SeyrüseferMalzeme Bilgisi → Denizaltı İnşa Çeliği - 1: HY80, HY100, HY130 vesaire

Denizaltı İnşa Çeliği - 1: HY80, HY100, HY130 vesaire

Seyir Defteri - Malzeme Bilgisi
Pazar, 13 Ekim 2013

Çelik1950 senesinden beri ABD askeri gemilerinin inşasında kullanılmakta olan HY sınıfı çeliklerin tanımlamaları Türkçe'de "Yüksek Akma" olarak kullanılan İngilizce "High Yield" teriminin baş harflerinden oluşturulmuş bir kısaltmadır. HY ifadesinden sonra kullanılan sayı ise söz konusu çeliğin asgari akma mukavemeti değerini belirtir.

HY-80 bu seriden üretilmiş ilk çelik olup kaynaklı imalâtlar için en uygun ve dengeli yüksek mukavemet ve kırılma dayanıklılığı niteliklerini bir arada elde edebilme arayışında geliştirilmiştir. Bu durumda söz konusu çeliğin asgari akma sınırının 80ksi ya da bizim kullandığımız birim sistemiyle ifade edersek 552MPa olduğu anlaşılır.

Aslına bakılırsa HY sınıfı çeliklerin kökeni 1894 civarında Almanya'da Krupp tarafından savaş gemileri için geliştirilen tavlanmış ve suverilmiş Ni-Cr alaşımlı zırh levhalarına dayanmaktadır. Zaman içinde bu çelik HY ve benzeri bazı yüksek mukavemetli gemi inşa çeliklerine dönüşmüştür. HY80'i müteakiben yüksek kırılma dayanımını kaybetmeden daha yüksek mukavemet taleplerini karşılayabilmek için ise HY100, HY130 gibi daha yüksek mukavemetli çelikler üretilmiştir.

HY80 ilk defa denizaltı mukavim tekne inşası için 15 Mart 1952 tarihinde omurgası kızağa konan ve bugünkü çağdaş denizaltı tasarımlarının öncüsü kabul edilen araştırma-geliştirme denizaltısı; Albacore'da kullanılmıştır. Bu denizaltının mukavim teknesine ait dış kaplama o zamanlar "düşük karbonlu STS1" olarak adlandırılan HY80 ile inşa edilirken kemerelerinde ise bir önceki nesil denizaltı inşa çeliği olan HTS kullanılmıştı. Mukavim teknesi tamamen HY80 ile inşa edilen ilk denizaltı ise 1956 civarında inşasına başlanan nükleer hücum denizaltısı USS Skipjack olmuştur.

 

Element HY-80 HY-100 HY-130
Karbon 0,13 - 0,18 0,14 - 0,20 0,12
Mangan 0,10 - 0,40 0,10 - 0,40 0,60 - 0,90
Fosfor 0,015 0,015 0,010
Kükürt 0,008 0,008 0,008
Silisyum 0,15 - 0,38 0,15 - 0,38 0,15 - 0,35
Nikel 2,50 - 3,50 2,75 - 3,50 4,75 - 5,25
Krom 1,40 - 1,80 1,40 - 1,80 0,40 - 0,70
Molibden 0,35 - 0,60 0,35 - 0,60 0,30 - 0,65
Vanadyum 0,030 0,030 0,05 - 0,10
Alüminyum - - 0,01 - 0,05
Niyobyum - - 0,020
Titanyum 0,020 0,020 0,020

Çizelge.1) HY sınıfından en yaygın olan üçüne ait ağırlıkça alaşım elementi bileşimleri.

 

Mukavemet ve dayanıklılık ihtiyaçlarına uygun kaynak edilebilir bir çelik elde edebilmek için karbon oranının üst sınırı ağırlıkça %0,18'dir ve bu sebeple HY sınıfı da düşük karbonlu bir alaşım çeliği türüdür. HY çelikleri metalurjik olarak suverilmiş ve tavlanmış (SvT) martenzitik çelikler olarak sınıflandırılırlar. Bu çeliklerin sahip oldukları martenzitik kristal kafes yapısı kullanılan nikel (Ni) krom (Cr) molibden (Mo) vanadyum (V) alaşım elementleri ve uygulanan ısıl işlemlerin sonucunda oluşur ve çeliğe söz konsu yüksek mukavemet ve dayanıklılık özelliklerini kazandırır.

  1. Yüksek nikel içeriğine, özellikle donma noktası civarındaki soğuk sularda seyreden denizaltıların kaynakla imâl edilmiş kalın mukavim teknelerinin yüksek dayanıklılık ve beka yeteneği için ihtiyaç vardır.
  2. Krom ve molibden, gelişmiş sertleştirilebilirlik ve kalın levhalar için martenzit oluşumunu desteklemek için gereklidir.
  3. Vanadyum, dengeli bir dayanıklılık elde edebilmek ve çalışma sıcaklıklarında yumuşamaya karşı direnç sağlamak için gereklidir.
  4. Ayrıca düşük miktarda kükürt ve fosfor da dayanıklılık ve kaynak edilebilirliği geliştirmek için gereklidir.

Martenzitik yapıyı elde edebilmek için uygulanacak ısıl işlemde 760oC civarından hızlı soğutma için su verilir. Alaşım elementleri de martenzit oluşumunu destekler fakat martenzitik yapıyı oluşturan en güçlü etkiyi sağlayan element karbondur.

Su verilmiş martenzit yüksek mukavemet ve sertliğe sahiptir fakat kırılgandır (düşük dayanıklılık) ayrıca hidrojen çatlamasına (soğuk çatlama) karşı duyarlıdır. Mukavemet ve dayanıklılığı dengeli ve uygun bir hale getirebilmek için 535-675oC aralığında tavlama ısıl işlemi uygulamak gerekir.

 

HY-80, HY-100 ve HY-130 çeliklerinin gerilme uzama eğrileri

Resim.1) HY-80, HY-100 ve HY-130 çeliklerine ait çekme deneyi ile elde edilen, oda sıcaklığındaki gerilme uzama eğrileri.

 

Kaynak işlemi esnasında erime-kaynatma bölgesi östenitik aralığa (~750oC) kadar ısınır ve tekrar soğur. Eğer birleştirilen kesitler kalınsa ve ısı çabucak uzaklaşırsa veya kaynak ısı girişi düşük ve ISEB (ısıdan etkilenmiş bölge) civarında soğuma oranı yüksekse kaynak geçişinden sonra bölge tavlanmamış martenzit yapı oluşmasına müsait hale gelir ve kaynak bölgesinde oluşan yüksek sertlik sebebiyle ISEB çatlamasına duyarlı bir ortam oluşur. Aslında 12mm'nin üstündeki hemen hemen bütün karbon çeliklerinde soğuma hızına bağlı olarak martenzit oluşumu muhtemeledir.

Soğuk çatlama (hidrojen çatlaması)  ya da kaynak sonrası çatlama çözülmüş hidrojen ile ve ISEB'deki martenzitik yapı ile ilgilidir. Bu mekanizma ile kaynak hattına paralel veya dik çatlaklar oluşabildiği gibi kaynaktan günler sonra gecikmiş çatlamalar da ortaya çıkabilir. Bu durum;

  1. Çözülmüş hidrojen; koruyucu gazdan, elekrot kaplamasında veya yüzey kirliliğinden,
  2. Isıl çekme gerilmeleri; kaynak sebebiyle oluşan ısıl etkilerden,
  3. Sünekliği düşük kristal yapı; tavlanmamış maztenzit oluşumundan,

kaynaklanan sebeplerle meydana gelebilir.

 

HY-80
HY-100 HY-130
Akma Mukavemeti - asgari (MPa) 552 689 896
Kopmada Uzama (%) 20 18 15
Esneme Katsayısı (GPa) 207 207 207
Poisson Oranı 0,28 0,28 0,28
Sertlik (rockwell) C-21 C-25 C-30
Erime Sıcaklığı (oC) 1.793 1.793 1.793
Yoğunluk (kg/m3) 7.746 7.746 7.885

Çizelge-2) HY sınıfı çeliklerden en yaygın olan üçüne ait bazı temel fiziki nitelikler.

 

Yüksek mukavemetli çeliklerde ISEB çatlamasının önüne geçmenin yollarında biri içerikteki karbonun martenzit oluşmasına engel olacak derecede düşürmektir. Bu durumda eksiltilen karbonun yerine pahalı alaşım elementleri kullanmak gerekir. İlave olarak ön ısıtma da ISEB ve kaynak dikişi çatlamalarının önüne geçmek için etkin bir diğer seçenektir. Ön ısıtma;

  1. Soğuma hızını düşürerek martenzit oluşumuna mani olur.
  2. Çözülmüş hidrojenin dışarı çıkabilmesine olanak sağlayan zamanı ve sıcaklığı sağlar.
  3. Isıl büzülmelerin hızını ve büyüklüğünü azaltarak artık gerilmelerin küçülmesini sağlar.

 

Kaynak bölgesinin mukavemetini ve dayanıklılığını koruyabilmesi için gerekenler; kaynak için düşük ısı girişi ve soğuk çatlamaya mani olmak için gereken ön ısıtmadır.
Bu ihtiyaçlar sonucunda da özellikle denizaltı mukavim teknesi gibi büyük ve hassas metal yapılar için imalât süreci son derece pahalı ve yavaş olur. Batı tersanelerinin verilerine göre mukavim teknenin malzeme, kaynak işçiliği ve enerji maliyeti denizaltının toplam maliyetinin %20'si civarındadır. Türkiye için enerji maliyetinin çok daha yüksek olduğu ve bütün gerekli inşa malzemelerinin de ithâl edildiği göz önüne alınırsa bu oranın yükselmesi muhtemeldir.

 

HY-130'un karbon oranı HY-80'in %0,18'ine karşılık azami %0,12 olarak sınırlandırılmıştır.  Böylece uygun bir kaynak edilebilirlik sağlanabilirken kalın levhalar için yeterli sertleştirilebilirlik de elde edilir. HY-130 1970 civarında üretilmiştir.

HY-100 ise  HY-80'in değiştirilmiş bir türevidir ve eşdeğer kalınlıktaki bir levha için biraz daha fazla C, Ni, Cr, ve Mo içeriğine sahiptir. HY-80'e eşdeğer bir kaynak edilebilirlik ve dayanıklılık elde ederken daha yüksek mukavemete ulaşabilmek için daha düşük sıcaklıkla tavlanmıştır. HY-100 1980'lerin ortalarında üretilmiştir.

 

Mystic 1 Derin Su Kurtarma Aracı, 1971

Resim.2) 1971'de inşası tamamlanan iki adet derin su kurtarma aracı 1.500m dalış derinliğine sahiptir ve mukavim teknesi HY-140 çeliği ile imal edilmiştir. Birbirine bağlı üç adet çelik küreden oluşan mukavim tekne karma malzeme ile imal edilmiş dış cidarın altındadır.

 

Askeri denizaltı inşasında kullanılıp kullanılmadıkları belirsiz olsa da HY-150 ve HY-180 sınıfı çelikler de mevcuttur. Ayrıca HY-210 çeliği içinde geçmişte arge çalışmaları yapılmıştır. İlave olarak HY-140 ve HY-170 gibi çeliklerde üretilebilmektedir. Örneğin ABD tarafından batmış denizaltılardaki mürettebatı kurtarma amacıyla 1971'de inşa edilen ve DSRV olarak adlandırılan iki kurtarma denizaltısının üç küreden oluşan mukavim teknesi HY-140 çeliği ile imâl edilmiştir. 1970'lerin sonlarından itibaren HY-140 ve üzeri çeliklerin üretimleri son derece azalmış ya da durmuştur.

İngiliz donanmasının 1960'ların sonundan itibaren denizaltılarını inşa etmekte kullandığı QXN sınıfı yüksek mukavemetli çelikler de aslında HY sınıfı çeliklerdir. Q1N HY80'in, Q2N ise HY100'ün eşdeğeridir.

Bizi de yakından ilgilendirdiği için kısaca bahsetmek gerekirse Tip214/1.800 sınıfı havadan bağımsız tahrikli Alman denizaltılarının mukavim teknelerinde de HY-80 ve HY-100 çeliği kullanıldığı bilinmektedir. Peki bu bizim açımızdan iyi bir şey mi? Ne yazık ki değil!

♦ Açıklamalar

1. STS: Special Treatment Steel; Özel Muamele Çeliği [geri]

♦ Kaynaklar

1. Steel Plate, Alloy, Structural, High Yield Strength (Hy-80 and Hy-100), 1987, Military Specification
2. Hy-80 Steel Fabrication In Submarine Construction,1960, Bureau of Ships Conference
3. Advances in Low Carbon High Strength Ferrous Alloys, 1993, E. J. Czyryca - M. G. Vassilaros
4. The Development of High-Strength, Cooling-Rate Insensitive Ultra-Low-Carbon Steel Weld Metals, M. G. Vassilaros - E. J. Czyryca
5. Strength and Fracture Characteristics of Hy-80, Hy-1 00 and Hy-130 Steels Subjected to Various Strains, Strain Rates, Temperatures and Pressures, 1987, T.  J. Holmquist
6. Evaluation of High-Strength Steels Produced by Advanced Metallurical Processes, 1987, The National Shipbuilding Research Program
7. Resim.2) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9f/DSRV-Mystic.jpg
 







Telif Hakkı © 1997-2017 [uskudar.biz] - sürüm 5.5.1 - Bütün Hakları Saklıdır. Kullanım şartları için tıklayın!
Joomla! GNU/GPL lisansı altında özgür bir yazılımdır.