HY-80

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 ]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
(м 2 /с) |
.000009 | .000007 | |
Коэффициент расширения ( об. )
(К −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 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ USS Tullibee , 730 погружений за время нахождения в эксплуатации. [ 4 ] USS Torsk совершила 11 884 погружения. Дизельная учебная подводная лодка [ 5 ]
- ^ Перейти обратно: а б Элементы не добавлены намеренно
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и «Беги молча, беги глубоко» . Сеть военного анализа . Федерация американских ученых. 8 декабря 1998 г.
- ^ «Военный корабль США Таллиби - История» . Архивировано из оригинала 17 мая 2014 г. Проверено 20 мая 2015 г.
- ^ «История авианосца Торск (SS-423)» . Usstorsk.org .
- ^ 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 .
- ^ Ускорение использования новых материалов . Национальный исследовательский совет (США). Комитет по ускоренному использованию новых материалов. стр. 77–78.
- ^ Перейти обратно: а б Лин Биксби (8 сентября 1991 г.). «Решение проблем с корпусом подводной лодки» . Хартфорд Курант .
- ^ Роквелл, Теодор (2002). Эффект Риковера . iUniverse. п. 316. ИСБН 978-0-595-25270-1 .
- ^ Полмар, Норман (2004). Гибель американского авианосца «Трешер» . Глобус Пекот. стр. 1–2. ISBN 978-0-7627-9613-7 .
- ^ «Изготовление стали HY-80 в подводном строительстве» (PDF) . Бу. Корабли . 21–22 марта 1960 г. Архивировано из оригинала (PDF) 21 мая 2015 г.
- ^ «Военные спецификации: стальные пластины, сплавы, конструкционные, с высоким пределом текучести (HY-80 и HY-100)» (PDF) . 19 июня 1987 г. MIL-S-16216.
- ^ «Военные спецификации: стальные стержни (HY-80 и HY-100), сплавы» (PDF) . 5 июня 2003 г. MIL S-21952.
- ^ Липпольд, Джон (2015). Сварочная металлургия и свариваемость . Соединенные Штаты Америки: Уайли. стр. 288–300. ISBN 978-1-118-23070-1 .
- ^ Липпольд (2015) , с. 226.
- ^ Коу, Синдо (2003). Сварочная металлургия . Соединенные Штаты Америки: Wiley-Interscience. стр. 74–84. ISBN 978-0-471-43491-7 .
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Справочник ASM по металлам . Том. 6. Соединенные Штаты Америки: ASM International. 1993. стр. 184–188. ISBN 978-0-87170-377-4 .
- ^ Липпольд (2015) , стр. 213–262.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Вашингтонский сплав. «Технические данные» (PDF) .
- ^ Коу (2003) , стр. 66–97.
- ^ Ян, Ю.П. (ноябрь 2014 г.). «Влияние прочности материала на усадку и деформацию сварного шва». Сварка. Дж. 93 : 421–430 гг.
- ^ Кауфман, Джон Гилберт (2001). Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов: ударная вязкость, сопротивление раздиру . АСМ Интернешнл. п. 38. ISBN 978-0-87170-732-1 .
- ^ «Свойства стали HY-100 для военно-морского строительства» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 мая 2015 года.
- ^ «Свойства при растяжении сварных швов стали HY80, содержащих дефекты, коррелирующие с ультразвуковой и радиографической оценкой» (PDF) . Апрель 1972 года.
- ^ «Легированные стали HY80» .
- ^ «HY 80/100 (MIL-S-16216)» . Американская легированная сталь.
- ^ «Броня: сталь для национальной обороны» (PDF) . АрселорМиттал США. Архивировано из оригинала (PDF) 20 мая 2015 г. Проверено 20 мая 2015 г.
- ^ «Марки стали Sheffield Forgemasters» . Шеффилд Форджмастерс .
- ^ «Материалы для поставок GSC Defense» (PDF) . Гудвин Стил Кастингс Лтд .