S355JR مقابل S355J2 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
S355JR و S355J2 هما درجتان مستخدمتان على نطاق واسع من عائلة الفولاذ الهيكلي EN 10025. كلاهما فولاذ هيكلي منخفض السبيكة وعالي القوة مخصص للبناء الملحوم، والتصنيع الثقيل، وتطبيقات الهندسة العامة. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بوزن التكلفة، وقابلية اللحام، وأداء درجات الحرارة المنخفضة، والمعالجة اللاحقة عند الاختيار بينهما.
الفرق العملي الرئيسي بين S355JR و S355J2 هو صلابة التأثير المضمونة عند درجات حرارة مختلفة: يتم اختبار JR عند درجة حرارة الغرفة، بينما يتم تحديد واختبار J2 لأداء أقوى عند درجات حرارة تحت الصفر. نظرًا لأن العديد من قرارات التصميم والتصنيع تعتمد على مرونة التأثير أثناء الخدمة، فإن متطلبات الصلابة هذه تؤثر على اختيار المواد، وعبء الاختبار، وأحيانًا التكلفة والتوافر.
1. المعايير والتسميات
- EN: EN 10025-2 (تم تحديد S355JR و S355J2 هنا كفولاذ هيكلي).
- ASTM/ASME: لا توجد تسمية ASTM مباشرة واحدة لواحدة، ولكن غالبًا ما يتم مقارنة مكافئات S355 مع ASTM A572 الدرجة 50 أو A36 حسب المعالجة والخصائص الميكانيكية.
- JIS / GB: المعايير المحلية في اليابان والصين تحتوي على فولاذ هيكلي مشابه وظيفيًا، ولكن التسمية والاختبار يختلفان؛ يتطلب الاستبدال المباشر التحقق من الخصائص.
- التصنيف: كلا من S355JR و S355J2 هما فولاذ كربوني غير مقاوم للصدأ، منخفض السبيكة/عالي القوة (غالبًا ما يتم التعامل معه كـ HSLA بفضل الميكروسبائك في بعض المتغيرات). هما ليسا فولاذ أدوات أو درجات مقاومة للصدأ.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
تحدد سلسلة EN 10025 محتويات العناصر القصوى بدلاً من تركيبة واحدة. يوضح الجدول أدناه القيم القصوى النموذجية والعناصر التي يتم التحكم فيها عادةً لـ S355JR و S355J2 وفقًا لممارسات EN. تعتمد التركيبة الدقيقة على ممارسات المصنع وأي ميكروسبائك إضافية مطلوبة.
| عنصر | التحكم النموذجي (S355JR) | التحكم النموذجي (S355J2) |
|---|---|---|
| C (الحد الأقصى) | ≤ 0.22 wt% | ≤ 0.22 wt% |
| Mn (الحد الأقصى) | ≤ 1.60 wt% | ≤ 1.60 wt% |
| Si (الحد الأقصى) | ≤ 0.55 wt% | ≤ 0.55 wt% |
| P (الحد الأقصى) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| S (الحد الأقصى) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| Cr | عادةً ≤ 0.30 wt% (إذا كانت موجودة) | عادةً ≤ 0.30 wt% |
| Ni | عادةً ≤ 0.30 wt% (إذا كانت موجودة) | عادةً ≤ 0.30 wt% |
| Mo | عادةً ≤ 0.10 wt% (إذا كانت موجودة) | عادةً ≤ 0.10 wt% |
| V, Nb, Ti | غالبًا ما تضاف بكميات صغيرة (≤ ~0.05 wt% لكل منها) للمعالجة الحرارية/الميكروسبائك | نفس الشيء، ربما يتم التحكم فيه بشكل أكبر لـ J2 عندما تكون الصلابة مطلوبة |
| B | إضافات ضئيلة ممكنة (ppm) | إضافات ضئيلة ممكنة |
| N | عادةً ≤ 0.012 wt% | عادةً ≤ 0.012 wt% |
| Al (إزالة الأكسدة) | 0.015–0.060 wt% (للسيطرة) | 0.015–0.060 wt% |
ملاحظات: - تحدد EN 10025 المتطلبات الميكانيكية ودرجات حرارة اختبار التأثير للدرجات الفرعية المختلفة؛ الحدود الكيميائية واسعة وتعتمد على الشركة المصنعة وفئات الجودة الإضافية. - يتم إنتاج العديد من منتجات S355 من خلال معالجة حرارية ميكانيكية مسيطر عليها (TMCP) وقد تتضمن عمدًا الميكروسبائك (V، Nb، Ti) لتحسين حجم الحبيبات وزيادة القوة دون زيادة الكربون بشكل مفرط.
كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - يتحكم الكربون والمنغنيز بشكل أساسي في القوة وقابلية التصلب؛ يزيد الكربون العالي من القوة ولكنه يقلل من قابلية اللحام والليونة. - السيليكون هو مزيل للأكسدة ويمكن أن يزيد القوة قليلاً. - العناصر الميكروسبائكية (V، Nb، Ti) تحسن حجم الحبيبات وتوفر هياكل دقيقة أقوى من الفريت-بيرلايت أو الباينيت عند مستويات كربون أقل. - يتم الحفاظ على محتويات الكبريت والفوسفور المنخفضة للحفاظ على الصلابة وقابلية اللحام.
3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية
الميكروهياكل النموذجية: - كلا من S355JR و S355J2، في التسليم المدلفن أو TMCP، يظهران مصفوفة من الفريت + بيرلايت مع جزر باينيت محتملة حسب معدل التبريد. تحسين حجم الحبيبات من TMCP والميكروسبائك يحسن من قوة العائد والصلابة دون زيادة كبيرة في الكربون. - عادةً ما يتم إنتاج متغير J2 مع تحكم أكثر صرامة في النظافة، والنيتروجين، ومحتوى الميكروسبائك بالإضافة إلى الدرفلة المسيطر عليها لتلبية متطلبات صلابة التأثير عند درجات الحرارة المنخفضة.
استجابة المعالجة الحرارية: - التطبيع: كلاهما يستجيب بشكل جيد للتطبيع (تحويل إلى أوستنيت ثم تبريد في الهواء) — هذا يحسن حجم الحبيبات ويوحد الميكروهيكل، مما يحسن الصلابة. عادةً ما يحقق S355 المعالج حراريًا صلابة أفضل من المادة المدلفنة. - التبريد والتخمير: بينما من الممكن تقنيًا، فإن التبريد والتخمير ليسا تسليمًا قياسيًا لدرجات EN S355؛ فإنه يحول الميكروهيكل بشكل كبير (مارتنسيت مخفف إلى صلابة أقل، صلابة أعلى) ولكنه يستخدم فقط عندما تتطلب الخصائص المحددة ما هو أبعد من درجة EN. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (TMCP): يتم تصنيع العديد من منتجات S355 بواسطة TMCP لتحقيق قوة عالية مع كربون منخفض وصلابة جيدة. تنتج TMCP ميكروهيكل دقيق الحبيبات يحسن توازن القوة والصلابة بشكل أكثر فعالية من مجرد زيادة الكربون. - تخفيف الإجهاد والمعالجة الحرارية بعد اللحام: بالنسبة للهياكل الملحومة، فإن الحد الأدنى من PWHT شائع لـ S355، ولكن الأقسام الثقيلة أو التطبيقات الحرجة قد تتطلب PWHT مسيطر عليه حسب تصميم الوصلات ومخاطر الهيدروجين.
4. الخصائص الميكانيكية
تحدد EN 10025 حدود الخصائص الميكانيكية لعائلة S355. يلخص الجدول التالي القيم النموذجية والمعيارية؛ تعتمد النتائج الفعلية على السماكة وطريقة الإنتاج.
| الخاصية | S355JR (نموذجي/محدد) | S355J2 (نموذجي/محدد) |
|---|---|---|
| قوة العائد (Rp0.2، الحد الأدنى) | 355 ميجا باسكال (لعديد من نطاقات السماكة) | 355 ميجا باسكال (نفس المتطلب الاسمي) |
| قوة الشد (Rm) | 470–630 ميجا باسكال (نطاق نموذجي حسب المواصفات) | 470–630 ميجا باسكال (مشابه) |
| التمدد (A، الحد الأدنى) | ~20% (تختلف حسب السماكة) | ~20% (تختلف حسب السماكة) |
| صلابة التأثير | 27 جول عند +20 °م (Charpy V) | 27 جول عند −20 °م (Charpy V) |
| الصلابة النموذجية (HBW) | 140–190 HBW (تعتمد على التصنيع) | 140–190 HBW (مشابه) |
التفسير: - القوة الثابتة (العائد والشد) تعادل بشكل فعال بين درجات JR و J2 عند المقارنة في نفس حالة التسليم؛ كلاهما يضمن حد أدنى من العائد يبلغ 355 ميجا باسكال. - الخاصية الميكانيكية المميزة هي صلابة التأثير: يتم ضمان S355J2 للحفاظ على سلوك ليّن حتى −20 °م، بينما يتم ضمان S355JR فقط عند +20 °م. هذا لا يجعل J2 أقوى من الناحية الثابتة، ولكنه أكثر مقاومة للكسر الهش عند درجات الحرارة المنخفضة. - تتداخل نطاقات التمدد والصلابة؛ لطريقة المعالجة (TMCP، التطبيع) تأثير أكبر على الصلابة والليونة من اللاحقة JR/J2 وحدها.
5. قابلية اللحام
تعتبر قابلية اللحام دافع اختيار متكرر للفولاذ الهيكلي. تم تصميم كل من S355JR و S355J2 للحام، ولكن هناك اعتبارات محددة.
العوامل الرئيسية: - تحدد محتويات الكربون والسبيكة المدمجة قابلية التصلب ومخاطر الكسر البارد. كلا الدرجتين لهما كربون منخفض نسبيًا (≤ ~0.22 wt%)، مما يدعم قابلية لحام جيدة. - تزيد الميكروسبائك والعناصر المتبقية (Cr، Mo، V، Nb) من قابلية التصلب وقد تتطلب تسخينًا مسبقًا أو معالجة حرارية بعد اللحام في الأقسام السميكة.
مؤشرات الفولاذ الملحوم المفيدة: - المعادل الكربوني (شكل IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - قابلية المارتنسيت Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - بالنسبة للتراكيب الاسمية المتماثلة، سيكون لدى S355JR و S355J2 قيم $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ متطابقة تقريبًا. ومع ذلك، غالبًا ما تمارس مصانع J2 تحكمًا أكثر صرامة في العمليات (فولاذ أنظف، إضافات ميكروسبائكية مسيطر عليها) لتلبية صلابة التأثير عند درجات الحرارة المنخفضة، مما يمكن أن يحسن بشكل غير مباشر قابلية اللحام عن طريق تقليل احتجاز الهيدروجين الناتج عن الشوائب. - بالنسبة للأقسام الثقيلة، قد تتطلب زيادة قابلية التصلب أو CE أعلى تسخينًا مسبقًا أو درجات حرارة بينية مسيطر عليها؛ يجب أن تشير مؤهلات إجراءات اللحام إلى شهادة المواد المحددة. - نادرًا ما يُطلب معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) للهياكل الملحومة العادية من S355 ولكن قد تكون مطلوبة للتجمعات الملحومة ذات القيود العالية، أو الأقسام السميكة، أو عندما تتطلب المواصفات ذلك.
6. التآكل وحماية السطح
- كل من S355JR و S355J2 هما فولاذ كربوني غير مقاوم للصدأ — مقاومة التآكل في البيئات الجوية أو العدوانية متواضعة.
- استراتيجيات الحماية القياسية: الغلفنة بالغمس الساخن، الطلاء الكهربائي بالزنك (للمكونات الصغيرة)، الطلاءات العضوية (البرايمرات، الإيبوكسيات)، التمعدن (طلاءات الزنك/الألمنيوم المرشوشة بالنار أو القوس)، أو مزيج (برايمر غني بالزنك + طبقة علوية).
- مؤشر PREN غير قابل للتطبيق لأن PREN يستخدم للفولاذ المقاوم للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- يعتمد اختيار الطلاء على البيئة (تصنيف C1–C5)، والعمر المتوقع، والجمالية، واستراتيجية الصيانة. الغلفنة شائعة للفولاذ الهيكلي المعرض للعوامل الجوية؛ لا يتغير استراتيجية التحكم في التآكل بين JR و J2 بشكل مادي.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- القطع: تتصرف تقنيات القطع بالبلازما، والأكسجين-الوقود، والليزر، وقطع المياه بشكل مشابه لكلا الدرجتين. يمكن أن تؤثر الصلابة والسماكة على إعدادات القطع.
- قابلية التشغيل: تعطي محتويات الكربون المنخفض والسبيكة المنخفضة قابلية تشغيل معقولة؛ قد تكون المتغيرات الميكروسبائكية أو عالية القوة TMCP أكثر صعوبة قليلاً في التشغيل ولكن الفروق بين JR و J2 ضئيلة.
- التشكيل والانحناء: تتحكم قابلية التشكيل في قوة العائد والليونة؛ نظرًا لأن كلاهما يشترك في قوة عائد وتمدد اسميتين متشابهتين، فإن سلوك التشكيل عمومًا قابل للمقارنة. يستفيد التشكيل البارد في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة جدًا من صلابة J2 المحسنة عند درجات الحرارة المنخفضة.
- ممارسة اللحام والتصنيع: استخدم إجراءات لحام مؤهلة واعتبر استراتيجيات تسخين مسبق/تخمير للقطع السميكة أو حيثما تكون السيطرة على الهيدروجين مطلوبة. قد يتطلب S355J2 اختبارات/شهادات تأثير إضافية للامتثال للمشروع.
8. التطبيقات النموذجية
| S355JR — الاستخدامات النموذجية | S355J2 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أعمال فولاذية هيكلية عامة: عوارض، أعمدة، هياكل للمباني في ظروف جوية عادية | أعضاء هيكلية في المناخات الباردة: هياكل علوية بحرية، هياكل مبردة، جسور في المناطق الباردة |
| تصنيع عام حيث تكون صلابة التأثير عند درجة حرارة الغرفة مقبولة | تصنيع ملحوم ثقيل يتطلب صلابة تأثير موثقة عند درجات الحرارة المنخفضة |
| إطارات الآلات، مكونات الهندسة العامة | هياكل ومعدات تحت ضغط تعمل في خدمة أكثر برودة (عند الطلب) |
| ألواح قياسية، أشكال مدلفنة على الساخن، وأقسام للأعمال المدنية | عناصر هيكلية معرضة للخدمة تحت الصفر أو زيادة خطر الكسر الهش |
مبررات الاختيار: - اختر S355JR للاستخدامات الهيكلية النموذجية عند درجات حرارة الغرفة حيث تكون تكلفة الشراء/الاختبار المنخفضة مرغوبة. - اختر S355J2 عندما يتطلب التصميم مقاومة موثقة للتأثير عند درجات حرارة منخفضة، أو عندما تتطلب مواصفات المشروع تصنيف صلابة عند −20 °م.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: يتم إنتاج كلا الدرجتين بشكل شائع وبالتالي تكون عمومًا متشابهة في السعر الأساسي. قد تجذب S355J2 علاوة صغيرة بسبب الاختبارات الإضافية والتحكم الأكثر صرامة اللازمة لتوثيق أداء التأثير عند درجات الحرارة المنخفضة.
- التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في الألواح، واللفائف المدلفنة على الساخن، والعوارض، والأقسام. تعتمد أوقات التسليم على الحجم، والسماكة، وما إذا كانت نسخة معالجة حرارية/TMCP أو ميكروسبائكية خاصة مطلوبة.
- يمكن أن تزيد المتطلبات الخاصة ذات المواعيد الطويلة (مثل التسليم المعالج حراريًا للوحة السميكة، أو التحكم الكيميائي الإضافي لقابلية اللحام) من التكلفة ووقت التسليم لأي من الدرجتين.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | S355JR | S355J2 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة جدًا (كربون منخفض)؛ تنطبق إجراءات اللحام القياسية | جيدة جدًا (كربون منخفض)؛ مشابهة ولكن مع إمكانية التحكم الأكثر صرامة في المصنع |
| توازن القوة والصلابة | قوة عالية؛ ضمان صلابة عند درجة حرارة الغرفة | قوة عالية؛ ضمان صلابة محسنة عند درجات الحرارة المنخفضة |
| التكلفة | قياسية، عبء اختبار أقل قليلاً | أعلى قليلاً (اختبارات تأثير إضافية وتحكم) |
الخلاصة والإرشادات: - اختر S355JR إذا كانت هيكلك يعمل عند أو فوق درجات حرارة الغرفة النموذجية، إذا لم يتطلب المشروع اختبارات تأثير موثقة عند درجات الحرارة المنخفضة، وإذا كانت تقليل تكلفة الشراء والاختبار أولوية. - اختر S355J2 إذا كان الهيكل سيعمل في بيئات باردة، إذا كانت المواصفات تتطلب صلابة التأثير عند درجات حرارة تحت الصفر (عادةً −20 °م)، أو إذا كان التصميم يحتوي على قيود عالية/خطر الكسر الهش في وصلات اللحام حيث تكون صلابة التأثير عند درجات الحرارة المنخفضة مطلوبة.
ملاحظة عملية نهائية: نظرًا لأن كلا الدرجتين تشتركان في نفس القوة الثابتة الاسمية، فإن الاختيار غالبًا ما يعتمد على متطلبات درجة حرارة اختبار التأثير والآثار المرتبطة بالتوريد/الاختبار. دائمًا اطلب شهادات المصنع وسجلات اختبار Charpy ذات الصلة بدفعة المواد، وقم بتأهيل إجراءات اللحام بناءً على الشكل الفعلي للمنتج والسماكة التي ستستخدمها.