S275 مقابل S355 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

تعتبر S275 و S355 من الفولاذات الهيكلية الأوروبية المستخدمة على نطاق واسع والمحددة في EN 10025. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا بوزن المزايا والعيوب بين التكلفة والقوة وقابلية اللحام ومتطلبات التصنيع عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية: تقليل الوزن مع الحفاظ على هوامش الأمان (مفضلًا القوة الأعلى)، موازنة سهولة التصنيع ومخاطر اللحام (مفضلًا مكافئات الكربون المنخفضة)، وإدارة تكلفة المكونات وتوافرها.

التمييز الفني الرئيسي هو أن S355 محددة بقوة عائد دنيا أعلى من S275، والعديد من درجات S355 الفرعية تتضمن إضافة الميكروسبائك أو متطلبات صلابة أكثر صرامة، مما يؤثر معًا على المعالجة والاختيار. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذات الهيكلية منخفضة السبيكة/HSLA مع نوافذ كيميائية مشابهة، يتم مقارنتهما عادةً للأشعة، والألواح، والأقسام، والتصنيع الملحوم حيث يجب موازنة الأداء الهيكلي، والصلابة، والتكلفة.

1. المعايير والتسميات

• EN: عائلة EN 10025 — S275 و S355 هما درجات فولاذ هيكلي أوروبي (مثل S275JR، S355J0، S355J2).
• ASTM/ASME: لا يوجد مكافئ مباشر واحد لواحد من ASTM؛ تؤدي أدوار مشابهة ASTM A36 (قوة أقل) أو درجات ASTM A572 (قوة أعلى منخفضة السبيكة).
• JIS: المعايير اليابانية لا تتطابق مباشرة ولكن لديها فولاذ منخفض الكربون/فولاذ هيكلي بخصائص مشابهة.
• GB (الصين): درجات فولاذ الهيكل GB/T لديها فئات قابلة للمقارنة؛ يُرجى الرجوع إلى شهادات المواد المحددة بدلاً من افتراض التكافؤ.
• التصنيف: تعتبر كل من S275 و S355 فولاذات هيكلية من الكربون والمنغنيز ضمن عائلة HSLA (فولاذ عالي القوة منخفض السبيكة) عند إضافة الميكروسبائك؛ فهي ليست فولاذ مقاوم للصدأ أو فولاذ أدوات أو فولاذ عالي السبيكة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

يوضح الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية لدرجات S275 و S355 الموردة بشكل شائع. هذه النطاقات إرشادية؛ الحدود الكيميائية الدقيقة تعتمد على الدرجة الفرعية المحددة في EN 10025 وشهادة الشركة المصنعة. تحقق دائمًا من شهادات المصنع لحسابات التصميم.

عنصر	S275 النموذجية (wt%)	S355 النموذجية (wt%)
C (الكربون)	0.10 – 0.20	0.12 – 0.22
Mn (المنغنيز)	0.60 – 1.50	0.60 – 1.70
Si (السيليكون)	≤ 0.55 (عادة 0.10–0.35)	≤ 0.55 (عادة 0.10–0.35)
P (الفوسفور)	≤ 0.035 (الحد الأقصى المحدد)	≤ 0.035 (الحد الأقصى المحدد)
S (الكبريت)	≤ 0.035 (الحد الأقصى المحدد)	≤ 0.035 (الحد الأقصى المحدد)
Cr (الكروم)	أثر – غير محدد	أثر – موجود أحيانًا
Ni (النيكل)	أثر – غير محدد	أثر – موجود أحيانًا
Mo (الموليبدينوم)	أثر إن وجد	أثر إن وجد
V (الفاناديوم)	عادة لا يوجد؛ بعض درجات الميكروسبائك تحتوي على V	قد تحتوي على V في المتغيرات الميكروسبائكية
Nb (النيوبوم / Cb)	عادة لا يوجد	غالبًا ما يكون موجودًا بكميات مضبوطة لبعض متغيرات S355
Ti (التيتانيوم)	موجود اختياريًا كعامل إزالة الأكسدة	موجود اختياريًا في المواد الميكروسبائكية
B (البورون)	عادة لا يستخدم	نادراً ما يستخدم في الدرجات الهيكلية
N (النيتروجين)	منخفض، مضبوط	منخفض، مضبوط

كيف تؤثر السبيكة على السلوك: - يتحكم الكربون والمنغنيز بشكل أساسي في القوة الأساسية وقابلية التصلب؛ زيادة C و Mn تزيد القوة ولكن تقلل من قابلية اللحام وقابلية التشكيل. - يمكن أن يزيد السيليكون والإضافات الصغيرة من Cr و Ni و Mo قليلاً من القوة وقابلية التصلب. - تمكّن عناصر الميكروسبائك (Nb و V و Ti) من تحقيق قوة أعلى من خلال تقوية الترسيب وتنقية الحبوب دون زيادة كبيرة في الكربون — وهو مفيد لمتغيرات S355 لتحقيق 355 ميجا باسكال من العائد مع الحفاظ على قابلية اللحام والصلابة. - يتم الحفاظ على الفوسفور والكبريت عند مستويات منخفضة للحفاظ على الصلابة وقابلية اللحام.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهياكل النموذجية: - S275 المدلفنة على الساخن: تتكون بشكل أساسي من الفريت مع فريت متعدد الأضلاع وبعض البيرلايت اعتمادًا على معدل التبريد ومحتوى الكربون. يتم التحكم في حجم الحبوب وشكل الفريت من خلال الدرفلة الحرارية الميكانيكية. - S355 المدلفنة على الساخن: فريت-بيرلايت مع حجم حبة فريت أدق في المتغيرات الميكروسبائكية؛ ترسيب كربونات النيتريد (NbC، VC) في الدرجات الميكروسبائكية يقوي من خلال إعاقة حركة الانزلاق.

استجابة المعالجة الحرارية: - التطبيع: تستجيب كلا الدرجتين للتطبيع مع تحسين معتدل في تنقية الحبوب وزيادة طفيفة في القوة والصلابة؛ نادرًا ما تستخدم للأقسام الهيكلية الكبيرة. - التبريد والتخمير: ليس شائعًا للتسليمات الهيكلية القياسية S275/S355؛ يمكن تطبيقه على المتغيرات المعالجة حراريًا بشكل خاص ولكنه خارج الممارسة العادية لـ EN 10025. - معالجة التحكم الحراري الميكانيكي (TMCP): شائعة لـ S355 للحصول على عائد أعلى وصلابة محسنة دون كربون مرتفع. ينتج TMCP حبوبًا أدق وتوازنًا ملائمًا بين القوة والليونة.

أثر طرق المعالجة: - تحقق المواد الميكروسبائكية/TMCP لـ S355 عائدًا أعلى مع الحد الأدنى من التضحية بقابلية اللحام والصلابة مقارنةً بزيادة الكربون ببساطة. - تعتبر S275 عمومًا أكثر تحملًا للتشكيل البارد وأقل تطلبًا في تسخين اللحام بسبب القوة المنخفضة وغالبًا ما تكون مكافئ الكربون أقل.

4. الخصائص الميكانيكية

فيما يلي نطاقات الخصائص الميكانيكية التمثيلية. تعتمد القيم على الدرجة الفرعية (JR، J0، J2)، والسماكة، والمعالجة؛ اعتبر النطاقات إرشادية وتحقق منها مقابل شهادات اختبار المصنع المقدمة.

الخاصية	S275 (نموذجي)	S355 (نموذجي)
قوة العائد (ميجا باسكال، الحد الأدنى)	275	355
قوة الشد (ميجا باسكال)	410 – 560	470 – 630
التمدد (%)	20 – 25 (يعتمد على السماكة)	18 – 22 (يعتمد على السماكة)
صلابة التأثير (شاربي V، J)	JR: 27 J @ +20°C؛ متغيرات J0/J2 لدرجات حرارة أقل	متاحة JR/J0/J2: مثل 27 J @ +20°C (JR) أو 27 J @ 0°C / −20°C (J0/J2) اعتمادًا على الدرجة الفرعية
الصلابة (HBW، نموذجية)	~120 – 180 (تختلف)	~140 – 200 (تختلف)

التفسير: - القوة: S355 هي الدرجة الأقوى من حيث التصميم (قوة عائد محددة أعلى ونطاقات شد أعلى). - الصلابة: يمكن تزويد كلا الدرجتين بتصنيفات طاقة تأثير مشابهة من خلال اختيار درجات فرعية مناسبة (مثل JR مقابل J0/J2). تحدد السماكة والمعالجة الحرارية أداء الصلابة. - الليونة: تظهر S275 عادةً تمددًا أعلى قليلاً، مما يجعلها أكثر تسامحًا في عمليات التشكيل. - ترتبط الصلابة بالقوة؛ عادةً ما تقرأ S355 صلابة أعلى، مما يؤثر على التشغيل وارتداء الأدوات.

5. قابلية اللحام

تتحكم قابلية اللحام بشكل أساسي في محتوى الكربون ومكافئ الكربون (قابلية التصلب). كما أن الميكروسبائك والمواد المتبقية لها أهمية أيضًا.

مؤشرات قابلية اللحام الشائعة: - المعهد الدولي للحام مكافئ الكربون: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - المعهد الدولي للحام المعامل العملي: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - عادةً ما يكون لمكافئ الكربون في S355 أعلى قليلاً من S275 بسبب الكربون الأعلى والإضافات المحتملة للميكروسبائك؛ هذا يزيد من الميل إلى مناطق صلبة ناتجة عن اللحام وتصدع الهيدروجين إذا لم يتم إدارتها. - تعتمد درجات S355 الميكروسبائكية غالبًا على كربون منخفض بالإضافة إلى إضافات Nb/V/Ti؛ وهذا يعطي قوة أعلى مع CE مضبوطة نسبيًا، مما يقلل من تسخين اللحام المفرط مقارنة بالفولاذات عالية الكربون. - الإرشادات العملية: بالنسبة للأقسام الأكثر سمكًا أو الخدمة في درجات حرارة منخفضة، قم بتطبيق التسخين المسبق ودرجات حرارة التحكم بين الطبقات وفقًا لتقييم CE أو Pcm؛ استخدم المواد الاستهلاكية المناسبة والمعالجة الحرارية بعد اللحام إذا لزم الأمر.

6. التآكل وحماية السطح

• لا تعتبر S275 ولا S355 فولاذات مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل العامة مشابهة ومحدودة لمقاومة أساسية نموذجية للفولاذات الكربونية المنغنيزية العادية.
• استراتيجيات الحماية النموذجية:
• التغليف بالغمس الساخن لحماية التآكل الجوي (شائع للعناصر الهيكلية).
• أنظمة الطلاء (الأساس + الطلاء العلوي) للهياكل المعمارية والهياكل المعرضة للبحر.
• التعدين، والطلاءات البوليمرية، أو الأنودات التضحية للبيئات العدوانية.
• مؤشرات مقاومة الصدأ (PREN) غير قابلة للتطبيق على S275/S355، حيث إنها ليست فولاذات مقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذه الصيغة ذات معنى فقط للفولاذات المقاومة للصدأ التي تحتوي على كميات كبيرة من Cr/Mo/N.

متى يجب النظر في مواد أخرى: - بالنسبة للبيئات الغنية بالكلور أو العدوانية كيميائيًا، يجب النظر في سبائك مقاومة للتآكل بدلاً من الاعتماد على الطلاءات فقط.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: قطع البلازما، والقطع بالأكسجين والوقود، وقطع الليزر هي روتينية. قد تتطلب S355 ذات القوة الأعلى طاقات قطع أعلى قليلاً واهتمامًا أكبر بخصائص منطقة التأثير الحراري (HAZ).
• التشكيل/الانحناء: تعتبر S275، ذات القوة المنخفضة والتمدد الأعلى قليلاً، عمومًا أسهل في التشكيل البارد ويمكن أن تتحمل أنصاف أقطار انحناء أصغر. تتطلب S355 أنصاف أقطار انحناء أكبر أو تسخين مسبق للأشكال الضيقة لتجنب التصدع.
• قابلية التشغيل: لا تعتبر كلاهما فولاذات سهلة التشغيل؛ يمكن أن تزيد القوة والصلابة في S355 من ارتداء الأدوات وتقلل من معدلات التغذية الممكنة. استخدم أدوات مناسبة، وسرعات، ومبردات.
• التشطيب: تتبع معالجة السطح، والاستقامة، وممارسات تخفيف الضغط إجراءات الفولاذ الهيكلي القياسية. بالنسبة للتجمعات الملحومة، يجب أخذ التحكم في التشوه في الاعتبار أكثر في S355 بسبب الضغوط المقيدة الأعلى.

8. التطبيقات النموذجية

S275 – الاستخدامات النموذجية	S355 – الاستخدامات النموذجية
أقسام هيكلية خفيفة، عوارض ثانوية، دعامات، حوامل، تصنيع عام حيث تكون القوة المعتدلة كافية والتكلفة حرجة	عوارض رئيسية، أعضاء هيكلية ثقيلة، مكونات الجسور، هياكل الجاكيت البحرية، قضبان الرافعات عالية الحمل حيث تكون القوة الأعلى وتقليل سمك القسم (توفير الوزن) مهمين
أعمال الفولاذ المعمارية، الممرات، المنصات، دعامات الواجهة	إطارات عالية الحمل، ألواح ثقيلة، مكونات هيكلية تتطلب إجهاد تصميم أعلى أو سمك أقل
تصنيع ملحوم عام مع تشكيل متكرر	تصنيع حيث تكون الصلابة الأعلى في درجات حرارة منخفضة والقوة إلى الوزن أعلى هي الأولوية

مبررات الاختيار: - اختر S275 عندما تكون التكلفة المنخفضة، وسهولة التشكيل/اللحام، والأقسام المسموح بها الأكثر سمكًا مقبولة. - اختر S355 عندما تمكن قوة العائد الأعلى من تقليل سمك الأقسام والوزن، أو حيث تتطلب رموز التصميم قيم عائد دنيا.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تحمل S355 علاوة على S275 بسبب التحكم الأعلى في السبيكة والمعالجة الإضافية (TMCP، الميكروسبائك، الاختبار). تختلف العلاوة وفقًا لظروف السوق وشكل المنتج.
• التوافر: تتوفر كلا الدرجتين على نطاق واسع في الألواح، والأوراق، والأقسام المدلفنة، والملفات الهيكلية. قد تكون S355 أكثر شيوعًا قليلاً للاستخدامات الهيكلية الثقيلة والألواح عالية القوة؛ غالبًا ما تستخدم S275 للأقسام الهيكلية الأخف.
• أوقات التسليم: يمكن أن تزيد الدرجات الفرعية المتخصصة (مثل تصنيفات التأثير المحددة، السماكات، أو المتغيرات الميكروسبائكية) من أوقات التسليم؛ يُنصح بالتحديد المبكر والتواصل مع الموردين.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

السمة	S275	S355
قابلية اللحام	جيدة (CE أقل)	جيدة–متوسطة (احتمالية CE أعلى؛ تساعد الميكروسبائك)
توازن القوة–الصلابة	قوة معتدلة؛ ليونة جيدة	قوة أعلى؛ يمكن أن تحافظ على صلابة جيدة مع الدرجة الفرعية المناسبة
التكلفة	أقل	أعلى (علاوة للقوة الأعلى)

التوصية: - اختر S275 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ هيكلي فعال من حيث التكلفة، سهل التشكيل واللحام للتطبيقات حيث يكون 275 ميجا باسكال من العائد كافيًا، حيث تكون بساطة التصنيع وتقليل ارتداء القطع/الأدوات من الأولويات، وعندما لا يكون تقليل الوزن هدفًا رئيسيًا. - اختر S355 إذا كان تصميمك يتطلب قوة عائد أعلى لتقليل سمك القسم أو الوزن، أو حيث تكون الضغوط التصميمية الأعلى والصلابة المحسنة (باستخدام درجات فرعية مناسبة) مطلوبة. استخدم S355 عندما يمكن أن يتحمل البرنامج تكلفة المواد الأعلى قليلاً، والتحكم الأكثر دقة في اللحام (تسخين مسبق/بين الطبقات)، والجهد المحتمل المتزايد في التشغيل.

ملاحظات نهائية: - حدد دائمًا الدرجة الفرعية المحددة في EN 10025 (مثل JR، J0، J2، أو ظروف N/T) وحدود السماكة في مستندات الشراء. - اطلب شهادات اختبار المصنع وتحقق من التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية لحسابات التصميم، ومواصفات إجراءات اللحام (WPS)، وتخطيط التصنيع. - بالنسبة للهياكل الملحومة الحرجة أو الخدمة في درجات حرارة منخفضة، قم بتقييم مكافئ الكربون باستخدام $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ وطبق التسخين المسبق أو PWHT كما هو موضح في رموز ومعايير اللحام.