A36 مقابل A572 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
ASTM A36 و ASTM A572 هما من أكثر الفولاذات الهيكلية المحددة شيوعًا في البناء والتصنيع والصناعة الثقيلة. غالبًا ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين التكلفة وقابلية اللحام وقابلية التشكيل والأداء الميكانيكي المطلوب عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية: (1) ما إذا كانت قوة العائد الأعلى تبرر تكلفة المواد الإضافية والتغييرات المحتملة في إجراءات اللحام أو التشكيل، و (2) ما إذا كانت المتانة المحسنة أو الوزن المنخفض (من خلال مقاطع أرق) مطلوبة لتصميم معين.
تتعلق التمييزات العملية بين هذه الدرجات بالأداء الميكانيكي الذي يتم تحقيقه من خلال استراتيجيات السبائك والمعالجة المختلفة: A36 هو فولاذ هيكلي كربوني تقليدي ذو كيمياء بسيطة نسبيًا وسلوك متوقع، بينما A572 هو عائلة من الفولاذات عالية القوة ومنخفضة السبيكة (HSLA) تم إنتاجها لتوفير قوة عائد أعلى وغالبًا ما تكون متانة أفضل من خلال السبائك المتحكم بها والمعالجة الحرارية الميكانيكية. يقارن المهندسون بينهما لأن كلاهما يؤدي نفس الأدوار الهيكلية ولكن مع تنازلات مختلفة في القوة والليونة وقابلية اللحام والتكلفة.
1. المعايير والتسميات
- ASTM/ASME:
- ASTM A36/A36M — فولاذ هيكلي كربوني (يشار إليه عادةً باسم A36).
- ASTM A572/A572M — فولاذ هيكلي عالي القوة ومنخفض السبيكة (متوفر في درجات متعددة مثل 42، 50، 55، 60، 65؛ الدرجة 50 هي الأكثر شيوعًا).
- EN: توجد مواصفات تقريبية مماثلة في المعايير الأوروبية (مثل S275 للفولاذ الهيكلي العام منخفض القوة؛ S355 ودرجات HSLA للقوة الأعلى)، لكن المعادلة المباشرة واحدة لواحدة ليست دقيقة.
- JIS/GB: تحتوي المعايير اليابانية والصينية على فولاذات هيكلية قابلة للمقارنة، لكن يجب على المستخدمين مقارنة المتطلبات الميكانيكية والكيمياء بدلاً من الاعتماد على المعادلة المباشرة للأسماء.
- التصنيف: A36 — فولاذ هيكلي كربوني؛ A572 — فولاذ هيكلي HSLA (عالي القوة، منخفض السبيكة).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
جدول: التركيب النموذجي (wt%) — إرشادات عامة. تعتمد الحدود الكيميائية الدقيقة على الفقرات الفرعية المحددة في ASTM والدرجة A572 المختارة؛ استشر شهادات المصنع للحصول على التسامحات الحرجة للمشتريات.
| عنصر | A36 (نموذجي) | A572 (نموذجي، مثل الدرجة 50 والدرجات ذات الصلة) |
|---|---|---|
| C (الكربون) | حتى ~0.25–0.26 (منخفض–متوسط) | عادةً ما تكون الحدود القصوى أقل أو مشابهة (مثل ~0.23) |
| Mn (المنغنيز) | ~0.60–1.20 (يستخدم للتحكم في القوة) | عادةً ما تكون أعلى أو أكثر تحكمًا؛ عادةً حوالي 0.8–1.6 |
| Si (السيليكون) | ≤ ~0.40 (مزيل الأكسدة) | مشابه أو أعلى قليلاً حسب ممارسة المصنع |
| P (الفوسفور) | ≤ ~0.04 (حد الشوائب) | ≤ ~0.04 (تحكم مشابه في الشوائب) |
| S (الكبريت) | ≤ ~0.05 (حد الشوائب) | ≤ ~0.05 (مشابه) |
| Cr (الكروم) | عادةً لا يضاف عمدًا (أثر) | قد يكون موجودًا بكميات صغيرة في بعض كيمياء HSLA |
| Ni (النيكل) | ليس نموذجيًا (أثر) | ليس نموذجيًا باستثناء المتغيرات الخاصة |
| Mo (الموليبدينوم) | ليس نموذجيًا | يستخدم أحيانًا بكميات أثرية لزيادة القدرة على التصلب في بعض متغيرات HSLA |
| V (الفاناديوم) | ليس نموذجيًا | غالبًا ما يكون موجودًا بكميات صغيرة من الميكروسبائك (مئات من ppm) |
| Nb (النيوبيوم، الكولومبيوم) | ليس نموذجيًا | قد يستخدم كعنصر ميكروسبائكي (أثر إلى عدة مئات من ppm) |
| Ti (التيتانيوم) | ليس نموذجيًا | قد يضاف في بعض الفولاذات للتحكم في الحبيبات (أثر) |
| B (البورون) | ليس نموذجيًا | ليس نموذجيًا؛ أثر في الفولاذات المتخصصة فقط |
| N (النيتروجين) | متبقي | متحكم فيه؛ يمكن أن يتفاعل مع Ti/Nb لتعزيز الترسيب |
ملاحظات: - A36 هو في الأساس فولاذ هيكلي كربوني بسيط مع سبائك محدودة عمدًا. A572 هو عائلة من فولاذات HSLA حيث تتيح الإضافات المتحكم بها من العناصر الميكروسبائكية (V، Nb، Ti) والتحكم الأكثر صرامة في Mn وSi تحقيق قوة عائد أعلى وتحسين المتانة دون زيادة كبيرة في الكربون المكافئ. - يختلف التركيب الدقيق لـ A572 حسب الدرجة (42، 50، إلخ) وحسب المصنع؛ يجب على المشتريات تحديد الدرجة وطلب تقارير اختبار المواد (MTRs).
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يزيد الكربون من القوة والقدرة على التصلب ولكنه يمكن أن يقلل من قابلية اللحام والمتانة عند ارتفاعه. - يزيد المنغنيز من القدرة على التصلب وقوة الشد ويعزز إزالة الأكسدة. - تعمل العناصر الميكروسبائكية (V، Nb، Ti) على تنقيح حجم الحبيبات وتنتج تعزيز الترسيب الذي يزيد من قوة العائد دون زيادات كبيرة في الكربون. - تزيد الإضافات الصغيرة من Cr وMo وNi (عند وجودها) من القدرة على التصلب والأداء عند درجات الحرارة العالية ولكنها غير شائعة في A36/A572 القياسي.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- A36: البنية المجهرية النموذجية عند الدرفلة هي الفريت مع البيرلايت—حبيبات خشنة مقارنة بفولاذات HSLA. يتم عادةً تزويد A36 في حالة الدرفلة الساخنة. لا يُقصد به إجراء معالجة حرارية كبيرة؛ يتم تحقيق الخصائص في الحالة المدرفلة. يمكن أن تعمل المعالجة العادية على تنقيح حجم الحبيبات وتحسين القوة والمتانة قليلاً.
- A572: يتم إنتاجه بكيمياء متحكم بها وغالبًا مع الدرفلة الحرارية الميكانيكية أو التبريد المعجل لإنتاج بنية مجهرية من الفريت-بيرلايت أو الفريت الإبرية الدقيقة وترسيبات مفيدة (كربونيتريدات من V، Nb، Ti). توفر هذه البنية المجهرية المنقحة قوة عائد أعلى ومتانة أفضل مقارنة بالفولاذات الكربونية العادية ذات السماكة المماثلة.
- استجابة المعالجة الحرارية:
- المعالجة العادية: يمكن معالجة كلا الدرجتين بشكل عادي لتنقيح حجم الحبيبات؛ عادةً ما تستجيب A572 بشكل أفضل لأن ترسيبات الميكروسبائك تتحكم في نمو الحبيبات.
- التبريد والتقسية: لا يتم تطبيقها عادةً على A36 أو A572 القياسي في الممارسة الهيكلية؛ إذا كانت الفولاذات المقسية والمقسية عالية القوة مطلوبة، يتم استخدام مواصفات مختلفة.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية (TMCP): يمكن إنتاج A572 بواسطة TMCP للاستفادة من الدرفلة والتبريد المتحكم فيه لتعظيم القوة والمتانة دون سبائك ثقيلة.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: الخصائص الميكانيكية النموذجية (حالة المصنع؛ تمثل القيم الحد الأدنى الشائع أو النطاقات — تحقق من مواصفات ASTM وتقرير اختبار المصنع).
| الخاصية | A36 (نموذجي) | A572 (نموذجي، الدرجة 50 كممثل) |
|---|---|---|
| قوة العائد (الحد الأدنى) | 36 ksi (≈250 MPa) | 50 ksi (≈345 MPa) |
| قوة الشد (نطاق نموذجي) | ~58–80 ksi (≈400–550 MPa) | ~65–90 ksi (≈450–620 MPa) |
| التمدد (في 2 بوصة / 50 مم) | عادةً ≥20% (يعتمد على السماكة) | عادةً ≥18% (يختلف حسب الدرجة والسماكة) |
| متانة الصدمة (شربي V-notch) | عادةً ليست إلزامية ما لم يتم تحديدها؛ متوسطة | غالبًا ما يتم تحديدها عند درجة حرارة للخدمة الحرجة؛ يمكن أن تكون متفوقة عند استخدام TMCP |
| الصلابة | متوسطة (قيم روكويل B نموذجية للفولاذات الكربونية المنخفضة–المتوسطة) | عادةً ما تكون أعلى ولكن لا تزال قابلة للتشغيل/التشكيل؛ تختلف الصلابة حسب الدرجة والمعالجة |
التفسير: - يوفر A572 (خصوصًا الدرجة 50) قوة عائد أدنى أعلى بوضوح من A36، مما يمكّن من تقليل وزن التصميم أو مقاطع أصغر لنفس الحمل. - الليونة (التمدد) غالبًا ما تكون قابلة للمقارنة، على الرغم من أن المواد عالية القوة أحيانًا تظهر تمددًا أقل قليلاً؛ غالبًا ما تحافظ معالجة A572 الحديثة على متانة جيدة وليونة مقبولة. - المتانة (مقاومة الصدمات عند درجات الحرارة المنخفضة) غالبًا ما تكون أفضل تحكمًا ومحددة لتطبيقات A572، خاصة عند استخدامها في الهياكل الحرجة.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام على محتوى الكربون، الكربون المكافئ (القدرة على التصلب)، ووجود العناصر الميكروسبائكية. يتم عرض اثنين من المعلمات التجريبية المستخدمة بشكل شائع هنا للتفسير.
-
الكربون المكافئ IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm الدولية (للتنبؤ الأكثر تفصيلاً بقابلية اللحام وقابلية التشقق البارد): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - عادةً ما يكون A36 لديه كربون مكافئ منخفض ويعتبر على نطاق واسع قابلًا للحام بسهولة باستخدام العمليات القياسية (SMAW، GMAW، FCAW). تكون درجات حرارة التسخين المسبق ودرجات الحرارة بين الطبقات عمومًا متواضعة باستثناء المقاطع السميكة جدًا أو الخدمة الحساسة للهيدروجين. - درجات A572، على الرغم من قوتها الأعلى، مصممة لتبقى قابلة للحام. تزيد الميكروسبائك بكميات متحكم فيها من القوة دون زيادات كبيرة في $CE_{IIW}$. ومع ذلك، يمكن أن ترفع الدرجات الأعلى قوة، والمقاطع السميكة، أو زيادة محتوى المنغنيز والميكروسبائك من القدرة على التصلب وتتطلب إجراءات لحام أكثر حذرًا (تسخين مسبق، تحكم في إدخال الحرارة، مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين) لتجنب قابلية التشقق. - نصيحة عملية: بالنسبة للهياكل الحرجة، حدد المعالجة الحرارية بعد اللحام (إذا لزم الأمر)، تحكم في درجة حرارة التسخين المسبق ودرجة الحرارة بين الطبقات، وتأكد من إجراءات اللحام مع سجلات تأهيل الإجراءات (PQRs).
6. التآكل وحماية السطح
- لا A36 ولا A572 القياسي هما فولاذات مقاومة للصدأ. كلاهما يتطلب حماية سطحية للبيئات التآكلية.
- استراتيجيات الحماية الشائعة:
- التغليف بالغمس الساخن (طلاء الزنك) لمقاومة التآكل الجوية على المدى الطويل.
- طلاء أولي في المصنع، طلاء ميداني، أو طلاءات صناعية متخصصة للبيئات القاسية.
- أنظمة تغليف أو مزدوجة إذا لزم الأمر للظروف العدوانية.
- معادلة PREN (رقم مقاومة التآكل): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذه المعادلة غير قابلة للتطبيق على A36 وA572 لأن كيمياءهما تفتقر إلى محتوى الكروم/الموليبدينوم/النيتروجين الذي يمنح سلوك مقاوم للصدأ. بالنسبة للتطبيقات الحرجة من حيث التآكل، اختر سبائك مقاومة للصدأ أو مقاومة للتآكل بدلاً من الاعتماد على التغليف/الطلاءات وحدها.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- القطع: يمكن قطع كلا الفولاذين بسهولة باستخدام الأكسجين والوقود، أو القطع بالبلازما، أو القطع بالليزر. قد يتطلب A572 عالي القوة معلمات قطع مختلفة قليلاً بسبب قوة الشد الأعلى.
- التشكيل والانحناء: A36، مع قوته المنخفضة وبنيته المجهرية البسيطة، يكون عمومًا أسهل في التشكيل والانحناء مع ارتداد أقل. A572، بسبب قوته الأعلى، سيظهر ارتدادًا أكبر وقد يتطلب تعديلات (مثل قوة انحناء أعلى أو أشعة أدوات أكثر ضيقًا). يجب التحقق من تشكيل A572 عالي الدرجة.
- قابلية التشغيل: كلاهما قابل للتشغيل باستخدام أدوات قياسية؛ قد يكون A572 أكثر خشونة قليلاً على أدوات القطع اعتمادًا على ترسيبات الميكروسبائك.
- التثبيت: يجب أن يأخذ تصميم البراغي واللحام في الاعتبار القوة الأعلى عند استخدام A572 — على سبيل المثال، شد البراغي وحسابات التحمل.
8. التطبيقات النموذجية
| A36 — الاستخدامات النموذجية | A572 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أشكال هيكلية عامة (ألواح، قنوات، عوارض I) للمباني والجسور وإطارات الصناعة الخفيفة حيث تكفي القوة القياسية وتكون التكلفة أولوية. | أعضاء هيكلية حيث تقلل قوة العائد الأعلى من حجم المقطع أو الوزن — الجسور، الإطارات الفولاذية الثقيلة، قضبان الرافعات، إطارات الشاحنات، تطبيقات الألواح عالية القوة. |
| أعمال فولاذية ثانوية، دعامات، أعضاء غير حرجة، تصنيع عام. | تطبيقات تتطلب متانة محسنة أو حيث يؤدي تقليل السماكة إلى توفير المواد؛ بعض العناصر الهيكلية الزلزالية والعالية الحمل. |
| تجمعات ملحومة غير حرجة، ظروف تحميل خفيفة. | هياكل حيث يتطلب الكود أو التصميم أداء الدرجة 50 (أو أعلى)؛ مكونات تستفيد من المتانة الناتجة عن TMCP. |
مبررات الاختيار: - اختر A36 عندما تكون التكلفة وسهولة التصنيع/اللحام وتوافر السماكات الشائعة عوامل دافعة. - اختر A572 عندما تكون قوة العائد الأعلى، والمتانة المتحكم بها، وتوفير الوزن المحتمل هي الأولويات.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: عادةً ما يكون A36 أقل تكلفة حسب الوزن من A572 بسبب كيمياء أبسط وإنتاج أكثر انتشارًا. يتطلب A572 تكلفة إضافية للدرجات عالية القوة والتحكم الأكثر صرامة في المعالجة.
- التوافر: يتوفر A36 بشكل واسع في مجموعة متنوعة من الأشكال وسماكات الألواح. A572 (خصوصًا الدرجة 50) متوفر على نطاق واسع ولكن أقل انتشارًا من A36 في بعض أشكال المنتجات ذات الحجم المنخفض والسماكات. يمكن أن تختلف أوقات التسليم حسب المنطقة وشكل المنتج (لوح، ملف، حافة عريضة).
- نصيحة للمشتريات: حدد الدرجة الدقيقة، شكل المنتج، وأي متطلبات إضافية (درجة حرارة اختبار الصدمات، حالة السطح، الطلاء) لتجنب المفاجآت في التسعير وأوقات التسليم.
10. الملخص والتوصية
جدول: مقارنة سريعة
| السمة | A36 | A572 (مثل الدرجة 50) |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة، مباشرة | جيدة جدًا عند اتباع إجراءات اللحام المتحكم فيها |
| القوة–المتانة | قوة متوسطة؛ متانة كافية للعديد من الاستخدامات | قوة عائد أعلى وغالبًا ما تكون متانة أفضل لكل وزن بسبب معالجة HSLA |
| التكلفة | تكلفة أقل لكل طن | تكلفة أعلى لكل طن؛ قد توفر التكلفة من خلال تقليل حجم المقطع |
الاستنتاجات: - اختر A36 إذا: - كان التطبيق الهيكلي روتينيًا ولا يتطلب قوة عائد عالية. - كانت سهولة التصنيع، والتوافر الواسع، وأقل تكلفة للمواد هي الأولويات. - كانت بساطة اللحام والتشكيل مهمة ولا تحتاج إلى متانة خاصة.
- اختر A572 إذا:
- كانت قوة العائد الأعلى مطلوبة (مثل، توفر الدرجة 50 ميزة تصميم واضحة).
- كنت ترغب في توفير الوزن أو تقليل حجم المقطع مع الحفاظ على متانة جيدة.
- كان المشروع يمكنه استيعاب ضوابط لحام وتصنيع أكثر دقة ويتحمل تكلفة وحدة مواد أعلى للحصول على فوائد دورة الحياة أو الأداء.
ملاحظة نهائية: حدد دائمًا الدرجة الدقيقة من ASTM، شكل المنتج، السماكة، وأي متطلبات إضافية (درجات حرارة اختبار الصدمات، الطلاء، أو إجراءات اللحام) واطلب تقارير اختبار المصنع (MTRs) مع تسليم المواد. بالنسبة للتصاميم الحرجة، قم بإجراء تأهيل إجراءات اللحام واستشر أوراق بيانات الموردين للمصانع/الفولاذ لضمان توافق الكيمياء والخصائص الميكانيكية مع الاستخدام المقصود.