Jump to content

HY-80

Разрешение класса USS Plunger на строительных путях на острове Мэр

HY-80 — это высокопрочная низколегированная сталь с высоким пределом текучести . Он был разработан для использования в военно-морских целях, в частности при разработке прочных корпусов для программы атомных подводных лодок США , и до сих пор используется во многих военно-морских приложениях. Его ценят за соотношение прочности и веса . [ нужна ссылка ]

Стали «HY» обладают высоким пределом текучести (прочностью в сопротивлении остаточной пластической деформации). HY-80 сопровождается HY-100 и HY-130, где каждое из 80, 100 и 130 относится к пределу текучести в тысячах фунтов на квадратный дюйм (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 свариваемыми марками, тогда как HY-130 обычно считается несвариваемым. Современные методы производства стали, которые позволяют точно контролировать время/температуру во время обработки HY-сталей, сделали затраты на производство более экономичными. [ 1 ] Считается, что HY-80 обладает хорошей коррозионной стойкостью и хорошей формуемостью, а также свариваемостью. [ 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

[ редактировать ]

Необходимость в разработке улучшенных сталей была вызвана стремлением к созданию более глубоко ныряющих подводных лодок. Чтобы избежать обнаружения гидролокатором , подводные лодки в идеале должны действовать как минимум на 100 метров ниже глубины звукового слоя . [ 2 ] Подводные лодки времен Второй мировой войны действовали на общей глубине редко более 100 метров. С развитием атомных подводных лодок их новая независимость от поверхности для подачи воздуха для их дизельных двигателей означала, что они могли сосредоточиться на скрытой работе на глубине, а не действовать в основном как надводные подводные лодки. Возросшая мощность ядерного реактора позволила их корпусам стать больше и быстрее. Развитие гидролокаторов позволило им эффективно охотиться на глубине, вместо того, чтобы полагаться на визуальные наблюдения с глубины перископа . Все эти факторы вызвали необходимость в улучшенных сталях для более прочных корпусов.

Прочность корпуса подводной лодки ограничивается не только пределом текучести, но и усталостной прочностью. [ 3 ] Помимо очевидной необходимости иметь корпус, достаточно прочный, чтобы его не раздавить на глубине, циклический эффект сотен погружений в течение срока службы подводной лодки [ я ] Это означает, что усталостная прочность также важна. Чтобы обеспечить достаточную устойчивость к усталости, корпус должен быть спроектирован таким образом, чтобы сталь всегда работала ниже предела выносливости ; то есть напряжение от давления на глубине остается меньше усталостной прочности в течение неопределенного числа циклов.

Подводные лодки США после Второй мировой войны, как обычные, так и атомные, имели улучшенную конструкцию по сравнению с подводными лодками более раннего флота . Их сталь также была усовершенствована и являлась аналогом «HY-42». [ 2 ] Лодки этой конструкции включали USS Nautilus и Skate -класс , которые были первыми атомными подводными лодками с традиционной для того времени формой корпуса. Более поздний Skipjack класс , хотя и имел новую каплевидную форму корпуса Albacore, также использовал эти более ранние стали. Такие лодки имели нормальную рабочую глубину около 700 футов (210 м) и глубину раздавливания 1100 футов (340 м). Бюро кораблей провело исследовательскую программу по разработке стали повышенной прочности для строительства кораблей и подводных лодок. В ходе испытаний вариант стали специальной обработки (STS), гомогенной броневой стали типа Круппа, разработанной Carnegie Steel в 1910 году и обычно используемой для защиты палубы, с модификациями углерода и никеля и добавлением молибдена , стал известен как «Низкая сталь». -карбоновый СТС"; эта сталь показала лучшее сочетание всех желаемых свойств. Низкоуглеродистый STS стал предшественником HY-80, [ 6 ] и впервые был использован в 1953 году для строительства USS Albacore небольшой дизельной исследовательской подводной лодки . Albacore испытала свою одноименную каплевидную форму корпуса, которая станет образцом для следующих ядерных классов США. [ 7 ]

Хотя рабочие глубины подводных лодок строго засекречены, пределы глубины их разрушения можно рассчитать приблизительно, исключительно зная прочность 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, в которых использовалась сталь HY-80, были лодки Permit класса . Сообщается, что их нормальная рабочая глубина составляла 1300 футов, что примерно составляло две трети предельной глубины разрушения, налагаемой сталью. [ 2 ] USS Thresher , головная лодка этого класса, погибла в результате аварии в 1963 году. В то время эта необъяснимая авария вызвала много споров о ее причинах, а к новой использованной стали HY-80 относились с подозрением, особенно из-за теорий о растрескивании сварных швов. являющийся причиной потери. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

Сталь HY-100 была представлена ​​для более глубоководных самолетов Seawolf класса , хотя два самолета предыдущего класса HY-80 Los Angeles , USS Albany (1987 г.) и USS Topeka (1988 г.), испытывали конструкцию HY-100. Официально утверждается, что военный корабль США «Сивулф » имеет нормальную рабочую глубину «более 800 футов». Основываясь на заявленной рабочей глубине Thresher , можно предположить, что нормальная рабочая глубина Seawolf примерно вдвое превышает официальную цифру. [ 2 ] [ нарушение авторских прав? ] [ ненадежный источник? ]

HY-100 также преследовали проблемы растрескивания сварных швов. Seawolf В 1991 году строительство потерпело неудачу, и, по оценкам, 15% или двухлетние работы по строительству корпуса пришлось прекратить. [ 8 ] Хотя позже эти дополнительные расходы (и дивиденды постсоветского мира) были решены, они стали фактором, сократившим запланированное количество подводных лодок Seawolf с 29 до всего трех построенных. [ 11 ]

Металлургия

[ редактировать ]

Окончательная микроструктура сварного изделия будет напрямую связана с составом материала и термическим циклом(ами), которому он подвергся, который будет варьироваться в зависимости от основного материала, зоны термического влияния (HAZ) и зоны плавления (FZ). Микроструктура материала напрямую зависит от механических свойств, свариваемости и срока службы/производительности материала/сварного изделия. Легирующие элементы, процедуры сварки и конструкция сварных деталей необходимо согласовывать и учитывать при использовании стали HY-80.

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

Содержание сплава

[ редактировать ]

Содержание сплава будет незначительно меняться в зависимости от толщины материала пластины. Более толстая пластина будет иметь более строгие ограничения в диапазоне состава сплава из-за дополнительных проблем со свариваемостью, создаваемых повышенной концентрацией напряжений в соединительных соединениях. [ 14 ]

Важность ключевых легирующих элементов

[ редактировать ]

Углерод – контролирует пиковую твердость материала и является стабилизатором аустенита. [ 15 ] что необходимо для образования мартенсита. HY-80 склонен к образованию мартенсита, а максимальная твердость мартенсита зависит от содержания в нем углерода. HY-80 — это материал FCC , который позволяет углероду легче диффундировать, чем в материалах FCC, таких как аустенитная нержавеющая сталь .

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

Марганец – очищает сталь от примесей (чаще всего используется для связывания серы), а также образует оксиды, необходимые для зарождения игольчатого феррита. Игольчатый феррит желателен для сталей HY-80, поскольку он обеспечивает превосходный предел текучести и вязкость. [ 16 ]

Кремний – оксидообразователь, который служит для очистки и создания точек зародышеобразования игольчатого феррита.

Хром – является стабилизатором феррита и может соединяться с углеродом с образованием карбидов хрома для повышения прочности материала.

Микроэлементы

[ редактировать ]

Сурьма, олово и мышьяк являются потенциально опасными элементами в составе состава из-за их способности образовывать эвтектики и подавлять локальные температуры плавления. Эта проблема становится все более серьезной в связи с увеличением использования лома при производстве стали в электродуговой печи (ЭДП).

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

HY-80 HY-100
Легирующие элементы
Углерод 0.13–0.18% 0.14–0.20%
Марганец 0.10–0.40%
Фосфор 0,015% макс.
сера 0,008% макс.
Кремний 0.15–0.38%
Никель 3.00–3.50%
Хром 1.50–1.90%
Молибден 0.50–0.65%
Остаточные элементы [ ii ]
Ванадий 0,03% макс.
Титан 0,02% макс.
Медь 0,25% макс.
Микроэлементы [ ii ]
Сурьма 0,025% макс.
Мышьяк 0,025% макс.
Полагать 0,030% макс.

Другая сталь, HY-130, также включает ванадий в качестве легирующего элемента. [ 17 ] Сварка HY-130 считается более ограниченной, поскольку трудно получить присадочные материалы, которые могут обеспечить сопоставимые характеристики. [ 17 ]

Характеристики

[ редактировать ]
Физические свойства стали HY-80, HY-100 и HY-130 [ 18 ]
HY-80 угоняет HY-100 ворует HY-130 украсть
при растяжении Предел текучести 80 тысяч фунтов на квадратный дюйм

(550 МПа)

100 тысяч фунтов на квадратный дюйм

(690 МПа)

130 фунтов на квадратный дюйм

(900 МПа)

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

( ГПа )

207
Коэффициент Пуассона

.30
Модуль сдвига

(ГПа)

79
Объемный модуль

(ГПа)

172
Термические свойства
Плотность

(кг/м 3 )

7746 7748 7885
Проводимость

(Вт/мК)

34 27
Удельная теплоемкость

(Дж/кгК)

502 489
диффузионная способность

2 /с)

.000009 .000007
Коэффициент расширения ( об. )

−1 )

.000011 .000014 .000013
Температура плавления

(К)

1793

Свариваемость

[ редактировать ]

HIC или HAC – водородное или с его помощью растрескивание является реальной проблемой свариваемости, которую необходимо решать в сталях HY-80. Водородное охрупчивание представляет собой высокий риск при всех условиях для HY-80 и попадает в зону 3 для метода AWS. [ 19 ] HAC/HIC может возникать либо в зоне плавления, либо в зоне термического влияния. [ 20 ] Как упоминалось ранее, HAZ и FZ склонны к образованию мартенсита и, следовательно, подвержены риску HAC/HIC. Зону сварки HIC/HAC можно устранить с помощью соответствующего присадочного металла, тогда как HAZ HIC/HAC необходимо устранить с помощью процедур предварительного нагрева и сварки. При сварке сталей HY-80 всегда рекомендуется практика с низким содержанием водорода. [ 21 ]

HY-80 невозможна Автогенная сварка из-за образования неотпущенного мартенсита. [ 21 ] Использование присадочных металлов необходимо для введения легирующих материалов, которые служат для образования оксидов, способствующих зарождению игольчатого феррита. [ 21 ] ЗТВ по-прежнему остается проблемой, которую необходимо решать с помощью правильных процедур предварительного нагрева и сварки для контроля скорости охлаждения. Медленные скорости охлаждения могут быть столь же вредными, как и высокие скорости охлаждения в ЗТВ. Быстрое охлаждение приведет к образованию незакаленного мартенсита; однако очень медленные скорости охлаждения, вызванные высоким предварительным нагревом или сочетанием предварительного нагрева и высокого тепловложения в процессе сварки, могут привести к образованию очень хрупкого мартенсита из-за высоких концентраций углерода, образующихся в ЗТВ. [ 21 ]

Следует предусмотреть предварительный нагрев, чтобы позволить диффундирующему водороду диффундировать и уменьшить температурный градиент охлаждения. [ 22 ] Более медленная скорость охлаждения уменьшит вероятность образования мартенсита. Если температура предварительного нагрева недостаточно высока, градиент температуры охлаждения будет слишком крутым, что приведет к появлению хрупких сварных швов. [ 22 ] Для многопроходных сварных швов требуется минимальная и максимальная температура между проходами с целью поддержания предела текучести и предотвращения растрескивания. [ 22 ] Температура предварительного нагрева и между проходами будет зависеть от толщины материала.

Сварочный присадочный металл

[ редактировать ]

Обычно HY-80 сваривается сварочной проволокой AWS ER100S-1. ER100S-1 имеет более низкое содержание углерода и никеля, что способствует эффекту разбавления во время сварки, о котором говорилось ранее. [ 23 ] Важной функцией присадочного металла является образование зародышей игольчатого феррита . Игольчатый феррит образуется в присутствии оксидов, и состав присадочного металла может увеличить образование этих критических мест зародышеобразования. [ 24 ]

Сварочные процессы

[ редактировать ]

Выбор процесса сварки может оказать существенное влияние на участки, подвергаемые сварке. Подвод тепла может изменить микроструктуру как в ЗТВ, так и в зоне плавления, а ударная вязкость металла сварного шва/ЗТВ является ключевым фактором/требованием для сварных изделий HY-80. При выборе процесса важно учитывать всю сварную конструкцию, поскольку толстая пластина обычно требует многопроходной сварки, а дополнительные проходы могут изменить ранее наплавленный металл сварного шва. Различные методы ( SMAW , GMAW , SAW ) могут оказать существенное влияние на вязкость разрушения материала. [ 1 ] SAW, например, может смягчить предыдущие проходы сварки из-за своих, как правило, высоких характеристик тепловложения. Подробные профили твердости сварных деталей HY-80 варьируются в зависимости от различных процессов (градиенты сильно различаются), но пиковые значения твердости остаются постоянными для разных процессов. [ 1 ] Это справедливо как для ЗТВ, так и для металла сварного шва.

Искажение и стресс

[ редактировать ]

Учитывая различия в составе основного материала и составной зоны сварного шва, разумно ожидать, что возникнет потенциальная деформация из-за неравномерного расширения и сжатия. Это механическое воздействие может вызвать остаточные напряжения, которые могут привести к различным отказам сразу после сварки или к отказам в процессе эксплуатации под нагрузкой. В сталях HY-80 уровень деформации пропорционален уровню погонной энергии сварного шва: чем выше погонная энергия, тем выше уровень деформации. Было обнаружено, что HY-80 имеет меньшую усадку сварного шва в плоскости и меньшую внеплоскостную деформацию, чем обычный ABS марки DH-36. [ 25 ]

Тестирование

[ редактировать ]

Испытания стали HY-80 можно разделить на категории разрушающей и неразрушающей оценки. Могут быть выполнены различные разрушающие испытания: от V-образного надреза по Шарпи до выпуклости при взрыве. Разрушающий контроль нецелесообразен для проверки готовых сварных конструкций перед вводом их в эксплуатацию; поэтому NDE в этом случае предпочтительнее . Неразрушающий контроль включает в себя множество приемов или методов: визуальный контроль, рентгеновский контроль, ультразвуковой контроль, магнитопорошковый контроль и вихретоковый контроль.

Предел прочности на разрыв этих сталей считается вторичным по сравнению с их пределом текучести. Если это необходимо для достижения определенной стоимости, она указывается для каждого заказа.

Прочность надреза — это мера сопротивления разрыву , способности стали сопротивляться дальнейшему разрыву из уже существовавшего надреза. Обычно его оценивают как коэффициент текучести на разрыв , отношение сопротивления раздиру к пределу текучести. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

Деформируемые стали HY-80 производятся, в частности, компанией ArcelorMittal в США. [ 30 ] [ 31 ] поковки и отливки в HY-80 от Sheffield Forgemasters [ 32 ] и отливки из HY80 от Goodwin Steel Castings в Великобритании. [ 33 ]

  1. ^ USS Tullibee , 730 погружений за время нахождения в эксплуатации. [ 4 ] USS Torsk совершила 11 884 погружения. Дизельная учебная подводная лодка [ 5 ]
  2. ^ Перейти обратно: а б Элементы не добавлены намеренно
  1. ^ Перейти обратно: а б с д Яйла, П. (лето 2007 г.). «Влияние сварочных процессов на механические свойства сварных изделий из стали HY80». Материалы и дизайн . 28 (6): 1898–1906. дои : 10.1016/j.matdes.2006.03.028 .
  2. ^ Перейти обратно: а б с д и «Беги молча, беги глубоко» . Сеть военного анализа . Федерация американских ученых. 8 декабря 1998 г.
  3. ^ Хеллер, капитан СР-младший; Фиорити, Иво; Васта, Джон (февраль 1965 г.). «Оценка стали HY-80 как конструкционного материала для подводных лодок». Журнал военно-морских инженеров . 77 (1): 29–44. дои : 10.1111/j.1559-3584.1965.tb05644.x .
  4. ^ «Военный корабль США Таллиби - История» . Архивировано из оригинала 17 мая 2014 г. Проверено 20 мая 2015 г.
  5. ^ «История авианосца Торск (SS-423)» . Usstorsk.org .
  6. ^ Хеллер, СР; Фиорити, Иво; Васта, Джон (1965). «Оценка стали HY-80. Как конструкционного материала для подводных лодок. Часть II» . Журнал военно-морских инженеров . 77 (2): 193–200. дои : 10.1111/j.1559-3584.1965.tb05346.x .
  7. ^ Ускорение использования новых материалов . Национальный исследовательский совет (США). Комитет по ускоренному использованию новых материалов. стр. 77–78.
  8. ^ Перейти обратно: а б Лин Биксби (8 сентября 1991 г.). «Решение проблем с корпусом подводной лодки» . Хартфорд Курант .
  9. ^ Роквелл, Теодор (2002). Эффект Риковера . iUniverse. п. 316. ИСБН  978-0-595-25270-1 .
  10. ^ Полмар, Норман (2004). Гибель американского авианосца «Трешер» . Глобус Пекот. стр. 1–2. ISBN  978-0-7627-9613-7 .
  11. ^ «Изготовление стали HY-80 в подводном строительстве» (PDF) . Бу. Корабли . 21–22 марта 1960 г. Архивировано из оригинала (PDF) 21 мая 2015 г.
  12. ^ «Военные спецификации: стальные пластины, сплавы, конструкционные, с высоким пределом текучести (HY-80 и HY-100)» (PDF) . 19 июня 1987 г. MIL-S-16216.
  13. ^ «Военные спецификации: стальные стержни (HY-80 и HY-100), сплавы» (PDF) . 5 июня 2003 г. MIL S-21952.
  14. ^ Липпольд, Джон (2015). Сварочная металлургия и свариваемость . Соединенные Штаты Америки: Уайли. стр. 288–300. ISBN  978-1-118-23070-1 .
  15. ^ Липпольд (2015) , с. 226.
  16. ^ Коу, Синдо (2003). Сварочная металлургия . Соединенные Штаты Америки: Wiley-Interscience. стр. 74–84. ISBN  978-0-471-43491-7 .
  17. ^ Перейти обратно: а б Лен, RW; Кейт, RE; 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.
  18. ^ Холмквист, Ти Джей (сентябрь 1987 г.). «Характеристики прочности и разрушения сталей HY-80, HY-100 и HY-130, подвергнутых различным деформациям, скоростям деформации, температурам и давлениям» (PDF) . AD-A233 061. Архивировано (PDF) из оригинала 21 мая 2015 г.
  19. ^ Справочник ASM по металлам . Том. 6. Соединенные Штаты Америки: ASM International. 1993. стр. 184–188. ISBN  978-0-87170-377-4 .
  20. ^ Липпольд (2015) , стр. 213–262.
  21. ^ Перейти обратно: а б с д Репке, К. (август 2009 г.). «Гибридная лазерно-дуговая сварка стали HY-80» (PDF) . Дополнение к Weld. Дж . 88 : 159–167.
  22. ^ Перейти обратно: а б с Пателла, Грегори (декабрь 2014 г.). «Обзор сварочных процессов, механических свойств и свариваемости отливок HY-80» (PDF) . Аспирантура Политехнического института Ренсселера. стр. 13–14.
  23. ^ Вашингтонский сплав. «Технические данные» (PDF) .
  24. ^ Коу (2003) , стр. 66–97.
  25. ^ Ян, Ю.П. (ноябрь 2014 г.). «Влияние прочности материала на усадку и деформацию сварного шва». Сварка. Дж. 93 : 421–430 гг.
  26. ^ Кауфман, Джон Гилберт (2001). Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов: ударная вязкость, сопротивление раздиру . АСМ Интернешнл. п. 38. ISBN  978-0-87170-732-1 .
  27. ^ «Свойства стали HY-100 для военно-морского строительства» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 мая 2015 года.
  28. ^ «Свойства при растяжении сварных швов стали HY80, содержащих дефекты, коррелирующие с ультразвуковой и радиографической оценкой» (PDF) . Апрель 1972 года.
  29. ^ «Легированные стали HY80» .
  30. ^ «HY 80/100 (MIL-S-16216)» . Американская легированная сталь.
  31. ^ «Броня: сталь для национальной обороны» (PDF) . АрселорМиттал США. Архивировано из оригинала (PDF) 20 мая 2015 г. Проверено 20 мая 2015 г.
  32. ^ «Марки стали Sheffield Forgemasters» . Шеффилд Форджмастерс .
  33. ^ «Материалы для поставок GSC Defense» (PDF) . Гудвин Стил Кастингс Лтд .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e2f52e7e56af9fa17861f019aa755bb8__1719567960
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e2/b8/e2f52e7e56af9fa17861f019aa755bb8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
HY-80 - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)