ST37 مقابل ST52 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
ST37 و ST52 هما درجات فولاذ هيكلي أوروبية قديمة لا يزال المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع يواجهونها في المواصفات وشهادات المواد والرسومات القديمة. عادةً ما تدور معضلة الاختيار حول التوازن بين القوة والتكلفة، وبين قابلية اللحام/التشكيل وأداء التحمل. باختصار: يوفر ST52 قوة أعلى بشكل ملحوظ وسعة إجهاد تصميم، بينما يقدم ST37 سهولة أكبر في التصنيع وتكلفة مواد أقل.
غالبًا ما تتم مقارنة هاتين الدرجتين لأنهما تحتلان مواقع متجاورة في عائلات الفولاذ الهيكلي: واحدة هي فولاذ كربوني منخفض القوة وقابل للعمل بشكل كبير مناسب للبناء العام؛ والأخرى هي فولاذ هيكلي عالي القوة مخصص حيث تقلل خصائص العائد/الشد الأعلى من أحجام الأقسام أو الوزن الميت. فهم التركيب والميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية وآثار التصنيع أمر ضروري لتحديد الدرجة المناسبة لتطبيق معين.
1. المعايير والتسميات
- المعايير التاريخية/الإقليمية:
- DIN 17100: التسميات الأصلية ST37 و ST52 (معيار ألماني قديم).
- EN 10025: المعادلات الأوروبية الحديثة (مثل، سلسلة S235 ≈ ST37؛ سلسلة S355 ≈ ST52 في الممارسة الهندسية).
- ASTM/ASME: لا يوجد معادلة مباشرة واحدة لواحدة (ASTM A36، A572 الدرجة 50 هي معادلات وظيفية تقريبية).
- JIS/GB: أنظمة مختلفة؛ المعادلات المحلية تختلف وتتطلب مرجعية متبادلة.
- تصنيف حسب النوع:
- ST37: فولاذ هيكلي كربوني عادي/منخفض السبيكة (غير مقاوم للصدأ، غير أدوات).
- ST52: فولاذ هيكلي كربوني/منخفض السبيكة عالي القوة (غالبًا ما يكون معالجًا حراريًا أو مضافًا إليه كميات صغيرة لزيادة العائد).
- كلاهما ليسا فولاذين مقاومين للصدأ أو أدوات؛ عادةً ما يُعتبران فولاذين كربونيين/مضافين كميات صغيرة من السبيكة (سلوك مشابه لـ HSLA في المعادلات الحديثة).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
فيما يلي نوافذ التركيب النموذجية المستخدمة للإرشاد الهندسي العام. تعتمد الحدود الدقيقة على الدرجة الفرعية المحددة والمورد والمعيار المعمول به؛ اعتبر الأرقام كنطاقات تمثيلية لنسب الكتلة للمتغيرات التجارية الشائعة.
| عنصر | ST37 النموذجي (تمثيلي) | ST52 النموذجي (تمثيلي) |
|---|---|---|
| C | ≤ ~0.17–0.20 % | ≤ ~0.20–0.24 % |
| Mn | ≤ ~1.40 % | ≤ ~1.40–1.60 % |
| Si | ≤ ~0.40 % | ≤ ~0.20–0.50 % |
| P | ≤ 0.035 % (أقصى) | ≤ 0.035 % (أقصى) |
| S | ≤ 0.035 % (أقصى) | ≤ 0.035 % (أقصى) |
| Cr | ≤ 0.30 % | أثر إلى ≤ 0.30 % |
| Ni | أثر | أثر |
| Mo | أثر | أثر |
| V | عادةً لا شيء | إمكانية إضافة كميات صغيرة (≤ 0.10 %) |
| Nb | عادةً لا شيء | إمكانية إضافة كميات صغيرة (≤ 0.05 %) |
| Ti | عادةً لا شيء | إمكانية أثر |
| B | أثر إذا كان موجودًا | أثر إذا كان موجودًا |
| N | أثر | أثر |
استراتيجية السبيكة وآثارها: - ST37: التركيب يركز على كربون منخفض جدًا وإضافة سبيكة قليلة - يهدف إلى قابلية لحام جيدة، ومرونة، ومعالجة بسيطة على الساخن. - ST52: كربون أعلى قليلاً وإضافات محكومة (أو إضافة كميات صغيرة مع V/Nb/Ti) وتحكم أكثر دقة في Mn/Si ينتج عنهما قوة عائد وخصائص شد أعلى من خلال تعزيز هياكل الميكروهيكل الفيريت-بيرلايت الدقيقة وتقوية الترسيب؛ هذه التغييرات تزيد من قابلية التصلب والقوة على حساب تقليل قابلية التشكيل/اللحام مقارنةً بـ ST37.
3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية
- الميكروهياكل النموذجية (كما هو مدلفن على الساخن):
- ST37: فيريتي خشن إلى ناعم وبيرلايت حسب معدل التبريد؛ مصفوفة فيريتيك بشكل كبير مع محتوى بيرلايت منخفض. الميكروهيكل متسامح مع التصنيع القياسي واللحام.
- ST52: مزيج من فيريتيك-بيرلايت أو فيريتيك-باينيت بحبيبات أدق، خاصة عند إضافة كميات صغيرة أو إنتاجه بعمليات تحكم حرارية ميكانيكية (TMCP). يساعد ترسيب كربيدات/نيوبوم/تيتانيوم الدقيقة جدًا في المتغيرات المضافة كميات صغيرة على زيادة قوة العائد.
- استجابة المعالجة الحرارية:
- تطبيع/تنقية حجم الحبيبات: تستفيد كلا الدرجتين من التطبيع في المكونات الحرجة لتنقية حجم الحبيبات وتحسين المتانة؛ عادةً ما يظهر ST52 مكاسب قوة أكبر من التبريد المحكوم (TMCP) والتطبيع.
- التبريد والتخمير: ليست ممارسة قياسية لهذه الدرجات في الاستخدامات الهيكلية؛ من الممكن تحويل أي منهما إلى حالات مبردة ومخمرة ولكن ذلك سيغير التسمية والخصائص - النهج الحديث للحصول على قوة أعلى للفولاذ الهيكلي هو TMCP وإضافة كميات صغيرة بدلاً من دورات التصلب والتخمير.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية: غالبًا ما يتم إنتاج الفولاذ المعادل لـ ST52 بواسطة TMCP للحصول على قوة أعلى مع متانة مقبولة؛ عادةً ما يتلقى ST37 تمريرات دلفنة على الساخن أبسط مع تقوية أقل من التشوه المحكوم.
4. الخصائص الميكانيكية
نطاقات الخصائص الميكانيكية التمثيلية للإرشاد في التصميم (تختلف القيم الفعلية للشهادات حسب السماكة والمعالجة الحرارية والدرجة الفرعية).
| الخاصية | ST37 (تمثيلي) | ST52 (تمثيلي) |
|---|---|---|
| الحد الأدنى لقوة العائد (Rp0.2) | ~235 ميجا باسكال | ~355 ميجا باسكال |
| قوة الشد (Rm) | ~360–510 ميجا باسكال | ~510–680 ميجا باسكال |
| التمدد (A، % على 50 مم) | ≥ ~22–26 % | ≥ ~16–22 % |
| صلابة التأثير (اختبار نموذجي) | 20–27 جول عند +20 °م (تختلف) | 27 جول عند −20 °م (متغيرات J2) ممكنة |
| الصلابة (HB) | ~120–160 HB | ~150–220 HB (أعلى بسبب القوة) |
التفسير: - ST52 هو بوضوح الدرجة الأقوى (أعلى عائد وشد). تأتي تلك المكاسب في القوة من التحكم في التركيب والمعالجة (TMCP، إضافة كميات صغيرة). - ST37 عمومًا أكثر مرونة وأسهل في التشوه البلاستيكي؛ غالبًا ما يظهر متانة مقارنة أو كافية لتطبيقات هيكلية في درجات حرارة محيطية. - تعتمد المتانة بشكل كبير على الدرجة الفرعية (مثل، متغيرات J0، J2)، السماكة، والمعالجة الحرارية؛ تتوفر العديد من الفولاذ المعادل لـ ST52 مع خصائص تأثير محسنة عند درجات حرارة تحت الصفر.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام على محتوى الكربون، معادلات الكربون، ووجود عناصر إضافة كميات صغيرة التي تزيد من قابلية التصلب. مؤشرات مفيدة:
-
معادلة الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (Ito-Bessyo): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - عادةً ما يكون لـ ST37 $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ أقل من ST52 بسبب كربون أقل وعدد أقل من عناصر السبيكة التي تزيد من قابلية التصلب؛ لذلك من الأسهل لحامه مع تسخين مسبق أقل وأقل خطر من التشقق البارد. - تزيد إضافة كميات صغيرة لـ ST52 أو كربون وMn أعلى قليلاً من قابلية التصلب؛ هذا يزيد من خطر هياكل المارتنسيت الصلبة في منطقة التأثير الحراري (HAZ) تحت التبريد السريع، مما يتطلب تسخين مسبق محكوم، ودرجة حرارة بين المرور، وربما معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) في الأقسام الأكثر سمكًا. - بالنسبة للهياكل الملحومة الحرجة، قم بإجراء تقييم قابلية اللحام بناءً على التركيب المقاس والسماكة باستخدام عتبات $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$، وضمن مواصفات إجراءات اللحام المناسبة (PQR/WPS).
6. التآكل وحماية السطح
- كلا من ST37 و ST52 هما فولاذ كربوني غير مقاوم للصدأ وهما عرضة للتآكل العام والجوّي.
- استراتيجيات الحماية النموذجية:
- التغليف بالغمس الساخن للمكونات المعرضة للعوامل الجوية/التخزين.
- طلاءات عضوية (برايمرات الإيبوكسي، طبقات علوية من البولي يوريثين) لتحسين الجمالية ومقاومة التآكل.
- التعدين (الرش الحراري) أو الأنودات التضحية في البيئات العدوانية.
- PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على الفولاذ الكربوني غير المقاوم للصدأ. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ المزدوج، يمكن استخدام: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لكن هذه المعادلة لا تنطبق على مواد ST37/ST52.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل:
- ST37: قابلية تشكيل أفضل على البارد وأداء انحناء بسبب قوة العائد المنخفضة والتمدد العالي؛ أسهل في الدلفنة، والضغط، والتشكيل بالتمدد.
- ST52: قابلية تشكيل أقل؛ ارتداد الربيع أعلى ونصف قطر الانحناء الأدنى أكبر لنفس السماكة.
- قابلية التشغيل:
- غالبًا ما تكون الفولاذات المضافة كميات صغيرة عالية القوة (ST52) أقل سهولة في التشغيل قليلاً من الفولاذات منخفضة القوة؛ قد تزداد تآكل الأدوات بسبب القوة الشدية الأعلى والمراحل الصلبة.
- تستجيب كلا الدرجتين بشكل جيد للسوائل والأدوات القياسية؛ يجب أن تأخذ اختيار سرعات القطع والتغذية في الاعتبار فرق القوة.
- الانضمام والتشطيب:
- ST37: عمليات الخيوط، واللكم البارد، والتشكيل بسيطة.
- ST52: قد تتطلب أدوات وقدرات ضغط أكثر قوة؛ قد تحتاج عمليات صنع الثقوب والخيوط إلى أدوات أكثر صلابة وتغذية أبطأ.
8. التطبيقات النموذجية
| ST37 (الاستخدامات النموذجية) | ST52 (الاستخدامات النموذجية) |
|---|---|
| أعضاء هيكلية عامة: عوارض، أعمدة، دعامات للأحمال غير الحرجة | أعضاء هيكلية عالية القوة: قضبان الرافعات، عوارض ثقيلة حيث يكون تقليل القسم أمرًا حاسمًا |
| هياكل ثانوية، إطارات، مكونات هيكلية غير حرجة | إطارات ضغط ملحومة، إطارات آلات ثقيلة، مكونات رفع |
| أنابيب لخدمات الضغط المنخفض، أجزاء مصنعة عامة | تطبيقات تتطلب قدرة تحميل أعلى مع تقليل سمك القسم (مثل، هياكل الشاحنات، مكونات الجسور) |
| التصنيع حيث تكون التكلفة وسهولة اللحام/التشكيل هي الأولوية | تطبيقات حيث يتطلب تقليل الوزن، عوامل أمان أعلى، أو مقطع عرضي أصغر |
مبررات الاختيار: - اختر ST37 عندما تكون سهولة التصنيع والتكلفة والمتانة الكافية في درجات حرارة المحيط هي الأولوية. اختر ST52 عندما يتطلب التصميم قوة عائد أعلى لتقليل أحجام الأقسام أو تلبية معايير تحميل/صلابة أعلى.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: عادةً ما يكون ST37 أقل تكلفة لكل طن من ST52 بسبب الكيمياء الأبسط وطرق الإنتاج الأوسع. ST52 يتطلب سعرًا أعلى لمعالجة القوة العالية وإمكانية إضافة كميات صغيرة.
- التوافر: كلا الدرجتين أو معادلاتهما الحديثة EN (عائلات S235 / S355) متاحة على نطاق واسع في الألواح، واللفائف، والأشكال الهيكلية، والصفائح؛ يعتمد التوافر حسب السماكة والدرجة الفرعية (متغيرات اختبار التأثير) على عروض المصنع وسلاسل الإمداد الإقليمية.
- نصيحة الشراء: حدد معايير قبول كيميائية وميكانيكية ودرجة الحرارة المطلوبة للمتانة في أوامر الشراء لتجنب الغموض بين أسماء ST القديمة والتسميات الحالية EN.
10. الملخص والتوصية
| المقياس | ST37 | ST52 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة (CE أقل) | جيدة إلى معتدلة (تتطلب ضوابط) |
| توازن القوة–المتانة | قوة أقل، مرونة/متانة عالية | قوة أعلى، متانة جيدة إذا تم تحديدها ومعالجتها |
| التكلفة | أقل | أعلى |
الاستنتاج والتوصيات المباشرة: - اختر ST37 إذا كنت تعطي الأولوية لسهولة التصنيع، والتكلفة المنخفضة، وقابلية اللحام/التشكيل الجيدة للتطبيقات الهيكلية العامة وغير الحرجة حيث تكون قوة العائد المنخفضة مقبولة. - اختر ST52 إذا كنت بحاجة إلى قوة عائد وشد أعلى لتقليل حجم القسم أو الوزن، أو لتلبية متطلبات تحميل أو إجهاد أعلى - مع قبول تكلفة المواد الأعلى والحاجة إلى إجراءات لحام وتشكيل أكثر تحكمًا.
خطوات عملية لتحديد المواصفات: - دائمًا قم بالتحقق من تسميات ST القديمة مقابل المعايير الحالية (مثل، S235 / S355) واطلب شهادات اختبار المصنع التي تظهر الكيمياء والخصائص الميكانيكية. - بالنسبة للمكونات الملحومة، السميكة، أو ذات الخدمة الباردة، احسب مؤشرات معادلة الكربون وحدد تسخين اللحام المسبق/PWHT ومتطلبات التأثير حسب الاقتضاء. - عند الشك، قم بإجراء تحليل بسيط للتجارة (تقليل الكتلة مقابل تكلفة التصنيع مقابل تكلفة المواد) وقم بإجراء تأهيل إجراء اللحام حيثما يتطلب ذلك من قبل الكود أو العقد.