S355 مقابل S460 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يُعد الفولاذان S355 و S460 من الفولاذ الهيكلي واسع الاستخدام وفق مواصفات سلسلة EN 10025. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع معضلة الاختيار غالبًا بين الفولاذ منخفض التكلفة وسهل التصنيع والفولاذ عالي القوة الذي يسمح بتقليل أوزان الهياكل أو تقليل مقاطع الأجزاء. تشمل الموازنات التقليدية القابلية للحام مقابل القوة، سهولة التصنيع مقابل خفض الوزن، والمتانة المتاحة عند درجات حرارة التصميم.
الفرق الفني الرئيسي هو أن S460 يوفر حد انقطاع (خضوع) أعلى من S355، والذي يتحقق عبر التحكم في التركيب الكيميائي والعمليات الحرارية الميكانيكية أو السبك الجزئي. ونظرًا لتداخل الأساس الكيميائي وخيارات المعالجة بين الدرجتين، غالبًا ما تتم مقارنتهما عند تحسين الكفاءة الهيكلية، وإجراءات اللحام، وتكاليف دورة الحياة الكاملة.
1. المعايير والمسميات
- EN: تُحدد كل من S355 و S460 ضمن EN 10025 (مثل EN 10025‑2 للفولاذ الهيكلي غير السبائكي). تشمل المتغيرات لاحقات لخصائص الصدمات (JR, J0, J2) وللعمليات (M = مدرفل حراريًا ميكانيكيًا، N = مكفول).
- ISO: قد تظهر مسميات معادلة ضمن قوائم الفولاذ الهيكلي في ISO، لكن أسماء EN أكثر شيوعًا في أوروبا.
- ASTM/ASME: لا تتطابق هذه الفولاذات بشكل مباشر مع درجات ASTM (التي تستخدم تركيبات وكود تسمية مختلفة)؛ لذا يتطلب الاختيار بين فولاذ EN و ASTM مقارنة الخصائص وليس استبدال الأسماء مباشرة.
- JIS/GB: للمعايير اليابانية (JIS) والصينية (GB) درجاتها الهيكلية الخاصة؛ وتستخدم جداول المراجعة المتبادلة للمقارنة.
- التصنيف: كلا S355 و S460 هما من نوع فولاذ HSLA (فولاذ منخفض السبائك عالي القوة) – فولاذ كربوني منغنيزي غير مقاوم للصدأ قد يحتوي على عناصر سبك جزئي (Nb, V, Ti) لتعزيز القوة والمتانة. لا يُصنفان كفولاذ أدوات سبائكي أو فولاذ مقاوم للصدأ.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبك
| العنصر | S355 نمطي (متغيرات EN 10025) | S460 نمطي (متغيرات EN 10025) |
|---|---|---|
| C (حد أقصى) | حوالي 0.20–0.24 وزنيًا (يختلف حسب المتغير) | حوالي 0.16–0.22 وزنيًا (يختلف حسب المتغير) |
| Mn (نمطي) | ≤1.60 وزنيًا% | ≤1.60 وزنيًا% |
| Si (حد أقصى) | ≤0.55 وزنيًا% | ≤0.55 وزنيًا% |
| P (حد أقصى) | ≤0.035 وزنيًا% | ≤0.035 وزنيًا% |
| S (حد أقصى) | ≤0.035 وزنيًا% | ≤0.035 وزنيًا% |
| Cr | آثار أو منخفض (غير إلزامي) | آثار أو منخفض |
| Ni | آثار أو منخفض | آثار أو منخفض |
| Mo | آثار أو منخفض | آثار أو منخفض |
| V (سبائك دقيقة) | ممكن وجوده في المتغيرات المسبوكة جزئيًا | مستخدم بشكل متكرر في درجات السبك الجزئي |
| Nb (سبائك دقيقة) | ممكن وجوده | شائع في متغيرات S460M/N |
| Ti (سبائك دقيقة) | أحيانًا موجود | أحيانًا موجود |
| B (بتركيز ppm) | ممكن في المتغيرات المسبوكة جزئيًا | ممكن في المتغيرات المسبوكة جزئيًا |
| N (مراقب) | مراقب لتعزيز المتانة | مراقب لتعزيز المتانة |
ملاحظات: - القيم هي نطاقات إرشادية. الحدود الدقيقة تعتمد على الفئة الفرعية ضمن EN 10025 (مثل S355JR, S355J0, S355J2, S460M, S460N) وشهادات المصنع. - S460 عادةً ما تحقق مقاومة خضوع أعلى عبر التدحرج الحراري الميكانيكي (TMCP) والسبائك الدقيقة (Nb, V, Ti) بدلاً من زيادة كبيرة في نسبة الكربون. - استراتيجية السبك: الحفاظ على كربون منخفض وفوسفور/كبريت منضبطين لتحسين قابلية اللحام والمتانة؛ إضافة عناصر سبك دقيقة لتحسين حجم الحبيبات وتعزيز القوة من خلال ترسيب مخالف للتقليل من تأثير سلبي على اللحام.
تأثير السبك على الخواص: - الكربون: يزيد المتانة وقابلية التصلب لكنه يقلل القابلية للحام والمتانة عند فرط النسبة. - المنغنيز: يعزز المتانة وقابلية التصلب، وبكمية مضبوطة يدعم إزالة الأكسجين والمتانة. - السيليكون: مزيل للأكسجين؛ مستوياته المعتدلة تدعم المتانة لكنها قد تؤثر على المتانة الصدمية. - Nb, V, Ti: عناصر سبك دقيقة تمكن من تعزيز القوة عبر تحسين حجم الحبيبات وترسيب سبائكي مع تأثير سلبي محدود على اللحام إذا حافظ عليها منخفضة التركيز. - Mo, Cr, Ni: ليست أساسية في هذه الدرجات ولكن قد تؤثر على قابلية التصلب ومقاومة التآكل إذا كانت موجودة.
3. التركيب المجهري واستجابة المعالجة الحرارية
التركيبات الميكروسكلية النمطية: - S355 (مدرفل أو مكفول): تركيب فيريك–بيرلايتي مع حبيبات نسبية خشنة في حالة التدحرج العادية؛ تتحسن المتانة عبر التكميم (normalizing). - S460 (TMCP أو مكفول): حبيبات فيريكية أدق مع كمية مسيطرة من الباينيت أو المارتينسيت الممزوج في بعض المنتجات المدحرجة حراريًا ميكانيكيًا؛ ترسيبات السبائك الدقيقة تصغر حجم الحبيبات وتعزز المتانة والصلادة.
تأثير طرق المعالجة: - التكميم (Normalizing): إعادة التسخين والتبريد بالهواء يصغران حجم الحبة ويحسنان المتانة لكلا الدرجتين؛ تستخدم المتغيرات "N" في S460 لضمان خصائص موحدة. - التحكم الحراري الميكانيكي (TMCP): يستخدم على نطاق واسع في S460M لتحقيق قوة أعلى مع مكافئ كربون أدنى — ينتج مصفوفة فيريكية دقيقة وعالية القوة مع متانة محسنة. - التبريد والتطرية (Quenching & tempering): غير شائع في S355/S460 القياسي الهيكلي (يتم تسليمها كمدحرجة أو مكفولة)؛ يستخدم لمسارات أخرى للفولاذ السبائكي ذات القوة الأعلى وهذا يغير الخصائص بشكل كبير عن مواصفات EN.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية | S355 (نمطي) | S460 (نمطي) |
|---|---|---|
| حد الخضوع الأدنى (Rp0.2) | حوالي 355 MPa (منتجات مسطحة حسب EN 10025) | حوالي 460 MPa |
| مقاومة الشد (Rm) | حوالي 470–630 MPa (تعتمد على المتغير والسماكة) | حوالي 510–680 MPa (تعتمد على المتغير والسماكة) |
| الاستطالة (A، % حد أدنى) | حوالي 20–22% (تعتمد على السماكة؛ تقل مع زيادة السماكة) | حوالي 14–20% (تعتمد على السماكة والمتغير) |
| متانة الصدمة (شاربي V) | محددة حسب المتغير (مثلاً 27 J عند +20°C / 0°C / −20°C حسب JR/J0/J2) | غالبًا محددة لدرجات حرارة أدنى (المتغيرات تضمن متانة معادلة أو محسنة عند درجة حرارة التصميم) |
| الصلادة (نمطي، غير معالجة حراريًا) | منخفضة إلى متوسطة (تعتمد على التركيب الهيكلي؛ عادة ضمن نطاق صلادة منخفضة للفولاذ الهيكلي) | متوسطة (القوة الأعلى تؤدي عادة إلى صلادة أعلى قليلاً) |
التفسير: - S460 هي الدرجة الأقوى من حيث حد الخضوع وغالبًا مقاومة الشد؛ تُحقق الزيادة في القوة بشكل رئيسي عبر السبك الجزئي و TMCP وليس عبر زيادة كبيرة في الكربون. - S355 تميل لأن تكون أكثرلزوجة بعض الشيء (استطالة أعلى) في العديد من المقارنات بسبب متطلبات مقاومة الخضوع الأقل. - المتانة تعتمد على المتغير؛ يمكن تحديد كلتا الدرجتين بمتطلبات صدمة مناسبة للخدمة في درجات حرارة منخفضة. تم تصميم S460 للحفاظ على المتانة مع مستويات قوة أعلى من خلال المعالجة المتحكم بها.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام على محتوى الكربون، مكافئ الكربون، والسبك الجزئي. من الصيغ التنبؤية الشائعة:
-
مكافئ الكربون لدى IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
معامل عالمي أكثر شمولاً ($P_{cm}$) لسهولة التشقق باللحام: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - يُعتبر كلا من S355 وS460 قابلين للحام بصفة عامة مع تطبيق التدفئة المسبقة، التحكم بدرجة حرارة ما بين اللحامات، واستخدام مواد حشو متوافقة. قد يتطلب S460 نظرًا لقابلية التصلب الأعلى نتيجة السبك الجزئي والقوة الأعلى نسبياً إجراءات لحام أكثر دقة (قيود على مدخل الحرارة، زيادة التدفئة المسبقة أو المعالجة بعد اللحام في بعض الحالات) لتجنب تشقق البرودة. - قيم مكافئ الكربون للمتغيرات النموذجية من فولاذ EN S355 و S460 منخفضة إلى متوسطة مقارنة بالفولاذ السبائكي المقذوف، لكن متغيرات S460M/N قد يظهر فيها ارتفاع في CE بسبب Nb/V. يجب دائمًا حساب CE أو $P_{cm}$ بناءً على التركيب الكيميائي والسماكة لتحديد التدفئة المسبقة والمواد الاستهلاكية المناسبة.
6. مقاومة التآكل وحماية السطح
- لا يُعتبر أي من S355 أو S460 فولاذًا مقاومًا للصدأ؛ حيث تفتقر إلى محتويات كروم أو نيكل عالية لتكوين طبقة حماية خاملة. لذلك، تعتمد حماية التآكل على الطبقات الطلائية والتصميم:
- التغليف بالغمس في الزنك الساخن، طبقات تمهيدية غنية بالزنك متبوعة بالدهان، الرش المعدني (Metallizing)، أو بطانات مقاومة للتآكل هي الإجراءات الشائعة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- القطع: القطع بالبلازما، الأكسجين-وقود، القطع بالليزر، والقطع بالماء هي طرق قياسية لكلا الدرجتين. قد يظهر الفولاذ الأقوى S460 تآكلاً طفيفاً أعلى للأدوات وارتداداً أكبر عند القطع بالاحتراق بسبب صلابته الأعلى.
- الثني/التشكيل: S355 أسهل في التشكيل والطي بالتبريد بسبب مقاومة الخضوع الأقل؛ أما S460 فيتطلب قوى تشكيل أعلى وتحكم أدق في ارتداد المادة. حدود التشكيل تعتمد على السماكة، المعالجة الحرارية، والمتغير.
- قابلية التشغيل: كلاهما فولاذ كربوني/سبائكي دقيق؛ وقابلية التشغيل معتدلة عموماً. القوة الأعلى في S460 ورواسب السبائك الدقيقة قد تقلل قليلاً من قابلية التشغيل وتزيد من استهلاك أدوات القطع.
- التشطيب: المعالجات السطحية (الرش بالكرات المعدنية، التلوين، التغطية بالزنك) متماثلة لكلا الدرجتين؛ مع اختلافات في متطلبات التهيئة المسبقة وتخفيف الإجهاد للتجميعات الملحومة حسب الدرجة.
8. التطبيقات النموذجية
| يناسب S355 للاستخدامات التالية | يناسب S460 للاستخدامات التالية |
|---|---|
| هياكل المباني (عوارض، أعمدة) حيث القوة القياسية تكفي | الجسور والهياكل ذات الامتدادات الطويلة حيث تقلل القوة الأعلى من حجم القطاع |
| مكونات هيكلية عامة، أطر، ومنصات | أطر الآلات الثقيلة التي تتطلب تقليل الوزن |
| مباني فولاذية ملحومة وأعمال فولاذ ثانوية | عناصر هيكلية عالية الأداء في الأعمال الفولاذية البحرية والبرية حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن حرجة |
| مقاطع مصنعة، ألواح، وبروفيلات لتحميل معتدل | عوارض رافعات، التركيبات الملحومة الكبيرة، والهياكل التي تحتاج إلى تقليل سماكة المادة |
مبرر الاختيار: - اختر S355 عندما يكون التكلفة، سهولة التصنيع، والأداء الإنشائي القياسي هي الأولوية. غالباً ما يكون الخيار الافتراضي لهياكل المباني والتصنيع العام. - اختر S460 عندما تستفيد التصميمات من مقاومة خضوع أعلى — مثل تقليل حجم العناصر، تلبية متطلبات انحراف أو انبعاج أدق، أو توفير الوزن في الأنظمة ذات قيود النقل — بشرط تنفيذ ضوابط اللحام والتصنيع المناسبة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: S460 عادة أكثر تكلفة لكل طن من S355 بسبب ضوابط المعالجة المشددة (TMCP/التنعيم)، المحتوى المحتمل من السبائك الدقيقة، وأحجام الإنتاج الأقل. علاوة السعر تختلف حسب السوق، شكل المنتج، والسماكة.
- التوافر: S355 متوفر بشكل أوسع في الألواح، المقاطع المدرفلة على الساخن، والأشكال الإنشائية. S460 متوفر بشكل واسع للألواح والمقاطع الإنشائية لكن قد تكون أوقات التسليم أطول للسماكات أو مستويات المعالجة أو الأنواع المقاومة للصدمات المحددة.
- تأثير شكل المنتج: الألواح واللفات ذات خصائص S460M/N المعتمدة قد تكون محدودة أكثر من S355 القياسي؛ لذا ينبغي مراعاة وقت التسليم وتأهيل المورد.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | S355 | S460 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة (إجراءات قياسية) | من جيدة إلى معتدلة (قد تتطلب ضوابط أدق) |
| توازن القوة والمتانة | قوة معتدلة مع ليونة جيدة | قوة أعلى مع متانة محسّنة عبر TMCP |
| التكلفة | أقل | أعلى (علاوة للقوة الأعلى والمعالجة) |
اختر S355 إذا: - كانت بساطة التصنيع، التوافر الواسع، وانخفاض تكلفة المادة هي الأولويات. - يمكن تلبية الأحمال التصميمية وقيود الوزن بدون الحاجة إلى مقاطع عالية القوة. - تريد استخدام إجراءات لحام قياسية وتحكم اعتيادي في التهيئة المسبقة والتباعد بين اللحامات.
اختر S460 إذا: - كانت الكفاءة الهيكلية وتقليل الوزن ضرورية (مثل الامتدادات الطويلة، عوارض الرافعات، النقل المقيد). - يمكن للمشروع دعم ضوابط لحام وتصنيع أدق وربما تحمل تكاليف مادية أعلى لتحقيق فوائد الأداء وعمر الخدمة. - يتطلب التصميم متانة صدمة محددة وقيم مقاومة خضوع أعلى.
خلاصة: كلا من S355 و S460 مصممان لتقديم أداء هيكلي موثوق؛ ويُحكم الاختيار بمقاومة الخضوع المطلوبة، قيود التصنيع، متطلبات درجة الحرارة والمتانة، والتكلفة الإجمالية للملكية. تحقق دوماً من الحدود الكيميائية والميكانيكية الدقيقة في شهادة المصنع المزود وقم بحساب التكافؤ الكربوني وتأهيل إجراءات اللحام للتركيبات الحرجة.