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HY-80

El USS Plunger, de clase de permiso, se encuentra en los astilleros de Mare Island. El HY-80 es un acero de baja aleación, de alta resistencia a la tracción y alto límite elás...

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El USS Plunger,  de clase de permiso, se encuentra en los astilleros de Mare Island.

El HY-80 es un acero de baja aleación, de alta resistencia a la tracción y alto límite elástico . Fue desarrollado para su uso en aplicaciones navales, específicamente para la fabricación de cascos de presión para el programa de submarinos nucleares de EE . UU., y aún se utiliza en numerosas aplicaciones navales. Se valora por su excelente relación resistencia-peso .

Los aceros "HY" están diseñados para poseer una alta resistencia a la fluencia (resistencia a la deformación plástica permanente). El HY-80 está acompañado por el HY-100 y el HY-130, donde cada uno de los 80, 100 y 130 se refiere a su resistencia a la fluencia en ksi (80 000 psi, 100 000 psi y 130 000 psi). Los métodos modernos de fabricación de acero que pueden controlar con precisión el tiempo/temperatura durante el procesamiento de los aceros HY han hecho que el costo de fabricación sea más económico. [ 1 ] El HY-80 se considera que tiene buena resistencia a la corrosión y buena conformabilidad para complementar su soldabilidad. [ 1 ] El uso del acero HY-80 requiere una consideración cuidadosa de los procesos de soldadura, la selección del metal de aporte 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 surgió del deseo de submarinos con mayor capacidad de inmersión. Para evitar ser detectados por el sonar , los submarinos idealmente operan al menos a 100 metros por debajo de la profundidad de la capa sónica . [ 2 ] Los submarinos de la Segunda Guerra Mundial operaron a una profundidad total que rara vez superó los 100 metros. Con el desarrollo de los submarinos nucleares , su nueva independencia de la superficie para el suministro de aire a sus motores diésel significó que pudieron centrarse en operaciones ocultas en profundidad, en lugar de operar principalmente como sumergibles de crucero de superficie. La mayor potencia de un reactor nuclear permitió que sus cascos fueran más grandes y rápidos. Los avances en el sonar les permitieron cazar eficazmente en profundidad, en lugar de depender de observaciones visuales desde la profundidad del periscopio . Todos estos factores impulsaron la necesidad de aceros mejorados para cascos de presión más resistentes.

La resistencia del casco de un submarino no solo está limitada por el límite elástico, sino también por la resistencia a la fatiga. [ 3 ] Además de la necesidad obvia de un casco lo suficientemente resistente como para no aplastarse a 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 manera que el acero siempre opere por debajo de su límite de resistencia ; es decir, la tensión debida a la presión a profundidad permanece por debajo de 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 era el equivalente del "HY-42". [ 2 ] Los barcos de esta construcción incluían el USS Nautilus  y la clase Skate , que fueron los primeros submarinos nucleares, con la forma de casco convencional de la época. La clase Skipjack posterior , aunque de la nueva forma de casco Albacore en forma de "lágrima", también utilizó estos aceros anteriores. Dichos barcos tenían profundidades operativas normales de unos 700 pies (210 m) y una profundidad de aplastamiento de 1100 pies (340 m) . La Oficina de Buques llevó a cabo un programa de investigación para desarrollar acero de mayor resistencia para la construcción de barcos y submarinos. Durante las pruebas, una variante del acero de tratamiento especial (STS), un acero de armadura homogéneo tipo Krupp desarrollado por Carnegie Steel en 1910 y comúnmente utilizado para la protección de la cubierta, con modificaciones en carbono y níquel y la adición de molibdeno , se conoció como "STS de bajo carbono"; Este acero mostró la mejor combinación de todas las propiedades deseables. El acero STS con bajo contenido de 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 diésel de investigación. El Albacore probó la forma de casco en forma de lágrima que le dio nombre, la cual serviría de modelo para las siguientes clases de submarinos nucleares estadounidenses. [ 7 ]   

Aunque las profundidades operativas de los submarinos son altamente secretas, sus límites de profundidad de aplastamiento pueden calcularse aproximadamente, únicamente conociendo la resistencia del acero. Con el acero HY-80, más resistente, esta profundidad aumentó a 1800 pies (550 m) y con el HY-100 a 2250 pies (690 m) . [ 2 ]  

Los primeros submarinos de producción en utilizar acero HY-80 fueron los de la clase Permit . Según se informa, estos tenían una profundidad operativa normal de 1300 pies, aproximadamente dos tercios del límite de profundidad de aplastamiento impuesto por el acero. [ 2 ] El USS Thresher  , el submarino 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 fue visto con recelo, especialmente por las teorías que apuntaban a que el agrietamiento de las soldaduras había sido la causa de la pérdida. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

El acero HY-100 se introdujo para la clase Seawolf , diseñada para inmersiones a mayor profundidad , aunque dos de los buques anteriores de la clase Los Angeles , construidos con acero HY-80, el USS Albany  (1987) y el USS Topeka  (1988), ya habían probado la construcción con HY-100. Oficialmente, se afirma que el USS Seawolf  tiene una profundidad operativa normal de "más de 800 pies". Basándonos en la profundidad operativa reportada del Thresher , se puede suponer que la profundidad operativa normal del Seawolf es aproximadamente el doble de la cifra oficial. [ 2 ]

El HY-100 también sufrió problemas de agrietamiento en las soldaduras. La construcción del Seawolf sufrió contratiempos en 1991 y se tuvo que abandonar aproximadamente el 15%, o dos años, del trabajo en la construcción del casco. [ 8 ] Aunque posteriormente se resolvieron, estos costos adicionales (y el dividendo de paz postsoviético) fueron un factor que redujo los 29 submarinos Seawolf planeados a solo tres construidos. [ 11 ]

Metalurgia

La microestructura final de la soldadura estará directamente relacionada con la composición del material y los ciclos térmicos a los que se ha sometido, los cuales varían según el material base, la zona afectada por el calor (ZAC) y la zona de fusión (ZF). La microestructura del material se correlacionará directamente con las propiedades mecánicas, la soldabilidad y la vida útil/rendimiento del material/la soldadura. Los elementos de aleación, los procedimientos de soldadura y el diseño de la soldadura deben coordinarse y considerarse al utilizar acero HY-80.

Los modelos HY-80 y HY-100 están cubiertos por las siguientes especificaciones militares estadounidenses:

Contenido de aleación

El contenido de aleación variará ligeramente según el espesor de la placa. Las placas más gruesas tendrán rangos de composición de aleación más restrictivos debido a los desafíos adicionales de soldabilidad que generan las mayores concentraciones de tensión en las uniones de conexión. [ 14 ]

Importancia de los elementos de aleación clave

El carbono controla la dureza máxima del material y es un estabilizador de la austenita, [ 15 ] lo cual es necesario para la formación de martensita. El HY-80 es propenso a la formación de martensita y la dureza máxima de la martensita depende de su contenido de carbono. El 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: Aumenta la tenacidad y la ductilidad del HY-80 y también actúa como estabilizador de la austenita.

Manganeso: Limpia las impurezas en los aceros (se usa comúnmente para fijar el azufre) y también forma óxidos necesarios para la nucleación de la ferrita acicular. La ferrita acicular es deseable en los aceros HY-80 porque promueve una excelente resistencia a la fluencia y tenacidad. [ 16 ]

Silicio: formador de óxido que sirve para limpiar y proporcionar puntos de nucleación para la ferrita acicular.

Cromo: Es un estabilizador de ferrita y puede combinarse con el carbono para formar carburos de cromo, lo que aumenta la resistencia del material.

oligoelementos

El antimonio, el estaño y el arsénico son elementos potencialmente peligrosos en la composición del acero debido a su capacidad para formar eutécticos y reducir las temperaturas de fusión locales. Este problema se agrava con el mayor uso de chatarra en la producción de acero mediante el proceso de horno de arco eléctrico (EAF).

El rango exacto de contenido de aleación permitido varía ligeramente según el espesor de la lámina. Las cifras que se muestran aquí corresponden a láminas más gruesas, de 76 mm (3 pulgadas ) o más, que son las composiciones más restrictivas. 

Otro acero, el HY-130, también incluye vanadio como elemento de aleación. [ 17 ] La soldadura del HY-130 se considera más restringida, ya que es difícil obtener materiales de aporte que puedan proporcionar un rendimiento comparable. [ 17 ]

Características

Soldabilidad

El agrietamiento inducido o asistido por hidrógeno (HIC o HAC ) es un problema real de soldabilidad que debe abordarse en los aceros HY-80. La fragilización por hidrógeno representa un alto riesgo en todas las condiciones para el HY-80 y se clasifica en la zona 3 según el método AWS. [ 19 ] El HAC/HIC puede ocurrir tanto en la zona de fusión como en la zona afectada por el calor. [ 20 ] Como se mencionó anteriormente, tanto la ZAC como la ZF son susceptibles a la formación de martensita y, por lo tanto, presentan riesgo de HAC/HIC. El HIC/HAC en la zona de fusión puede abordarse con el uso de un material de aporte adecuado, mientras que el HIC/HAC en la ZAC debe abordarse con procedimientos de precalentamiento y soldadura. Siempre se recomienda el uso de bajas concentraciones de hidrógeno al soldar aceros HY-80. [ 21 ]

No es posible realizar soldadura autógena de HY-80 debido a la formación de martensita sin templar. [ 21 ] Se requiere el uso de metales de aporte para introducir materiales de aleación que sirvan para formar óxidos que promuevan la nucleación de ferrita acicular. [ 21 ] La ZAC 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 rápidas en la ZAC. El enfriamiento rápido formará martensita sin templar; sin embargo, las velocidades de enfriamiento muy lentas causadas por un precalentamiento alto o una combinación de precalentamiento y un alto aporte 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. [ 21 ]

Se debe considerar el precalentamiento para permitir la difusión del hidrógeno difusible y reducir el gradiente de temperatura de enfriamiento. [ 22 ] 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 frágiles. [ 22 ] Las soldaduras multipaso requieren una temperatura mínima y máxima entre pasadas con el propósito de mantener el límite elástico y prevenir el agrietamiento. [ 22 ] Las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas dependerán del espesor del material.

Material de aporte para soldadura

Generalmente, el HY-80 se suelda con un alambre de soldadura AWS ER100S-1. El ER100S-1 tiene un menor contenido de carbono y níquel para facilitar el efecto de dilución durante la soldadura, como se mencionó anteriormente. [ 23 ] Una función importante del metal de aporte es la nucleación de ferrita acicular . La ferrita acicular se forma en presencia de óxidos, y la composición del metal de aporte puede aumentar la formación de estos sitios de nucleación críticos. [ 24 ]

procesos de soldadura

La selección del proceso de soldadura puede tener un impacto significativo en las áreas afectadas por la soldadura. El aporte de calor puede alterar la microestructura en la ZAC y la zona de fusión por igual, y la tenacidad del metal de soldadura/ZAC es una consideración/requisito clave para las soldaduras de 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 las pasadas adicionales pueden alterar el metal de soldadura depositado previamente. Diferentes métodos ( SMAW , GMAW , SAW ) pueden tener una influencia significativa en la tenacidad a la fractura del material. [ 1 ] SAW, por ejemplo, puede templar las pasadas de soldadura anteriores debido a sus características de aporte de calor generalmente altas. Los perfiles de dureza detallados de las soldaduras de HY-80 varían con diferentes procesos (los gradientes varían drásticamente), pero los valores máximos de dureza permanecen constantes entre los diferentes procesos. [ 1 ] Esto es cierto tanto para la ZAC 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 se produzca una posible distorsión debido a la expansión y contracción no uniformes. Este efecto mecánico puede generar tensiones residuales que pueden provocar diversos fallos inmediatamente después de la soldadura o durante el servicio al someterse a carga. En los aceros HY-80, el nivel de distorsión es proporcional al aporte térmico de la soldadura: a mayor aporte térmico, mayor distorsión. Se ha observado que el HY-80 presenta menor contracción de la soldadura en el plano y menor distorsión fuera del plano que el acero ABS común de grado DH-36. [ 25 ]

Pruebas

El ensayo del acero HY-80 se puede dividir en dos categorías: evaluación destructiva y no destructiva. Se pueden realizar diversos ensayos destructivos, desde el ensayo Charpy con entalla en V hasta el ensayo de abultamiento por explosión. Los ensayos destructivos no son prácticos para inspeccionar las soldaduras terminadas antes de su puesta en servicio; por lo tanto, en este caso se prefiere la evaluación no destructiva. La evaluación no destructiva incluye numerosas técnicas y métodos: inspección visual, rayos X, ultrasonidos, partículas magnéticas y corrientes inducidas .

La resistencia a la tracción máxima de estos aceros se considera secundaria a su límite elástico. Cuando se requiere un valor específico, este se indica para cada pedido.

La tenacidad a la entalla es una medida de la resistencia al desgarro , es decir, la capacidad del acero para resistir un mayor desgarro a partir de una entalla preexistente. Generalmente se evalúa como la relación de resistencia al desgarro-límite elástico , que es la relación entre la resistencia al desgarro y el límite elástico. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

Los aceros forjados HY-80 son producidos, entre otros, por ArcelorMittal en los EE. UU., [ 30 ] [ 31 ] forjas y fundiciones en HY-80 por Sheffield Forgemasters [ 32 ] y fundiciones en HY80 por Goodwin Steel Castings en el Reino Unido. [ 33 ]

Referencias

  1. ↑ USS Tullibee  , 730 inmersiones durante su tiempo en servicio. [ 4 ] USS Torsk  , un submarino de entrenamiento diésel, realizó 11.884 inmersiones. [ 5 ]
  2. 1 2 Elementos no añadidos deliberadamente
  1. 1 2 3 4 Yayla, P (Verano 2007). "Efectos de los procesos de soldadura en las propiedades mecánicas de las soldaduras de acero HY80". Materials & Design . 28 (6): 1898– 1906. doi : 10.1016/j.matdes.2006.03.028 .
  2. 1 2 3 4 5 "Corre en silencio, 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". Naval Engineers Journal . 77 (1): 29– 44. Bibcode : 1965NEngJ..77...29H . doi : 10.1111/j.1559-3584.1965.tb05644.x .
  4. ↑ "USS Tullibee – Historia" . Archivado del original el 17 de mayo de 2014. Consultado el 20 de mayo de 2015 .
  5. ↑ "Historia del USS Torsk (SS-423)" . usstorsk.org .
  6. ↑ Heller, SR; Fioriti, Ivo; Vasta, John (1965). "Una evaluación del acero HY-80 como material estructural para submarinos. Parte II" . Naval Engineers Journal . 77 (2): 193–200 . Bibcode : 1965NEngJ..77..193H . doi : 10.1111/j.1559-3584.1965.tb05346.x .
  7. ↑ Aceleración de la utilización de nuevos materiales . Consejo Nacional de Investigación (EE. UU.). Comité para la Aceleración de la Utilización de Nuevos Materiales. págs. 77–78.
  8. 1 2 Lyn Bixby (8 de septiembre de 1991). "Los problemas del casco de los submarinos resurgen" . Hartford Courant .
  9. ↑ Rockwell, Theodore (2002). El efecto Rickover . iUniverse. pág. 316. ISBN  978-0-595-25270-1.
  10. ↑ Polmar, Norman (2004). La muerte del USS Thresher . Globe Pequot. págs. 1–2 . ISBN  978-0-7627-9613-7.
  11. ↑ "Fabricación de acero HY-80 en la construcción de submarinos" (PDF) . Bu. Buques . 21-22 de marzo de 1960. Archivado del original (PDF) el 21 de mayo de 2015.
  12. ↑ "Especificación militar: chapa de acero, aleación, estructural, de alta resistencia a la fluencia (HY-80 y HY-100)" (PDF) . 19 de junio de 1987. MIL-S-16216.
  13. ↑ "Especificación militar: Barras de acero (HY-80 y HY-100), aleación" (PDF) . 5 de junio de 2003. MIL S-21952.
  14. ↑ Lippold, John (2015). Metalurgia de la soldadura y soldabilidad . Estados Unidos de América: Wiley. págs. 288–300 . ISBN  978-1-118-23070-1.
  15. ↑ Lippold (2015) , pág. 226.
  16. ↑ Kou, Sindo (2003). Metalurgia de la soldadura . Estados Unidos de América: Wiley-Interscience. págs. 74–84 . ISBN  978-0-471-43491-7.
  17. 1 2 Flax, RW; Keith, RE; Randall, MD (1971). Soldadura de aceros HY (PDF) . Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM). ISBN 978-0-8031-0073-2Publicación técnica especial ASTM 494.
  18. ↑ Holmquist, TJ (septiembre de 1987). "Características de resistencia y fractura de los aceros HY-80, HY-100 y HY-130 sometidos a diversas deformaciones, velocidades de deformación, temperaturas y presiones" (PDF) . AD-A233 061. Archivado (PDF) del original el 21 de mayo de 2015.
  19. ↑ Manual de metales de ASM . Vol. 6. Estados Unidos de América: ASM International. 1993. págs. 184–188 . ISBN   978-0-87170-377-4.
  20. ↑ Lippold (2015) , págs. 213–262.
  21. 1 2 3 4 Roepke, C.; Liu, S. (agosto de 2009). "Soldadura híbrida por arco láser de acero HY-80" (PDF) . Suplemento de Welding Journal . 88 (8): 159s– 167s. Archivado del original (PDF) el 9 de septiembre de 2023.
  22. 1 2 3 Patella, Gregory (diciembre de 2014). "Una revisión de los procesos de soldadura, las propiedades mecánicas y la soldabilidad de las piezas fundidas de HY-80" (PDF) . Programa de posgrado del Instituto Politécnico Rensselaer. págs. 13–14 . 
  23. ↑ Washington Alloy. "Hojas de datos técnicos" (PDF) .
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  25. ↑ Yang, Y. P; Dull, R.; Castern, H.; Huang, TD; Fanguy, D. (noviembre de 2014). "Efecto de la resistencia del material en la contracción y distorsión de la soldadura" . Suplemento de Welding Journal . 93 (11): 421s– 430s.
  26. ↑ Kaufman, John Gilbert (2001). Resistencia a la fractura de aleaciones de aluminio: tenacidad a la entalla, resistencia al desgarro . ASM International. pág. 38. ISBN  978-0-87170-732-1.
  27. ↑ "Propiedades del acero HY-100 para la construcción naval" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 21 de mayo de 2015.
  28. ↑ "Propiedades de tracción de soldaduras de acero HY80 con defectos correlacionadas con evaluación ultrasónica y radiográfica" (PDF) . Abril de 1972.
  29. ↑ "Aceros aleados HY80" .
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  33. ↑ "Materiales de suministro de GSC Defence" (PDF) . Goodwin Steel Castings Ltd.