A36 vs A572 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

ASTM A36 und ASTM A572 sind zwei der am häufigsten spezifizierten Baustähle im Bauwesen, in der Fertigung und im Maschinenbau. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen typischerweise Kosten, erforderliche Festigkeit, Schweißbarkeit und Fertigungsverhalten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen — zum Beispiel, ob sie niedrigere Materialkosten und breite Verfügbarkeit oder höhere Streckgrenze und verbessertes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht priorisieren.

Der grundlegende Unterschied besteht darin, dass A36 ein konventioneller niedriglegierter Baustahl ist, während A572 (häufig als Klasse 50 in vielen Projekten spezifiziert) eine hochfeste, niedriglegierte (HSLA) Baustahlfamilie ist, die durch kontrollierte Chemie und Mikrolegierung eine höhere Streckgrenze erreicht. Dieser Unterschied führt zu Kompromissen in Bezug auf Festigkeit, Zähigkeit, Schweißbarkeit und Fertigung.

1. Normen und Bezeichnungen

• ASTM/ASME:
• ASTM A36/A36M — Kohlenstoff-Baustahl.
• ASTM A572/A572M — Hochfester, niedriglegierter Baustahl (Klassen 42, 50, 55, 60 sind üblich; Klasse 50 wird am häufigsten mit A36 verglichen).
• EN: Entsprechende Konzepte existieren unter EN 10025 (z.B. S235 ≈ A36, S355 ≈ A572 Klasse 50), aber direkte Entsprechungen erfordern dicke- und eigenschaftsspezifische Überprüfungen.
• JIS/GB: Japanische und chinesische Standards haben analoge Baustähle, aber chemische und mechanische Anforderungen unterscheiden sich und müssen abgeglichen werden.
• Klassifizierung:
• A36 — Kohlenstoff-Baustahl.
• A572 — HSLA-Baustahl (niedriglegiert mit Mikrolegierungselementen in höheren Klassen).

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle listet typische Zusammensetzungsbereiche für die relevantesten Elemente auf. Die Werte werden als typische Grenzen oder häufig vorkommende Bereiche für Platten und Baustahlprofile dargestellt; tatsächliche Werkszertifikate und die spezifische A572-Klasse müssen für den Einkauf überprüft werden.

Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt - Kohlenstoff und Mangan: erhöhen die Festigkeit, können aber die Härtbarkeit erhöhen und bei höheren Gehalten die Schweißbarkeit und Zähigkeit verringern. A572 kontrolliert typischerweise Kohlenstoff und erhöht Mn und vorteilhafte Mikrolegierung, um die Streckgrenze ohne große Kohlenstofferhöhungen zu steigern. - Mikrolegierung (V, Nb, Ti): kleine Zusätze fördern die Ausscheidungsstärkung, feineres Korn und verbesserte Zähigkeit, ohne auf höheren Kohlenstoff zurückgreifen zu müssen — was eine höhere Streckgrenze bei guter Duktilität und Schweißbarkeit ermöglicht. - Elemente wie Cr, Mo und Ni sind im Allgemeinen begrenzt; A572 erreicht Festigkeit hauptsächlich durch HSLA-Mechanismen und nicht durch starke Legierung.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen - A36: Im gewalzten oder normalisierten Zustand zeigt A36 typischerweise eine Ferrit-Perlit-Mikrostruktur mit relativ groben Körnern im Vergleich zu HSLA-Stählen. Die Festigkeit ergibt sich hauptsächlich aus dem Kohlenstoffgehalt und der Kaltverfestigung. - A572 (z.B. Klasse 50): Um die Festigkeit und Zähigkeit zu optimieren, zeigt A572 oft eine feinere Ferrit-Perlit- oder Ferritstruktur mit dispergierten feinen Ausscheidungen von Mikrolegierungselementen. Die thermomechanische Kontrolle während des Walzens und die kontrollierte Abkühlung verfeinern die Korngröße und dispergieren Karbide/Nitrate/Karbonitride zur Ausscheidungshärtung.

Wärmebehandlung und thermische Reaktion - A36: Wird in der Regel nicht wärmebehandelt; Normalisierung oder Spannungsabbau können zur Verbesserung der Zähigkeit oder zur Reduzierung von Restspannungen eingesetzt werden. A36 hat eine begrenzte Reaktion auf Abschrecken und Anlassen aufgrund seines nominalen Kohlenstoffgehalts und der beabsichtigten Verwendung. - A572: Wird ebenfalls typischerweise als gewalzte Platte im gewalzten oder thermomechanisch bearbeiteten Zustand geliefert. Höhere Klassen können durch kontrolliertes Walzen und beschleunigte Abkühlung hergestellt werden, um die erforderliche Streckgrenze bei akzeptabler Zähigkeit zu erreichen. Abschrecken und Anlassen sind nicht der normale kommerzielle Weg für A572-Baustahlprodukte, können jedoch für spezielle Anwendungen verwendet werden.

Wirkung der Normalisierung / TMCP / Q&T - Normalisierung kann die Korngröße verfeinern und die Zähigkeit für beide Stähle verbessern, aber A572 profitiert mehr von thermomechanisch kontrollierter Verarbeitung (TMCP) und Mikrolegierungs-Ausscheidungen für höhere Festigkeit ohne große Kohlenstoffnachteile. - Abschrecken & Anlassen erhöht prinzipiell die Festigkeit, ist jedoch nicht Standard für diese Klassen und verändert die Erwartungen an Schweißbarkeit und Restspannungen.

4. Mechanische Eigenschaften

Die folgende Tabelle fasst typische Anforderungen an mechanische Eigenschaften zusammen, die für Design und Einkauf verwendet werden. Tatsächliche Werte hängen von der Klasse, der Dicke und der Einkaufsspezifikation ab.

Interpretation - A572 Klasse 50 bietet eine erheblich höhere Streckgrenze als A36; die Zugfestigkeiten überschneiden sich etwas, aber A572 ist im Durchschnitt höher. - Duktilität und Dehnung sind im Allgemeinen ähnlich, wenn Dicke und Verarbeitung kontrolliert werden, aber A572 kann aufgrund der feineren Korngröße und der Ausscheidungsstärkemechanismen überlegene Zähigkeit aufweisen. - Der Nettoeffekt ist, dass A572 ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bietet, was leichtere Querschnitte für die gleiche Last ermöglicht.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt, der Härtbarkeit (Mn, Legierung) und der Mikrostruktur ab. Zwei gängige Indizes zur Bewertung der Schweißbarkeit sind das IIW-Kohlenstoffäquivalent und das internationale Pcm.

Darstellung der standardmäßigen Schweißbarkeitsindizes: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation (keine numerische Substitution) - A36: Mäßiger Kohlenstoff- und Mangangehalt bieten im Allgemeinen eine gute Schweißbarkeit mit gängigen Schweißverfahren und -materialien. Vorwärmen und Kontrolle der Zwischentemperatur sind normalerweise ausreichend für schwere Querschnitte oder niedrige Temperaturen. - A572 (HSLA): Da die Legierung und das kontrollierte Mn höher sein können und Mikrolegierungselemente vorhanden sind, erhöht sich die Härtbarkeit leicht. Moderne A572-Klassen sind jedoch für gute Schweißbarkeit ausgelegt: Kohlenstoff wird kontrolliert, und die Mikrolegierungsniveaus sind so niedrig, dass die meisten strukturellen Schweißverfahren geeignet sind. Für dickere Querschnitte, kältere Klimazonen oder hochfeste A572-Klassen (z.B. 55, 60) sollten Vorwärmen, kontrollierte Wärmezufuhr und geeignete Füllmetalle spezifiziert werden. - Praktische Hinweise: Bewerten Sie $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ für das spezifische Werkszertifikat, um die Anforderungen an Vorwärmen und Nachbehandlung zu entscheiden. Für kritische Schweißnähte oder dicke Querschnitte sollten Verfahrensqualifikationen (PQR) durchgeführt und die Schlagprüfungen in Betracht gezogen werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder A36 noch A572 sind rostfrei: beide sind einfache Kohlenstoff-/HSLA-Stähle und benötigen Korrosionsschutz für exponierte Umgebungen.
• Übliche Schutzmethoden: Feuerverzinkung, Werkstatt- oder Feldlackierung, Epoxidbeschichtungen, Metallisierung (Zink/Al), oder witterungsbeständige Stahlalternativen, wenn angemessen.
• Verwendung von rostfreien Indizes: PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist nicht anwendbar auf A36 oder A572, da sie keine rostfreien Stähle sind. Zum Vergleich verwendet die rostfreie Bewertung: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Praktische Hinweise: Die Legierung von A572 bietet keinen signifikanten Korrosionsschutz; die Auswahl für korrosive Umgebungen sollte auf der Beschichtungs- und Wartungsstrategie basieren und nicht auf geringfügigem Legierungsgehalt.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit und Biegen: A36 wird häufig zum Biegen, Formen und Umformen verwendet; seine duktilere gewalzte Mikrostruktur zeigt vorhersehbares Verhalten. A572 (Klasse 50) kann geformt und gebogen werden, erfordert jedoch eine genauere Kontrolle der Biegeradien und kann aufgrund der höheren Streckgrenze einen höheren Rückfederungsbedarf haben.
• Schneiden und Bearbeiten: Beide lassen sich leicht mit gängigen Methoden (Scheren, Brennschneiden, Plasma, Laser) schneiden, aber A572 kann etwas härter für Werkzeuge sein; die Raten hängen von der Dicke und der Wärmezufuhr ab.
• Schweißen und Nachbearbeitung: A572 erfordert oft eine sorgfältige Kontrolle der Wärmezufuhr während des Kaltbiegens oder der lokalen Erwärmung, um lokale Härtung zu vermeiden; jedoch verarbeitet es sich mit den richtigen Verfahren wie A36 für die meisten strukturellen Anwendungen.
• Lochen, Bohren: Die erhöhte Festigkeit in A572 kann mehr Kraft oder spezialisiertes Werkzeug für die Lochbearbeitung erfordern; der Werkzeugverschleiß kann höher sein als bei A36.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung - Wählen Sie A36, wenn Kosten, einfache Verarbeitung und breite Verfügbarkeit die Notwendigkeit einer hohen Streckgrenze überwiegen. - Wählen Sie A572 Klasse 50 (oder höher), wenn strukturelle Optimierung, reduzierte Bauteilgröße oder spezifizierte höhere Streckgrenze und Zähigkeit erforderlich sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relative Kosten: A36 ist typischerweise pro Tonne günstiger als A572 Klasse 50 aufgrund der einfacheren Chemie und breiteren Produktionsvolumina. A572 ist pro Gewichtseinheit teurer, kann jedoch aufgrund des reduzierten Materialgewichts niedrigere Gesamtkosten für die Struktur liefern.
• Verfügbarkeit: A36 ist universell in einer breiten Palette von Formen, Platten und Dicken verfügbar. A572 Klasse 50 ist weit verbreitet, aber die Verfügbarkeit spezifischer Dicken, Plattengrößen und Werkszertifikate kann je nach Region und Produktform variieren.
• Produktformen: Beide Klassen sind in Platten, warmgewalzten Baustahlprofilen und nach Maß gefertigten Formen üblich. Die Lieferzeiten für A572 können länger sein für spezielle Dicken oder enge Toleranzen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ)

Fazit und praktische Auswahlhilfe - Wählen Sie A36, wenn: - Das Projekt die niedrigsten Materialkosten und eine unkomplizierte Verarbeitung priorisiert. - Die strukturellen