HY-80

Aleación de acero

Permiso de clase USS  Plunger en los caminos de construcción en Mare Island

HY-80 es un acero de baja aleación y alta resistencia a la tracción . Fue desarrollado para su uso en aplicaciones navales, específicamente el desarrollo de cascos de presión para el programa de submarinos nucleares de los EE. UU. Y todavía se usa actualmente en muchas aplicaciones navales. Se valora por su relación resistencia / peso . ^{[ cita requerida ]}

Los aceros "HY" están diseñados para poseer un alto límite elástico (resistencia a la deformación plástica permanente). HY-80 va acompañado de HY-100 y HY-130, cada uno de los cuales 80, 100 y 130 se refieren a su límite elástico en ksi (80.000 psi, 100.000 psi y 130.000 psi). HY-80 y HY-100 son grados soldables; mientras que, el HY-130 generalmente se considera no soldable. Los métodos modernos de fabricación de acero que pueden controlar con precisión el tiempo / temperatura durante el procesamiento de aceros HY han hecho que el costo de fabricación sea más económico. ^[1] Se considera que HY-80 tiene buena resistencia a la corrosión y buena conformabilidad para complementar su soldabilidad. ^[1] El uso de acero HY-80 requiere una consideración cuidadosa de los procesos de soldadura, la selección del metal de relleno y el diseño de la junta para tener en cuenta los cambios de microestructura, la distorsión y la concentración de tensiones.

Submarinos

La necesidad de desarrollar aceros mejorados fue impulsada por el deseo de submarinos de buceo más profundo. Para evitar la detección por sonar , los submarinos idealmente operan al menos 100 metros por debajo de la profundidad de la capa sónica . ^{[2] Los} submarinos de la Segunda Guerra Mundial operaban a una profundidad total de rara vez más de 100 metros. Con el desarrollo de los submarinos nucleares , su nueva independencia de la superficie para un suministro de aire para sus motores diesel significaba que podían concentrarse en operaciones ocultas en profundidad, en lugar de operar principalmente como sumergibles de crucero de superficie. El aumento de potencia de un reactor nuclear permitió que sus cascos se hicieran más grandes y más rápidos. Los avances en el sonar les permitieron cazar con eficacia en profundidad, en lugar de depender de las observaciones visuales deprofundidad del periscopio . Todos estos factores impulsaron la necesidad de aceros mejorados para cascos de presión más fuertes.

La resistencia del casco de un submarino está limitada no solo por el límite elástico, sino también por la resistencia a la fatiga. ^[3] Además de la necesidad obvia de un casco lo suficientemente fuerte como para no aplastarse en profundidad, el efecto cíclico de cientos de inmersiones durante la vida útil de un submarino ^[i] significa que la resistencia a la fatiga también es importante. Para proporcionar suficiente resistencia a la fatiga, el casco debe diseñarse de modo que el acero siempre opere por debajo de su límite de resistencia ; es decir, la tensión debida a la presión en profundidad permanece menor que la resistencia a la fatiga durante un número indefinido de ciclos.

Los submarinos estadounidenses posteriores a la Segunda Guerra Mundial, tanto convencionales como nucleares, tenían diseños mejorados en comparación con los submarinos de la flota anterior . Su acero también se mejoró y fue el equivalente de "HY-42". ^{[2] Los} barcos de esta construcción incluyeron el USS  Nautilus y la clase Skate , que fueron los primeros submarinos nucleares, con la forma de casco convencional en ese momento. La última clase Skipjack , aunque de la nueva forma de casco en forma de "lágrima" de albacora, también utilizó estos aceros anteriores. Dichos barcos tenían profundidades operativas normales de unos 700 pies (210 m) y una profundidad de aplastamiento de 1.100 pies (340 m). Oficina de Navesllevó a cabo un programa de investigación para desarrollar acero de mayor resistencia para la construcción de barcos y submarinos. Durante las pruebas, una variante de acero de tratamiento especial (STS), un acero blindado homogéneo tipo Krupp desarrollado por Carnegie Steel en 1910 y comúnmente utilizado para la protección de cubiertas, con modificaciones en carbono y níquel y la adición de molibdeno , se conoció como "Low -carbono STS "; este acero mostró la mejor combinación de todas las propiedades deseables. El STS de bajo carbono se convirtió en el precursor del HY-80, ^[6] y se utilizó por primera vez en 1953 para la construcción del USS  Albacore , un pequeño submarino de investigación diésel. Atún blancoprobó la forma de su casco epónimo en forma de lágrima, que formaría un patrón para las siguientes clases nucleares de EE. UU. ^[7]

Aunque las profundidades operativas de los submarinos son muy secretas, sus límites de profundidad de aplastamiento se pueden calcular aproximadamente, únicamente a partir del conocimiento de la resistencia del acero. Con el acero HY-80 más fuerte, esta profundidad aumentó a 1.800 pies (550 m)] y con HY-100 una profundidad de 2.250 pies (690 m). ^[2]

Los primeros submarinos de producción que utilizaron acero HY-80 fueron los de la clase Permit . Según se informa, estos tenían una profundidad operativa normal de 1.300 pies, aproximadamente dos tercios del límite de profundidad de aplastamiento impuesto por el acero. ^{[2] El} USS  Thresher , el barco líder de esta clase, se perdió en un accidente en 1963. En ese momento, este accidente inexplicable generó mucha controversia sobre su causa y el nuevo acero HY-80 utilizado se miró con sospecha, especialmente para teorías. sobre el agrietamiento de la soldadura que ha sido la causa de la pérdida. ^{[8] [9] [10]}

El acero HY-100 se introdujo para la clase Seawolf de buceo más profundo , aunque dos de la clase anterior HY-80 Los Ángeles , USS  Albany (1987) y USS  Topeka (1988), habían probado la construcción HY-100. Se afirma oficialmente que el USS  Seawolf tiene una profundidad operativa normal de "más de 800 pies". Con base en la profundidad operativa informada de Thresher , se puede suponer que la profundidad operativa normal de Seawolf es aproximadamente el doble de la cifra oficial. ^[2]

HY-100 también se vio afectado por problemas de agrietamiento de la soldadura. La construcción de Seawolf sufrió reveses en 1991 y se estima que hubo que abandonar el trabajo de construcción del casco entre un 15% o dos años. ^[8] Aunque se resolvieron más tarde, estos costos adicionales (y el dividendo de la paz postsoviético) fueron un factor en la reducción de los 29 submarinos Seawolf planeados a solo tres construidos. ^[11]

Metalurgia

El acero HY-80 es un miembro de la familia de aceros de baja aleación y bajo contenido de carbono con níquel , cromo y molibdeno (Ni-Cr-Mo) como elementos de aleación y es endurecible. La soldabilidad del acero es buena, aunque presenta una serie de desafíos debido al contenido de carbono y aleación. ^[12] El contenido de carbono puede oscilar entre 0,12 y 0,20% en peso con un contenido total de aleación de hasta 8% en peso. También se utiliza ampliamente en aplicaciones militares / navales con grandes secciones de placa gruesa que se suman a los posibles problemas de soldabilidad, por ejemplo, facilidad de tratamiento térmico y tensiones residuales en placa gruesa. El objetivo principal durante el desarrollo de los grados de acero HY fue crear una clase de aceros que proporcionen un excelente límite elástico y tenacidad general, lo que se logra en parte mediante temple y revenido. El acero se trata primero térmicamente a 900 grados Celsius para austenitizar el material antes de templarlo. El rápido enfriamiento del proceso de temple produce una microestructura muy dura en forma de martensita . ^[13]La martensita no es deseable y, por lo tanto, es necesario templar el material a aproximadamente 650 grados Celsius para reducir la dureza total y formar martensita / bainita templada . ^{[13] [14]}

La microestructura final de la soldadura estará directamente relacionada con la composición del material y los ciclos térmicos que ha soportado, que variarán a lo largo del material base, la Zona Afectada por el Calor (HAZ) y la Zona de Fusión (FZ). La microestructura del material se correlacionará directamente con las propiedades mecánicas, la soldabilidad y la vida útil / rendimiento del material / soldadura. Los elementos de aleación, los procedimientos de soldadura y el diseño de las piezas soldadas deben coordinarse y considerarse cuando se busca utilizar acero HY-80.

HY-80 y HY-100 están cubiertos por las siguientes especificaciones militares de EE. UU.:

• MIL S-16216 ^[15]
• MIL S-21952 ^[16]

Contenido de aleación

El contenido de aleación variará ligeramente según el grosor del material de la placa. La placa más gruesa será más restrictiva en sus rangos de aleación de composición debido a los desafíos adicionales de soldabilidad creados por concentraciones de tensión mejoradas en las uniones conectivas. ^[17]

Importancia de los elementos clave de aleación

Carbono: controla la dureza máxima del material y es un estabilizador de austenita, ^[18] que es necesario para la formación de martensita. HY-80 es propenso a la formación de martensita y la dureza máxima de la martensita depende de su contenido de carbono. HY-80 es un material FCC que permite que el carbono se difunda más fácilmente que en materiales FCC como el acero inoxidable austenítico .

Níquel: agrega dureza y ductilidad al HY-80 y también es un estabilizador de austenita.

Manganeso: limpia las impurezas de los aceros (más comúnmente utilizado para ligar azufre) y también forma óxidos que son necesarios para la nucleación de ferrita acicular. La ferrita acicular es deseable en los aceros HY-80 porque promueve un excelente límite elástico y tenacidad. ^[19]

Formador de óxido de silicio que sirve para limpiar y proporcionar puntos de nucleación para ferrita acicular.

Cromo: es un estabilizador de ferrita y se puede combinar con el carbono para formar carburos de cromo para aumentar la resistencia del material.

Oligoelementos

El antimonio, el estaño y el arsénico son elementos potencialmente peligrosos para tener en la composición de la composición debido a su capacidad para formar eutécticos y suprimir las temperaturas de fusión locales. Este es un problema creciente con el mayor uso de chatarra en la fabricación de acero en el proceso de horno de arco eléctrico (EAF).

El rango preciso de contenido de aleación permitido varía ligeramente según el grosor de la hoja. Las cifras aquí son para hojas más gruesas, 3 pulgadas (76 mm) y más, que son las composiciones más restrictivas.

	HY-80	HY-100
Aleación de elementos
Carbón	0,13–0,18%	0,14-0,20%
Manganeso	0,10% 0,40%
Fósforo	0.015% máximo
Azufre	0,008% máximo
Silicio	0,15–0,38%
Níquel	3,00–3,50%
Cromo	1,50–1,90%
Molibdeno	0,50–0,65%
Elementos residuales [ii]
Vanadio	0.03% máximo
Titanio	0.02% máximo
Cobre	0,25% máximo
Oligoelementos [ii]
Antimonio	0.025% máximo
Arsénico	0.025% máximo
Estaño	0.030% máximo

Otro acero, HY-130, también incluye vanadio como elemento de aleación. ^{[12] La} soldadura de HY-130 se considera más restringida, ya que es difícil obtener materiales de relleno que puedan proporcionar un rendimiento comparable. ^[12]

Características

Propiedades físicas del acero HY-80, HY-100 y HY-130 ^[20]

	Acero HY-80	Acero HY-100	Acero HY-130
Límite elástico a la tracción	80 ksi (550 MPa)	100 ksi (690 MPa)	130 ksi (900 MPa)
Dureza ( Rockwell )	C-21	C-25	C-30
Propiedades elásticas
Modulos elasticos ${\displaystyle E}$( GPa )	207
El coeficiente de Poisson ${\displaystyle \nu }$	.30
Módulo de corte ${\displaystyle G=E/2(1+\nu )}$ (GPa)	79
Módulo de volumen ${\displaystyle K=E/3(1-2\nu )}$ (GPa)	172
Propiedades termales
Densidad ${\displaystyle \rho }$(kg / m 3 )	7746	7748	7885
Conductividad ${\displaystyle k}$ (W / mK)	34		27
Calor especifico ${\displaystyle c_{p}}$ (J / kgK)	502		489
Difusividad ${\displaystyle k/\rho c_{p}}$(m 2 / s)	.000009		.000007
Coeficiente de expansión ( vol. ) ${\displaystyle \alpha }$(K −1 )	.000011	.000014	.000013
Punto de fusion ${\displaystyle T_{melt}}$ (K)	1793

Soldabilidad

El acero HY-80 se puede soldar sin incidentes siempre que se tomen las precauciones adecuadas para evitar posibles problemas de soldabilidad. El hecho de que HY-80 sea un acero endurecible genera preocupaciones sobre la formación de martensita no templada tanto en la Zona de fusión (FZ) como en la zona afectada por el calor (HAZ). ^[13] El proceso de soldadura puede crear gradientes de temperatura pronunciados .y enfriamiento rápido que son necesarios para la formación de martensita sin templar, por lo que se deben tomar precauciones para evitarlo. Para complicar aún más el problema de la soldabilidad, se encuentra la aplicación general de aceros HY-80 en chapa gruesa o soldaduras grandes para uso naval. Estas placas gruesas, las soldaduras grandes y el entorno de servicio riguroso plantean riesgos adicionales debido a la concentración de esfuerzos tanto intrínsecos como extrínsecos en la unión soldada. ^[21]

HIC o HAC : el agrietamiento inducido por hidrógeno o asistido por hidrógeno es un problema de soldabilidad real que debe abordarse en los aceros HY-80. La fragilización por hidrógeno es un alto riesgo en todas las condiciones para HY-80 y cae en la zona 3 para el método AWS. ^[22] HAC / HIC puede ocurrir tanto en la zona de fusión como en la zona afectada por el calor. ^[23] Como se mencionó anteriormente, HAZ y FZ son susceptibles a la formación de martensita y, por lo tanto, están en riesgo de HAC / HIC. El Fusion Zone HIC / HAC se puede abordar con el uso de un metal de relleno adecuado, mientras que el HAZ HIC / HAC debe abordarse con procedimientos de precalentamiento y soldadura. Siempre se recomienda la práctica de bajo contenido de hidrógeno al soldar aceros HY-80. ^[13]

No es posible soldar de forma autógena HY-80 debido a la formación de martensita sin templar. ^[13] Se requiere el uso de metales de relleno para introducir materiales de aleación que sirven para formar óxidos que promueven la nucleación de ferrita acicular. ^[13] La ZAT sigue siendo una preocupación que debe abordarse con procedimientos adecuados de precalentamiento y soldadura para controlar las velocidades de enfriamiento. Las velocidades de enfriamiento lentas pueden ser tan perjudiciales como las velocidades de enfriamiento rápidas en la ZAT. El enfriamiento rápido formará martensita no templada; sin embargo, las velocidades de enfriamiento muy lentas causadas por un precalentamiento alto o una combinación de precalentamiento y alta entrada de calor de los procedimientos de soldadura pueden crear una martensita muy frágil debido a las altas concentraciones de carbono que se forman en la ZAC. ^[13]

Se debe considerar el precalentamiento para permitir que el hidrógeno difusible se difunda y para reducir el gradiente de temperatura de enfriamiento. ^[24] La velocidad de enfriamiento más lenta reducirá la probabilidad de formación de martensita. Si la temperatura de precalentamiento no es lo suficientemente alta, el gradiente de temperatura de enfriamiento será demasiado pronunciado y creará soldaduras quebradizas. ^{[24] Las} soldaduras de múltiples pasadas requieren una temperatura entre pasadas mínima y máxima con el propósito de mantener el límite elástico y prevenir el agrietamiento. ^[24] Las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas dependerán del grosor del material.

Soldadura de metal de aportación

Generalmente, HY-80 se suelda con un alambre de soldadura AWS ER100S-1. El ER100S-1 tiene un contenido de carbono y níquel más bajo para ayudar en el efecto diluyente durante la soldadura discutido anteriormente. ^[25] Una función importante del metal de aportación es nuclear ferrita acicular . La ferrita acicular se forma con la presencia de óxidos y la composición del metal de relleno puede aumentar la formación de estos sitios críticos de nucleación. ^[26]

Procesos de soldadura

La selección del proceso de soldadura puede tener un impacto significativo en las áreas afectadas por la soldadura. La entrada de calor puede alterar la microestructura en HAZ y la zona de fusión por igual y la tenacidad del metal de soldadura / HAZ es una consideración / requisito clave para las soldaduras HY-80. Es importante considerar la totalidad de la soldadura al seleccionar un proceso porque la placa gruesa generalmente requiere soldaduras de múltiples pasadas y pasadas adicionales pueden alterar el metal de soldadura previamente depositado. Los diferentes métodos ( SMAW , GMAW , SAW ) pueden tener una influencia significativa en la tenacidad a la fractura del material. ^[1]SAW, por ejemplo, puede templar pasadas de soldadura anteriores debido a sus características de entrada de calor generalmente altas. Los perfiles de dureza detallados de las soldaduras HY-80 varían con los diferentes procesos (los gradientes varían drásticamente), pero los valores máximos de dureza permanecen constantes entre los diferentes procesos. ^[1] Esto es válido tanto para HAZ como para el metal de soldadura.

Distorsión y estrés

Dadas las diferencias de composición entre el material base y la zona compuesta de la soldadura, es razonable esperar que haya distorsión potencial debido a una expansión y contracción no uniforme. Este efecto mecánico puede causar tensiones residuales que pueden conducir a una variedad de fallas inmediatamente después de la soldadura o fallas en el servicio cuando se somete a carga. En aceros HY-80, el nivel de distorsión es proporcional al nivel de entrada de calor de la soldadura, cuanto mayor es la entrada de calor, mayores niveles de distorsión. Se ha encontrado que HY-80 tiene menos contracción de soldadura en el plano y menos distorsión fuera del plano que el ABS Grado DH-36 común. ^[27]

Probando

La prueba del acero HY-80 se puede dividir en las categorías de evaluación destructiva y no destructiva. Se pueden realizar una variedad de pruebas destructivas, desde la muesca en V Charpy hasta la protuberancia por explosión. Las pruebas destructivas no son prácticas para inspeccionar las soldaduras terminadas antes de ponerlas en servicio; por lo tanto, se prefiere la ECM para este caso. La evaluación no destructiva incluye muchas técnicas o métodos: inspección visual, rayos X, inspección ultrasónica, inspección por partículas magnéticas e inspección por corrientes parásitas .

La última resistencia a la tracción de estos aceros se considera secundaria a su límite elástico. Cuando sea necesario para cumplir con un valor particular, se especificará para cada pedido.

La tenacidad de la muesca es una medida de la resistencia al desgarro , la capacidad de un acero para resistir más desgarros desde una muesca preexistente. Por lo general, se evalúa como la relación de rendimiento al desgarro , la relación entre la resistencia al desgarro y el límite elástico. ^{[28] [29] [30] [31]}

Los aceros forjados HY-80 son producidos, entre otros, por ArcelorMittal en los Estados Unidos, ^{[32] [33]} piezas forjadas y fundidas en HY-80 por Sheffield Forgemasters ^[34] y piezas fundidas en HY80 por Goodwin Steel Castings en el Reino Unido. ^[35]

Referencias

1. USS  Tullibee , 730 inmersiones durante su tiempo en comisión. ^{[4] El} USS  Torsk , un submarino de entrenamiento diésel, realizó 11.884 inmersiones. ^[5]
2. Elementos no agregados deliberadamente

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2. "Corre silencioso, corre profundo" . Red de análisis militar . Federación de Científicos Americanos. 8 de diciembre de 1998.
3. Heller, capitán SR Jr .; Fioriti, Ivo; Vasta, John (febrero de 1965). "Una evaluación del acero HY-80 como material estructural para submarinos". Diario de ingenieros navales . 77 (1): 29–44. doi : 10.1111 / j.1559-3584.1965.tb05644.x .
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