок.
  7. ^ Ускорение использования новых материалов. Национальный исследовательский совет (США). Комитет по ускоренному использованию новых материалов. С. 77–78.
  8. ^ а б Лин Биксби (8 сентября 1991 г.). "Ремонт корпуса подводных лодок". Хартфорд Курант.
  9. ^ Роквелл, Теодор (2002). Эффект Риковера. iUniverse. п. 316. ISBN  978-0-595-25270-1.
  10. ^ Полмар, Норман (2004). Смерть USS Thresher. Globe Pequot. С. 1–2. ISBN  978-0-7627-9613-7.
  11. ^ «Производство стали HY-80 в строительстве подводных лодок» (PDF). Бу. Корабли. 21–22 марта 1960 г.
  12. ^ а б c Flax, R.W .; Keith, R.E .; Рэндалл, доктор медицины (1971). Сварка сталей HY (PDF). Американское общество испытаний и материалов (ASTM). ISBN  978-0-8031-0073-2. Специальная техническая публикация ASTM 494.
  13. ^ а б c d е ж грамм Роепке, К. (август 2009 г.). «Гибридная лазерная дуговая сварка стали HY-80» (PDF). Дополнение к Weld. J. 88: 159–167.
  14. ^ Чэ, Д. (сентябрь 2001 г.). «Поведение при разрушении зон теплового воздействия в стальных сварных конструкциях HSLA-100 и HY-100». Металл. Mater. Пер. 32A: 2001–2229.
  15. ^ «Военные спецификации: стальной лист, сплав, конструкции, высокая прочность на текучесть (HY-8O и HY-1OO)» (PDF). 19 июня 1987 г. MIL-S-16216.
  16. ^ «Военная спецификация: стальные прутки (HY-80 и HY-100), сплавы» (PDF). 5 июня 2003 г. MIL S-21952.
  17. ^ Липпольд, Джон (2015). Сварка, металлургия и свариваемость. Соединенные Штаты Америки: Wiley. С. 288–300. ISBN  978-1-118-23070-1.
  18. ^ Липпольд (2015), п. 226.
  19. ^ Коу, Синдо (2003). Сварка Металлургия. Соединенные Штаты Америки: Wiley-Interscience. С. 74–84. ISBN  978-0-471-43491-7.
  20. ^ Холмквист, T.J (сентябрь 1987 г.). «Характеристики прочности и разрушения сталей HY-80, HY-100 и HY-130, подверженных различным деформациям, скоростям деформации, температурам и давлениям» (PDF). AD-A233 061.
  21. ^ Липпольд (2015) С. 288–297.
  22. ^ Справочник по металлам ASM. Том 6. Соединенные Штаты Америки: ASM International. 1993. С. 184–188. ISBN  978-0-87170-377-4.
  23. ^ Липпольд (2015) С. 213–262.
  24. ^ а б c Пателла, Грегори (декабрь 2014 г.). «Обзор сварочных процессов, механических свойств и свариваемости отливок HY-80» (PDF). Аспирантура Политехнического института Ренсселера. С. 13–14.
  25. ^ Вашингтонский сплав. «Таблицы технических данных» (PDF).
  26. ^ Коу (2003) С. 66–97.
  27. ^ Ян, Ю.П. (ноябрь 2014 г.). «Влияние прочности материала на усадку и деформацию сварного шва». Сварка. Дж. 93: 421–430 с.
  28. ^ Кауфман, Джон Гилберт (2001). Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов: ударная вязкость, сопротивление разрыву. ASM International. п. 38. ISBN  978-0-87170-732-1.
  29. ^ «Свойства стали HY-100 для морского строительства» (PDF).
  30. ^ «Свойства при растяжении сварных швов стали HY80, содержащих дефекты, коррелированные с ультразвуковой и радиографической оценкой» (PDF). Апрель 1972 г.
  31. ^ «Легированные стали HY80».
  32. ^ «HY 80/100 (MIL-S-16216)». Американская легированная сталь.
  33. ^ "Броня: сталь для национальной обороны" (PDF). АрселорМиттал США.
  34. ^ "Марки стали Sheffield Forgemasters". Шеффилд Форджмастерс.
  35. ^ «Материалы снабжения GSC Defense» (PDF). Goodwin Steel Castings Ltd.