HY-80

Tillåt klass USS Plunger på byggnadsvägarna på Mare Island

HY-80 är ett låglegerat stål med hög draghållfasthet, hög sträckgräns . Den utvecklades för användning i sjötillämpningar, särskilt utvecklingen av tryckskrov för USA:s kärnubåtsprogram och används fortfarande i många marina tillämpningar. Den är värderad för sitt förhållande mellan styrka och vikt .

"HY"-stålen är designade för att ha en hög sträckgräns (hållfasthet i att motstå permanent plastisk deformation). HY-80 åtföljs av HY-100 och HY-130 där var och en av 80, 100 och 130 refererar till deras sträckgräns i ksi (80 000 psi, 100 000 psi och 130 000 psi). HY-80 och HY-100 är båda svetsbara kvaliteter, medan HY-130 i allmänhet anses vara osetsbar. Moderna ståltillverkningsmetoder som exakt kan styra tid/temperatur under bearbetning av HY-stål har gjort kostnaden att tillverka mer ekonomisk. HY-80 anses ha god korrosionsbeständighet och har god formbarhet som komplement till att vara svetsbar. Att använda HY-80 stål kräver noggrann övervägande av svetsprocesser, val av tillsatsmetall och fogdesign för att ta hänsyn till mikrostrukturförändringar, distorsion och spänningskoncentration.

Ubåtar

Behovet av att utveckla förbättrade stål drevs av en önskan om djupare dykning ubåtar. För att undvika detektering av ekolod , opererar ubåtar helst minst 100 meter under ljudskiktets djup . Andra världskrigets ubåtar opererade på ett totalt djup av sällan mer än 100 meter. Med utvecklingen av atomubåtar innebar deras nya oberoende från ytan för en luftförsörjning för sina dieselmotorer att de kunde fokusera på dold drift på djupet, snarare än att fungera till stor del som undervattensfarkoster som färdas på ytan. Den ökade kraften hos en kärnreaktor gjorde att deras skrov blev större och snabbare. Utvecklingen inom ekolod gjorde att de kunde jaga effektivt på djupet, snarare än att förlita sig på visuella observationer från periskopdjupet . Alla dessa faktorer drev ett behov av förbättrade stål för starkare tryckskrov.

Styrkan hos ett ubåtsskrov begränsas inte bara av sträckgränsen utan också av utmattningshållfastheten. Förutom det uppenbara behovet av ett skrov som är tillräckligt starkt för att inte krossas på djupet, innebär den cykliska effekten av hundratals dyk under en ubåts livstid att utmattningsstyrkan också är viktig. För att ge tillräckligt motstånd mot utmattning måste skrovet utformas så att stålet alltid fungerar under dess uthållighetsgräns ; det vill säga spänningen på grund av tryck på djupet förblir mindre än utmattningshållfastheten under ett obestämt antal cykler.

Amerikanska ubåtar efter andra världskriget, både konventionella och nukleära, hade förbättrad design jämfört med de tidigare flottans ubåtar . Deras stål förbättrades också och motsvarade "HY-42". Båtar av denna konstruktion inkluderade USS Nautilus och Skate -class , som var de första atomubåtarna, med den då konventionella skrovformen. Den senare Skipjack- klassen , även om den var av den nya Albacore "teardrop"-skrovformen, använde också dessa tidigare stål. Sådana båtar hade normalt arbetsdjup på cirka 700 fot (210 m) och ett krossdjup på 1 100 fot (340 m). Bureau of Ships genomförde ett forskningsprogram för att utveckla stål med högre hållfasthet för fartygs- och ubåtskonstruktion. Under testningen blev en variant av specialbehandlingsstål (STS), ett homogent pansarstål av Krupp-typ, utvecklat av Carnegie Steel 1910 och vanligen använt för däcksskydd, med modifieringar i kol och nickel och tillsats av molybden , känt som "Low". -kol STS"; detta stål visade den bästa kombinationen av alla önskvärda egenskaper. STS med låg kolhalt blev föregångaren till HY-80 och användes första gången 1953 för konstruktionen av USS Albacore , en liten dieselforskningsubåt. Albacore testade sin eponyma droppformade skrov, som skulle bilda ett mönster för följande amerikanska kärnkraftsklasser.

Även om ubåtarnas operativa djup är mycket hemliga, kan deras krossdjupsgränser beräknas ungefärligt, enbart utifrån kunskap om stålets hållfasthet. Med det starkare HY-80-stålet ökade detta djup till 1 800 fot (550 m) och med HY-100 ett djup på 2 250 fot (690 m).

De första produktionsubåtarna som använde HY-80 stål var tillståndsklassen . Dessa hade enligt uppgift ett normalt arbetsdjup på 1 300 fot, ungefär två tredjedelar av krossdjupsgränsen som stålet införde. USS Thresher , den ledande båten i denna klass, förlorades i en olycka 1963. Vid den tiden väckte denna oförklarliga olycka mycket kontrovers om orsaken och det nya HY-80-stålet som användes sågs misstänksamt, särskilt för teorier om svetssprickor ha varit orsaken till förlusten.

HY-100 stål introducerades för den djupare dykning Seawolf- klassen , även om två av den föregående HY-80 Los Angeles -klassen, USS Albany (1987) och USS Topeka (1988), hade provat HY-100-konstruktion. USS Seawolf påstås officiellt ha ett normalt arbetsdjup på "större än 800 fot". Baserat på det rapporterade arbetsdjupet för Thresher , kan det antas att det normala arbetsdjupet för Seawolf är ungefär dubbelt så högt som det officiella siffran.

Även HY-100 drabbades av problem med svetssprickor. Seawolfs konstruktion drabbades av bakslag 1991 och uppskattningsvis 15 % eller två års arbete med skrovkonstruktion måste överges . Även om de senare löstes, var dessa extra kostnader (och den postsovjetiska fredsutdelningen) en faktor för att reducera de planerade 29 Seawolf -ubåtarna till bara tre konstruerade.

Metallurgi

HY-80 stål är en medlem av lågkolhaltiga, låglegerade stålfamiljen med nickel , krom och molybden (Ni-Cr-Mo) som legeringselement och är härdbart. Stålets svetsbarhet är bra, även om det kommer med en uppsättning utmaningar på grund av kol- och legeringsinnehållet. Kolhalten kan variera från 0,12 till 0,20 viktprocent med en total legeringshalt på upp till 8 viktprocent. Den används också flitigt i militära/marinapplikationer med stora tjocka plåtsektioner som ökar de potentiella svetsbarhetsproblemen, t.ex. enkel värmebehandling och kvarvarande spänningar i tjock plåt. Det primära målet under utvecklingen av HY-kvaliteterna av stål var att skapa en klass av stål som ger utmärkt sträckgräns och total seghet, vilket delvis åstadkoms genom härdning och härdning. Stålet värmebehandlas först vid 900 grader Celsius för att austenitisera materialet innan det härdas. Den snabba kylningen av härdningsprocessen ger en mycket hård mikrostruktur i form av martensit . Martensit är inte önskvärt och därför är det nödvändigt att materialet härdas vid cirka 650 grader Celsius för att minska den totala hårdheten och bilda härdad martensit/ bainit .

Den slutliga mikrostrukturen av svetsen kommer att vara direkt relaterad till materialets sammansättning och den eller de termiska cyklerna som det har utstått, vilket kommer att variera mellan basmaterialet, värmepåverkad zon (HAZ) och fusionszon (FZ). Materialets mikrostruktur kommer direkt att korrelera med materialets/svetsningens mekaniska egenskaper, svetsbarhet och livslängd/prestanda. Legeringselement, svetsprocedurer och svetsdesign måste alla samordnas och beaktas när man vill använda HY-80 stål.

HY-80 och HY-100 täcks av följande amerikanska militära specifikationer:

• MIL S-16216
• MIL S-21952

Legeringsinnehåll

Legeringsinnehållet kommer att variera något beroende på plåtmaterialets tjocklek. Tjockare plåt kommer att vara mer restriktiv i dess sammansatta legeringsintervall på grund av de ökade svetsbarhetsutmaningarna som skapas av ökade spänningskoncentrationer i bindfogar.

Vikten av viktiga legeringselement

Kol – Kontrollerar materialets topphårdhet och är en austenitstabilisator, som är nödvändig för martensitbildning. HY-80 är benägen att bilda martensit och martensits topphårdhet är beroende av dess kolinnehåll. HY-80 är ett FCC- material som gör att kol lättare diffunderar än i FCC-material som austenitiskt rostfritt stål .

Nickel – bidrar till seghet och duktilitet till HY-80 och är också en austenitstabilisator.

Mangan – Rengör föroreningar i stål (används oftast för att binda upp svavel) och bildar även oxider som är nödvändiga för kärnbildning av nålformig ferrit. Nålformig ferrit är önskvärt i HY-80-stål eftersom det främjar utmärkt sträckgräns och seghet.

Kisel – Oxidbildare som tjänar till att rengöra och tillhandahålla kärnbildningspunkter för nålformig ferrit.

Krom – Är en ferritstabilisator och kan kombineras med kol för att bilda kromkarbider för ökad styrka av materialet.

Spårelement

Antimon, tenn och arsenik är potentiellt farliga ämnen att ha i sammansättningen på grund av deras förmåga att bilda eutektika och undertrycka lokala smälttemperaturer. Detta är ett ökande problem med den ökade användningen av skrot vid tillverkning av stål i en elektrisk ljusbågsugn ( EAF) processen.

Det exakta intervallet för tillåtet legeringsinnehåll varierar något beroende på plåtens tjocklek. Siffrorna här är för tjockare ark, 3 tum (76 mm) och över, som är de mer restriktiva sammansättningarna.

	HY-80	HY-100
Legeringselement
Kol	0,13–0,18 %	0,14–0,20 %
Mangan	0,10–0,40 %
Fosfor	0,015 % max
Svavel	0,008 % max
Kisel	0,15–0,38 %
Nickel	3,00–3,50 %
Krom	1,50–1,90 %
Molybden	0,50–0,65 %
Resterande element
Vanadin	0,03 % max
Titan	0,02 % max
Koppar	0,25 % max
Spårelement
Antimon	0,025 % max
Arsenik	0,025 % max
Tenn	0,030 % max

Ytterligare ett stål, HY-130, innehåller även vanadin som legeringselement. Svetsning av HY-130 anses vara mer begränsad, eftersom det är svårt att få fram tillsatsmaterial som kan ge jämförbar prestanda.

Egenskaper

Fysiska egenskaper hos HY-80, HY-100 och HY-130 stål

	HY-80 stål	HY-100 stål	HY-130 stål
Draghållfasthet _	80 ksi (550 MPa)	100 ksi (690 MPa)	130 ksi (900 MPa)
Hårdhet ( Rockwell )	C-21	C-25	C-30
Elastiska egenskaper
Elasticitetsmodul $E$ ( GPa )	207
Poissons förhållande $\nu$	.30
Skjuvmodul $G=E/2(1+\nu )$ (GPa)	79
Bulkmodul $K=E/3(1-2\nu )$ (GPa)	172
Termiska egenskaper
Densitet $\rho$ (kg/m 3 )	7746	7748	7885
Ledningsförmåga $k$ (W/mK)	34		27
Specifik värme $c_{p}$ (J/kgK)	502		489
Diffusivitet $k/\rho c_{p}$ (m 2 /s)	.000009		.000007
Expansionskoefficient ( vol. ) $\alpha$ (K −1 )	.000011	.000014	.000013
Smältpunkt $T_{melt}$ (K)	1793

Svetsbarhet

HY-80-stål kan svetsas utan incidenter förutsatt att lämpliga försiktighetsåtgärder vidtas för att undvika potentiella svetsbarhetsproblem. Det faktum att HY-80 är ett härdbart stål väcker oro över bildandet av ohärdad martensit i både Fusion Zone (FZ) och den värmepåverkade zonen (HAZ). Svetsningsprocessen kan skapa branta temperaturgradienter och snabb nedkylning som är nödvändiga för bildandet av ohärdad martensit, så försiktighetsåtgärder måste vidtas för att undvika detta. Ytterligare komplicerande av svetsbarhetsfrågan är den allmänna tillämpningen av HY-80-stål i tjockplåt eller stora svetsar för marin användning. Dessa tjocka plåtar, stora svetsningar och rigorösa servicemiljöer utgör alla ytterligare risker på grund av både inre och yttre spänningskoncentrationer vid svetsfogen.

HIC eller HAC - väteinducerad eller väteassisterad sprickning är ett reellt problem med svetsbarhet som måste åtgärdas i HY-80-stål. Väteförsprödning är en hög risk under alla förhållanden för HY-80 och hamnar i zon 3 för AWS-metoden. HAC/HIC kan förekomma i antingen fusionszonen eller värmepåverkad zon. Som tidigare nämnts är HAZ och FZ båda mottagliga för bildning av martensit och är därför i riskzonen för HAC/HIC. Fusion Zone HIC/HAC kan åtgärdas med användning av en lämplig tillsatsmetall, medan HAZ HIC/HAC måste åtgärdas med förvärmning och svetsprocedurer. Låg vätespraxis rekommenderas alltid vid svetsning på HY-80 stål.

Det är inte möjligt att autogent svetsa HY-80 på grund av bildning av ohärdad martensit. Användning av fyllnadsmetaller krävs för att introducera legeringsmaterial som tjänar till att bilda oxider som främjar kärnbildning av nålformig ferrit. HAZ är fortfarande ett problem som måste åtgärdas med korrekta förvärmnings- och svetsprocedurer för att kontrollera kylningshastigheterna. Långsamma nedkylningshastigheter kan vara lika skadliga som snabba nedkylningshastigheter i HAZ. Snabb kylning kommer att bilda ohärdad martensit; dock kan mycket långsamma nedkylningshastigheter orsakade av hög förvärmning eller en kombination av förvärmning och hög värmetillförsel från svetsprocedurerna skapa en mycket spröd martensit på grund av höga kolkoncentrationer som bildas i HAZ.

Förvärmning bör övervägas för att tillåta diffunderbart väte att diffundera och för att minska kyltemperaturgradienten. Den långsammare kylningshastigheten minskar sannolikheten för martensitbildning. Om förvärmningstemperaturen inte är tillräckligt hög blir kyltemperaturgradienten för brant och det kommer att skapa sköra svetsar. Multipasssvetsar kräver en lägsta och maximal mellanpasstemperatur i syfte att bibehålla sträckgränsen och förhindra sprickbildning. Förvärmnings- och mellanpasstemperaturerna beror på materialets tjocklek.

Svetsning av tillsatsmetall

I allmänhet är HY-80 svetsad med en AWS ER100S-1 svetstråd. ER100S-1 har en lägre kol- och nickelhalt för att bidra till den utspädande effekten under svetsning som diskuterats tidigare. En viktig funktion hos tillsatsmetallen är att kärnbilda nålformig ferrit . Nålformig ferrit bildas med närvaro av oxider och sammansättningen av fyllnadsmetallen kan öka bildningen av dessa kritiska kärnbildningsställen.

Svetsprocesser

Valet av svetsprocessen kan ha en betydande inverkan på de områden som påverkas av svetsning. Värmetillförseln kan förändra mikrostrukturen i både HAZ och smältzonen och svetsmetall/HAZ-seghet är en viktig faktor/krav för HY-80-svetsningar. Det är viktigt att ta hänsyn till helheten av svetsningen när man väljer en process eftersom tjock plåt i allmänhet kräver flerstegssvetsar och ytterligare genomgångar kan förändra tidigare avsatt svetsmetall. Olika metoder ( SMAW , GMAW , SAW ) kan ha en betydande inverkan på materialets brottseghet. SAW som ett exempel kan härda tidigare svetspass på grund av dess generellt höga värmeinmatningsegenskaper. De detaljerade hårdhetsprofilerna för HY-80-svetsar varierar med olika processer (gradienter varierar dramatiskt), men toppvärdena för hårdhet förblir konstanta bland de olika processerna. Detta gäller för både HAZ och svetsmetall.

Distorsion och stress

Med tanke på sammansättningsskillnaderna mellan basmaterialet och svetsens sammansatta zon är det rimligt att förvänta sig att det kommer att finnas potentiell distorsion på grund av ojämn expansion och sammandragning. Denna mekaniska effekt kan orsaka kvarvarande spänningar som kan leda till en mängd olika fel omedelbart efter svetsen eller i driftsfel när de belastas. I HY-80 stål är distorsionsnivån proportionell mot nivån på svetsvärmetillförseln, ju högre värmetillförsel desto högre nivåer av distorsion. HY-80 har visat sig ha mindre svetskrympning i planet och mindre distorsion utanför planet än den vanliga ABS Grade DH-36.

Testning

Testningen av HY-80 stål kan delas in i kategorierna destruktiv och icke-förstörande utvärdering. En mängd olika destruktiva tester från Charpy V-notch till explosionsbulge kan utföras. Destruktiv testning är inte praktisk för att inspektera färdiga svetsar innan de tas i bruk; därför NDU att föredra i detta fall. Icke-förstörande utvärdering inkluderar många tekniker eller metoder: visuell inspektion, röntgen, ultraljudsinspektion, magnetisk partikelinspektion och virvelströmsinspektion .

Den slutliga draghållfastheten hos dessa stål anses vara sekundär till deras sträckgräns. Om detta krävs för att uppfylla ett visst värde specificeras det för varje beställning.

Notch-seghet är ett mått på rivhållfasthet , ett ståls förmåga att motstå ytterligare rivning från en redan existerande skåra. Det utvärderas vanligtvis som rivstyrka , förhållandet mellan rivhållfasthet och sträckgräns.

Smidesstål av HY-80 tillverkas av bland annat ArcelorMittal i USA, smide och gjutgods i HY-80 av Sheffield Forgemasters och gjutgods i HY80 av Goodwin Steel Castings i Storbritannien.