HY-80

HY-80
허가계급마레아일랜드의 건물길에서 USS 플런저

HY-80은 고텐실, 고 항복강도, 저합금강이다.그것은 해군 애플리케이션, 특히 미국의 핵잠수함 프로그램을 위한 압력 선체 개발에 사용하기 위해 개발되었으며, 현재도 많은 해군 애플리케이션에서 사용되고 있다.강도 대 무게 비율로 평가된다.[citation needed]

"HY"강은 높은 항복 강도(영구적 플라스틱 변형에 저항하는 강도)를 갖도록 설계되었다.HY-80에는 각각 80, 100, 130의 HY-100과 HY-130이 동반되며 ksi의 항복강도(8만 psi, 10만 psi, 13만 psi)를 가리킨다.HY-80과 HY-100은 둘 다 용접 가능한 등급인 반면, HY-130은 일반적으로 용접 불가능한 등급으로 간주된다.HY강 가공 시 시간/온도를 정밀하게 제어할 수 있는 현대적인 철강 제조방식은 제조원가를 더욱 경제적으로 만들었다.[1]HY-80은 내식성이 우수하고, 용접이 가능한 것을 보충할 수 있는 조형성이 우수하다고 판단된다.[1]HY-80 강철을 사용하려면 미세구조 변화, 변형 및 응력 집중을 고려한 용접 프로세스, 필러 금속 선택 및 조인트 설계에 대한 세심한 검토가 필요하다.

잠수함

개선된 강철을 개발해야 할 필요성은 더 깊이 잠수하는 잠수함에 대한 열망에 의해 추진되었다.음파탐지를 피하기 위해 잠수함은 소닉층 깊이에서 최소 100m 아래까지 이상적으로 운용한다.[2]제2차 세계 대전 당시 잠수함은 100m를 넘는 경우가 드물었다.핵잠수함의 개발로, 디젤 엔진의 공기 공급을 위해 수면으로부터 새로운 독립성은 그들이 주로 표면적인 크루징 잠수함으로 운용하기 보다는 심층적인 숨은 운용에 집중할 수 있다는 것을 의미했다.원자로의 출력 증가는 그들의 선체를 더 크고 빠르게 만들 수 있게 했다.수중 음파 탐지기의 개발은 그들이 잠망경 깊이에서 시각적 관찰에 의존하기 보다는 심도에서 효과적으로 사냥할 수 있게 했다.이 모든 요소들은 더 강한 압력 선체를 위한 개선된 강철의 필요성을 가져왔다.

잠수함 선체의 강도는 항복 강도뿐만 아니라 피로 강도에도 제약을 받는다.[3]깊이 찌그러지지 않을 만큼 튼튼한 선체가 필요하다는 명백한 요구와 더불어 잠수함의 일생[i] 동안 수백 번 잠수하는 순환적인 효과는 피로 강도 또한 중요하다는 것을 의미한다.피로에 대한 충분한 저항을 제공하기 위해, 강철은 항상 내구성 한계치 이하로 작동하도록 선체를 설계해야 한다. 즉, 심층 압력으로 인한 응력이 무한정 많은 사이클 동안 피로 강도보다 낮게 유지된다.

재래식 잠수함이나 핵잠수함인 WWII 이후의 미국 잠수함들은 이전의 함대 잠수함에 비해 디자인이 개선되었다.그들의 강철 또한 개선되었고 "HY-42"[2]에 상당했다.이 공사의 배에는 최초의 핵잠수함이었던 USS 노틸러스호와 당시 재래식 선체 모양을 한 스케이트급이 포함됐다.후기 스킵잭 등급은 새로운 알바코어 '눈썹' 선체 형태임에도 불구하고 이러한 초기 강철을 사용하였다.이러한 보트는 정상 작동 깊이가 약 700피트(210m)이고 충돌 깊이는 1,100피트(340m)이다.선박국은 선박 및 잠수함 건설용 고강도의 철강을 개발하기 위한 연구 프로그램을 실시했다.시험하는 동안, 카네기 스틸이 1910년에 개발하여 갑판 보호에 일반적으로 사용되며 탄소 및 니켈의 변형과 몰리브덴을 첨가한 동질의 Krupp형 갑옷강인 특수 처리강(STS)의 변종이 "저탄소 STS"로 알려지게 되었다. 이 강재는 모든 바람직한 성질을 최적으로 조합한 것으로 나타났다.저탄소 STS는 HY-80의 전조가 되었으며,[6] 1953년 소형 디젤 연구 잠수함인 USS 알바코어(Albacore)의 건설에 처음 사용되었다.알바코어는 다음의 미국 핵 등급의 패턴을 형성할 수 있는 눈물방울 선체 모양을 시험했다.[7]

잠수함의 운용 깊이는 매우 비밀스럽지만, 그들의 크러시 깊이 한계는 강철 강도에 대한 지식만으로 대략적으로 계산할 수 있다.보다 강한 HY-80 강철로, 이 깊이는 1,800피트(550m)까지 증가했고, HY-100은 2,250피트(690m)까지 증가했다.[2]

HY-80 강철을 사용한 최초의 생산 잠수함은 허가의 등급이었다.보도에 따르면, 이 장치들은 정상 작동 깊이가 1300피트였으며, 이는 강철에 의해 부과된 충돌 깊이 한계의 약 2/3에 달하는 것이었다.[2]이 반의 선두 배인 USS Trailher는 1963년 사고로 길을 잃었다.당시 이 원인을 알 수 없는 사고는 그 원인에 대한 많은 논란을 불러일으켰고 특히 용접 균열이 손실의 원인이 되어 왔다는 이론에 대해 새로운 HY-80 철강을 의심스럽게 살펴보았다.[8][9][10]

이전의 HY-80 로스앤젤레스 클래스인 USS Albany(1987년)와 USS Topeka(1988년) 중 2개 클래스가 HY-100을 3중으로 건설했지만, HY-100은 더 깊이 다이빙하는 Seawolf 클래스에 도입되었다.USS Seawolf는 공식적으로 정상적인 작동 깊이가 "800피트 이상"이라고 주장한다.보고된 타작자의 운용 깊이를 근거로 해, 바다늑대의 정상 운용 깊이가 공식 수치보다 대략 두 배 정도 높은 것으로 가정할 수 있다.[2]

HY-100 역시 용접 균열 문제로 인해 시달렸다.시울프 건설은 1991년 차질을 빚었고, 약 15%에서 2년 동안 진행된 선체 건설 작업은 포기해야 했다.[8]비록 나중에 해결되었지만, 이러한 추가 비용(그리고 소련 이후의 평화 배당금)은 계획된 29척의 씨울프 잠수함을 단 3척으로 줄이는 요인이 되었다.[11]

메탈러지

HY-80 강철은 니켈, 크롬, 몰리브덴(Ni-Cr-Mo)을 합금 원소로 사용하는 강철의 저탄소 저합금 계열에 속하며 단단하다.탄소 및 합금 함량으로 인해 일련의 난관이 발생하지만 강철의 용접성은 양호하다.[12]탄소 함량은 0.12 - 0.20 wt%이며, 전체 합금 함량은 최대 8 wt%이다.또한 열처리 용이성 및 두꺼운 플레이트의 잔류 응력 등 잠재적 용접성 문제를 가중시키는 큰 두꺼운 플레이트 섹션이 있는 군/해군 용도에 광범위하게 사용된다.강재의 HY 등급 개발 중 1차적인 목표는 뛰어난 항복 강도와 전체적인 견고성을 제공하는 강철의 부류를 만드는 것이었는데, 이는 부분적으로 담금질 및 담금질을 통해 달성된다.그 강철은 처음 섭씨 900도에서 열처리되어 재료가 침전되기 전에 굳힌다.콸콸 흐르는 과정의 급속한 냉각은 마텐사이트 형태의 매우 단단한 미세구조를 만들어낸다.[13]마텐사이트는 바람직하지 않으므로 약 650℃에서 재질을 담금질하여 전체적인 경도를 낮추고 담금질 마텐사이트/베인사이트를 형성할 필요가 있다.[13][14]

용접부의 최종 미세 구조는 재료의 구성 및 재료가 견뎌온 열 순환과 직접 관련되며, 기초 재료인 열영향부(HAZ)와 융접부(Fusion Zone)에 따라 달라진다.재료의 미세 구조는 재료/용접의 기계적 특성, 용접성 및 사용 수명/성능과 직접적인 상관관계가 있다.HY-80 강철을 사용할 경우 합금 요소, 용접 절차 및 용접 설계가 모두 조정되고 고려되어야 한다.

HY-80 및 HY-100은 다음과 같은 미군 규격에서 다룬다.

합금함량

합금 함량은 플레이트 재료의 두께에 따라 약간 달라질 것이다.두꺼운 판은 결합 조인트의 응력 집중 강화에 의해 발생하는 용접성 난제가 추가되기 때문에 구성 합금 범위가 더 제한적일 것이다.[17]

주요 합금 요소의 중요성

탄소 – 재료의 피크 경도를 제어하며,[18] 마텐사이트 형성에 필요한 오스테나이트 안정제.HY-80은 마텐사이트가 형성되기 쉽고 마텐사이트의 최고 경도는 탄소 함량에 따라 달라진다.HY-80은 오스테나이트 스테인리스강과 같은 FCC 소재보다 탄소가 더 쉽게 확산되도록 하는 FCC 소재다.

니켈 – HY-80에 강성과 연성을 더하며, 오스테나이트 스태빌라이저로도 사용 가능

망간 – 강철의 불순물을 세척하고(가장 일반적으로 황을 묶는데 사용됨) 고환 페라이트 핵화에 필요한 산화물을 형성한다.아큐르 페라이트(Acicular Perite)는 뛰어난 항복강도와 강성을 촉진하기 때문에 HY-80강에서 바람직하다.[19]

실리콘 – 고환 페라이트(acicular perite)에 핵점을 제공하고 청소하는 역할을 하는 산화물 전자.

크롬 – 페라이트 스태빌라이저로서 탄소와 결합하여 크롬 탄화물을 형성하여 물질의 강도를 높일 수 있다.

추적 요소

안티몬, 주석, 비소는 지질학을 형성하고 국소 용해 온도를 억제하는 능력 때문에 구성성분에서 잠재적으로 위험한 요소들이다.이는 전기 아크로(EAF) 공정에서 강철 제조 시 고철 사용이 증가함에 따라 증가하는 문제다.

허용되는 합금 함량의 정확한 범위는 시트의 두께에 따라 약간 다르다.여기 그림은 3인치(76 mm) 이상의 두꺼운 시트용이며, 이는 보다 제한적인 구성이다.

HY-80 HY-100
합금원소자
탄소 0.13–0.18% 0.14–0.20%
망간 0.10–0.40%
인 0.015% 최대
유황 최대 0.00.8%
실리콘 0.15–0.38%
니켈 3.00–3.50%
크롬 1.50–1.90%
몰리브덴 0.50–0.65%
잔류 원소[ii]
바나듐 0.03% 최대
티타늄 0.02% 최대
구리 최대 0.25%
추적 요소[ii]
안티모니 0.025% 최대
비소 0.025% 최대
주석 0.030% 최대

추가 강철인 HY-130도 합금 원소로 바나듐을 포함한다.[12]HY-130 용접은 비교 가능한 성능을 제공할 수 있는 필러 소재를 구하기 어렵기 때문에 더욱 제약이 많은 것으로 평가되고 있다.[12]

특성.

HY-80, HY-100, HY-130 강재의[20] 물리적 특성
HY-80 강철 HY-100 강철 HY-130 강철
인장 항복 강도 80ksi

(550 MPa)

 100ksi

(690 MPa)

 130ksi

(900 MPa)

경도(록웰) C-21 C-25 C-30
탄성 특성
탄성계수

EGPA)

 207
포아송의 비율

.30
전단 계수

= / ( 1+ ) GPA)

 79
벌크 계량

= / ( 1- ) GPA)

 172
열 특성
밀도

kg/m3)

 7746 7748 7885
전도도

kW/mK)

 34 27
비열

p J/kgK)

 502 489
디퓨전리티

/ p m2/s)

 .000009 .000007
팽창 계수(볼트)

K−1)

 .000011 .000014 .000013
녹는점

K)

 1793

용접성

잠재적인 용접성 문제를 방지하기 위해 적절한 예방 조치를 취할 경우 HY-80 강철을 사고 없이 용접할 수 있다.HY-80이 경화강이라는 사실은 핵융합지구(FZ)와 열영향지구(HAZ) 양쪽에 모두 비염화 마텐사이트 형성에 대한 우려를 낳고 있다.[13]용접공정은 비순수 마텐사이트 형성에 필요한 급격한 온도 구배와 급속한 냉각을 일으킬 수 있으므로 이를 방지하기 위해 주의를 기울여야 한다.용접성 문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은 두꺼운 판이나 해군용 대형 용접에 HY-80 강철을 일반적으로 적용하는 것이다.이러한 두꺼운 판, 큰 용접 및 엄격한 서비스 환경은 모두 용접 이음부의 내인성 및 외인성 응력 집중으로 인해 추가적인 위험을 야기한다.[21]

HIC 또는 HAC - 수소 유도 균열 또는 수소 보조 균열은 HY-80 강철에서 다루어야 하는 실제 용접성 문제임.수소 분쇄는 HY-80의 모든 조건에서 높은 위험이 있으며 AWS 방법의 경우 구역 3에 해당된다.[22]HAC/HIC는 Fusion Zone 또는 Heat Affected Zone에서 발생할 수 있다.[23]앞서 언급한 바와 같이 HAZ와 FZ는 모두 마텐사이트 형성에 취약하므로 HAC/HIC에 대한 위험이 있다.퓨전 구역 HIC/HAC는 적절한 주입구 금속을 사용하여 해결할 수 있으며 HAZ HIC/HAC는 예열 및 용접 절차로 처리해야 한다.HY-80 강철에 용접할 때는 항상 낮은 수소 연습이 권장된다.[13]

HY-80은 성질이 불량한 마텐사이트의 형성으로 인해 자동 용접이 불가능하다.[13]고환 페라이트 핵화를 촉진하는 산화물을 형성하는 역할을 하는 합금 소재를 도입하기 위해 필러 금속을 사용해야 한다.[13]HAZ는 냉각 속도를 제어하기 위해 적절한 예열 및 용접 절차로 해결해야 하는 여전히 우려 사항이다.저속 냉각 속도는 HAZ의 급속 냉각 속도만큼 해로울 수 있다.급속 냉각은 오염되지 않은 마텐사이트를 형성하지만, 높은 예열이나 용접 절차의 예열 및 높은 열 입력의 조합으로 인한 매우 느린 냉각 속도는 HAZ에서 형성되는 높은 탄소 농도로 인해 매우 부서지기 쉬운 마텐사이트를 만들 수 있다.[13]

확산성 수소가 확산될 수 있고 냉각 온도 구배를 감소시킬 수 있도록 예열을 고려해야 한다.[24]냉각 속도가 느려지면 마텐사이트 형성 가능성이 줄어들 것이다.예열 온도가 충분히 높지 않으면 냉각 온도 구배가 너무 가파르고 부서지기 쉬운 용접이 발생할 수 있다.[24]복수 용접은 항복 강도를 유지하고 균열을 방지하기 위한 목적으로 최소 및 최대 교차 온도가 필요하다.[24]예열과 인터패스 온도는 재료의 두께에 따라 달라진다.

용접 필러 금속

일반적으로 HY-80은 AWS ER100S-1 용접 와이어로 용접된다.ER100S-1은 앞에서 설명한 용접 중 희석 효과를 지원하기 위해 탄소 및 니켈 함량이 낮다.[25]필러 금속의 중요한 기능은 고환 페라이트를 핵화하는 것이다.고환 페라이트(acicular perrite)는 산화물의 존재로 형성되며 필러 금속의 구성은 이러한 임계 핵 부위의 형성을 증가시킬 수 있다.[26]

용접공정

용접 프로세스의 선택은 용접에 의해 영향을 받는 영역에 상당한 영향을 미칠 수 있다.열 입력은 HAZ와 융접 구역의 미세 구조를 동일하게 변경하고 금속을 용접할 수 있다.HAZ 강성은 HY-80 용접에 대한 주요 고려사항/요구사항이다.두꺼운 판은 일반적으로 다중 통과 용접을 필요로 하고 추가 패스를 통해 이전에 침전된 용접 금속을 변경할 수 있으므로 공정을 선택할 때 용접의 전체성을 고려하는 것이 중요하다.다른 방법(SMAW, GMAW, SAW)은 소재의 파괴 강도에 상당한 영향을 미칠 수 있다.[1]SAW는 일반적으로 높은 열 입력 특성 때문에 이전의 용접 패스를 조절할 수 있다.HY-80 용접부의 상세 경도 프로파일은 공정에 따라 다르지만(경도는 극적으로 변화함) 경도에 대한 피크 값은 공정마다 일정하게 유지된다.[1]이는 HAZ 및 용접 금속 모두에 적용된다.

왜곡과 응력

용접부의 모재와 복합재 영역 간의 구성적 차이를 고려할 때 균일하지 않은 팽창과 수축으로 인한 잠재적 왜곡이 있을 것으로 예상하는 것이 타당하다.이러한 기계적 영향은 용접 직후에 다양한 고장으로 이어질 수 있는 잔류 응력을 유발할 수 있으며, 부하가 걸린 경우 서비스 중 고장으로 이어질 수 있다.HY-80강의 경우 왜곡 수준은 용접 열 입력 수준에 비례하며, 열 입력량이 높을수록 왜곡 수준이 높아진다.HY-80은 일반적인 ABS 등급 DH-36보다 평면 내 용접수축 및 평면 외 왜곡이 적은 것으로 밝혀졌다.[27]

테스트

HY-80 강재의 시험은 파괴적 평가와 비파괴적 평가의 범주로 나눌 수 있다.샤르피 V노치부터 폭발물 폭발까지 다양한 파괴 실험이 가능하다.파괴 시험은 사용 전 완료된 용접을 검사하는 데 적합하지 않으므로 NDE를 사용하는 것이 바람직하다.비파괴평가는 육안검사, X선검사, 초음파검사, 자분검사, 와전류검사 등 많은 기법이나 방법을 포함한다.

이러한 강철의 궁극적인 인장 강도는 항복 강도에 이차적인 것으로 간주된다.이것이 특정 값을 만족시키기 위해 필요한 경우, 각 주문에 대해 지정된다.

노치 강도는 기존의 노치에서 더 이상 찢어지는 것에 저항하는 강철의 능력인 눈물 저항성의 척도다.보통 강도의 항복에 대한 눈물 저항의 비율인 최루율비로 평가된다.[28][29][30][31]

HY-80강은 미국의 ArcelorMittal,[32][33] Sheffield Forgemasters는[34] HY-80, 영국의 Goodwin Steel Castings는 HY80에 주조된 강철을 생산한다.[35]

참조

  1. ^ USS 툴리비, 임무 수행 기간 동안 730번 잠수한다.[4]디젤 훈련 잠수함 USS 토르스크는 1만1884개의 다이빙을 했다.[5]
  2. ^ a b 요소가 의도적으로 추가되지 않음
  1. ^ a b c d Yayla, P (Summer 2007). "Effects of Welding Processes on the Mechanical Properties of HY80 Steel Weldments". Materials & Design. 28 (6): 1898–1906. doi:10.1016/j.matdes.2006.03.028.
  2. ^ a b c d e "Run Silent, Run Deep". Military Analysis Network. Federation of American Scientists. 8 December 1998.
  3. ^ Heller, Captain S. R. Jr.; Fioriti, Ivo; Vasta, John (February 1965). "An Evaluation of HY-80 Steel as a Structural Material for Submarines". Naval Engineers Journal. 77 (1): 29–44. doi:10.1111/j.1559-3584.1965.tb05644.x.
  4. ^ "USS Tullibee – History". Archived from the original on 2014-05-17. Retrieved 2015-05-20.
  5. ^ "History of USS Torsk (SS-423)". usstorsk.org.
  6. ^ 잠수함 구조용 재료로서의 HY-80 철골의 평가
  7. ^ 신소재 활용 가속화.국가연구위원회. 신소재 활용 가속화 위원회. 페이지 77–78.
  8. ^ a b Lyn Bixby (8 September 1991). "Subs' Hull Problems Resurfacing". Hartford Courant.
  9. ^ Rockwell, Theodore (2002). The Rickover Effect. iUniverse. p. 316. ISBN 978-0-595-25270-1.
  10. ^ Polmar, Norman (2004). The Death of the USS Thresher. Globe Pequot. pp. 1–2. ISBN 978-0-7627-9613-7.
  11. ^ "HY-80 Steel Fabrication in Submarine Construction" (PDF). Bu. Ships. 21–22 March 1960.
  12. ^ a b c Flax, R.W.; Keith, R.E.; Randall, M.D. (1971). Welding the HY Steels (PDF). American Society for testing and Materials (ASTM). ISBN 978-0-8031-0073-2. ASTM Special Technical Publication 494.
  13. ^ a b c d e f g Roepke, C (August 2009). "Hybrid Laser Arc Welding of HY-80 Steel" (PDF). Supplement to Weld. J. 88: 159–167.
  14. ^ Chae, D (September 2001). "Failure Behavior of Heat-Affected Zones within HSLA-100 and HY-100 Steel Weldments". Metall. Mater. Trans. 32A: 2001–2229.
  15. ^ "Military Specification: Steel Plate, Alloy, Structural, High Yield Strength (HY-80 and HY-100)" (PDF). 19 June 1987. MIL-S-16216.
  16. ^ "Military Specification: Steel (HY-80 and HY-100) Bars, Alloy" (PDF). 5 June 2003. MIL S-21952.
  17. ^ Lippold, John (2015). Welding Metallurgy and Weldability. United States of America: Wiley. pp. 288–300. ISBN 978-1-118-23070-1.
  18. ^ 리폴드(2015), 페이지 226.
  19. ^ Kou, Sindo (2003). Welding Metallurgy. United States of America: Wiley-Interscience. pp. 74–84. ISBN 978-0-471-43491-7.
  20. ^ Holmquist, T.J (September 1987). "Strength and Fracture Characteristics of HY-80, HY-100, and HY-130 Steels Subjected to Various Strains, Strain Rates, Temperatures, and Pressures" (PDF). AD-A233 061.
  21. ^ 리폴드(2015), 페이지 288–297.
  22. ^ ASM Metals Handbook. Vol. 6. United States of America: ASM International. 1993. pp. 184–188. ISBN 978-0-87170-377-4.
  23. ^ 리폴드(2015), 페이지 213–262.
  24. ^ a b c Patella, Gregory (December 2014). "A Review of Welding Processes, Mechanical Properties, and Weldability of HY-80 Castings" (PDF). Graduate Program Rensselaer Polytechnic Institute. pp. 13–14.
  25. ^ Washington Alloy. "Technical Data Sheets" (PDF).
  26. ^ Kou(2003년), 66-97페이지.
  27. ^ Yang, YP (November 2014). "Material Strength Effect on Weld Shrinkage and Distortion". Weld. J. 93: 421s–430s.
  28. ^ Kaufman, John Gilbert (2001). Fracture Resistance of Aluminum Alloys: Notch Toughness, Tear Resistance. ASM International. p. 38. ISBN 978-0-87170-732-1.
  29. ^ "Properties of HY-100 Steel for Naval Construction" (PDF).
  30. ^ "Tensile Properties of HY80 Steel Welds Containing Defects Correlated With Ultrasonic And Radiographic Evaluation" (PDF). April 1972.
  31. ^ "Alloy Steels HY80".
  32. ^ "HY 80 / 100 (MIL-S-16216)". American Alloy Steel.
  33. ^ "Armor: Steels for National Defense" (PDF). ArcelorMittal USA.
  34. ^ "Sheffield Forgemasters Steel Grades". Sheffield Forgemasters.
  35. ^ "GSC Defence supply materials" (PDF). Goodwin Steel Castings Ltd.