EH40 vs FH40 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

EH40 und FH40 sind zwei hochfeste Baustähle, die am häufigsten in der maritimen, Offshore- und Schwerblechindustrie vorkommen. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Auswahlproblem zwischen den beiden: Welche Sorte bietet die erforderliche Zähigkeit durch die Dicke und Schweißbarkeit für sehr dicke Platten, und welche bietet das beste Verhältnis von Festigkeit zu Kosten für Standardplattendicken und geschweißte Strukturen? Typische Entscheidungskontexte umfassen Rumpf- und Deckplattierungen für Schiffe und Offshore-Plattformen, schwere Konstruktionen, bei denen die Rissverhinderungszähigkeit entscheidend ist, und große geschweißte Strukturen, bei denen thermische Zyklen und Nachschweißeigenschaften die Leistung bestimmen.

Der wesentliche praktische Unterschied zwischen den beiden besteht in ihrer Optimierung für Plattendicke und Durchdickenleistung: Eine Sorte wird typischerweise für konventionelle Schwerblechanwendungen spezifiziert, bei denen die Standardthermomechanische Bearbeitung die erforderliche Festigkeit und Zähigkeit liefert, während die andere für extreme Plattendicken und verbesserte Durchdicken-Eigenschaften mit unterschiedlichen Legierungs- und Bearbeitungsstrategien optimiert ist. Aus diesem Grund vergleichen Designer häufig EH40 und FH40, wenn sie sehr dicke Platten spezifizieren oder wenn sie eine außergewöhnlich gleichmäßige Zähigkeit durch die Plattendicke verlangen.

1. Normen und Bezeichnungen

Sowohl EH40 als auch FH40 werden am besten als hochfeste, niedriglegierte (HSLA) Baustähle beschrieben, die im Schiffbau und in der Offshore-Bauindustrie verwendet werden. Sie sind keine einzelnen internationalen Prüfmethoden wie eine ASTM-Nummer, sondern erscheinen als Sortenfamilien, die von Klassifikationsgesellschaften und nationalen Normen angenommen oder referenziert werden. Typische Normen und Klassifikationen, die zu berücksichtigen sind:

• Nationale und regionale Normen: GB (China), JIS (Japan), EN (Europa), ISO.
• Klassifikationsgesellschaften: ABS, DNV-GL, Lloyd’s Register — diese Gesellschaften umfassen Rumpf- und Baustahlbezeichnungen, die mit EH/FH-Familien korrelieren.
• Generische Materialnormen: ASTM/ASME geben Anforderungen an mechanische Eigenschaften und Prüfverfahren vor, die in Verbindung mit einer Klassifikationsbezeichnung verwendet werden können.

Materialtypidentifikation: - EH40: HSLA-Baustahl (niedriglegierter Kohlenstoffstahl mit Mikrolegierung und thermomechanischer Kontrolle). - FH40: HSLA-Baustahl, typischerweise optimiert für sehr dicke Plattenanwendungen mit verbesserter Durchdicken-Zähigkeit und spezifischen Legierungs-/Bearbeitungsmodifikationen.

Hinweis: Die genauen chemischen und mechanischen Anforderungen variieren zwischen den Normen und den Werkszertifikaten; immer auf die Vertragspezifikation oder die Notation der Klassifikationsgesellschaft für den Einkauf verweisen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt repräsentative Zusammensetzungsbereiche, die typischerweise für EH40- und FH40-Stil-HSLA-Stähle vorkommen. Dies sind repräsentative Bereiche, die von Werken verwendet werden und in Klassifikationsdokumenten zu finden sind; die tatsächliche zertifizierte Chemie muss dem Werkszertifikat für eine gelieferte Charge entnommen werden.

Element	EH40 (typischer Bereich, Gew.% )	FH40 (typischer Bereich, Gew.% )
C	0.08 – 0.16	0.06 – 0.14
Mn	0.6 – 1.5	0.6 – 1.8
Si	0.02 – 0.50	0.02 – 0.50
P (max)	≤ 0.03 – 0.04	≤ 0.03 – 0.04
S (max)	≤ 0.010 – 0.025	≤ 0.010 – 0.025
Cr	trace – 0.4	trace – 0.6
Ni	trace – 0.6	trace – 0.8
Mo	trace – 0.05	trace – 0.08
V	0.00 – 0.08	0.00 – 0.10
Nb (Nb/Ta)	≤ 0.05	≤ 0.06
Ti	trace	trace
B	trace (ppm)	trace (ppm)
N	control-levels (ppm)	control-levels (ppm)

Erklärende Hinweise: - Diese Sorten sind HSLA-Stähle, bei denen die Festigkeit aus einer Kombination von Kohlenstoff, Mangan und Mikrolegierungselementen (V, Nb, Ti) sowie der Bearbeitung (thermomechanische Kontrolle) resultiert. - Die FH40-Chemie kann leicht niedrigere Kohlenstoff- und etwas höhere Mikrolegierungszusätze aufweisen, um die Ausscheidung feiner Karbide/Nitride zu fördern und eine bessere Durchdicken-Zähigkeit in sehr dicken Querschnitten zu erreichen. - Die Legierung erhöht die Härtbarkeit und Festigkeit (Mn, Cr, Mo), erhöht jedoch auch das Risiko von Kaltverzügen in Schweißnähten; Mikrolegierung (Nb, V, Ti) ermöglicht hohe Festigkeit mit niedrigerem Kohlenstoff durch Ausscheidungsstärkung und Kornverfeinerung.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen für EH40- und FH40-Sorten hängen stark von der Bearbeitung ab:

• EH40 (Standard-Schwerplatte, TMCP oder normalisiert):
• Typische Mikrostruktur: feinkörnige Ferrit-Perlit oder Ferrit mit dispergierter Bainit, abhängig von der Abkühlrate und der Legierung.
• Thermomechanisch kontrollierte Bearbeitung (TMCP) erzeugt eine verfeinerte Ferritmatrix mit kontrollierten Mengen an niedriger Bainit oder degeneriertem Perlit für erhöhte Streckgrenze und gute Zähigkeit.

• Normalisieren kann verwendet werden, um die Struktur in dickeren Platten zu homogenisieren; Abschrecken und Anlassen sind für große Strukturplatten aufgrund von Verformungen und Kosten nicht typisch.

• FH40 (für sehr dicke Platten optimiert):

• Betonung der Durchdicken-Eigenschaften: engere Kontrolle der Abkühlung und Mikrolegierungsniederschläge, oft mit niedrigerem Kohlenstoff und mehr Mikrolegierung, um die Zähigkeit durch die Mittellinie sehr dicker Platten aufrechtzuerhalten.
• Die Mikrostruktur ist so gestaltet, dass Bänderung reduziert und akzessorischer Ferrit oder feiner polygonaler Ferrit mit verteilten Karbiden und Nitriden gefördert wird.
• Thermomechanische Walzpläne, beschleunigte Abkühlung und kontrolliertes Nachwärmen werden verwendet, um eine gleichmäßige Kornverfeinerung durch die Dicke zu erreichen.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - Normalisieren verbessert die Gleichmäßigkeit und Zähigkeit, kann jedoch für extreme Dicken unpraktisch sein. - Kontrolliertes Walzen und beschleunigte Abkühlung sind der industrielle Weg, um die notwendige Kombination aus Festigkeit und Duktilität ohne vollständiges Abschrecken und Anlassen zu erreichen. - FH40 kann strengere Prozesskontrollen und zusätzliche zerstörungsfreie Prüfungen für sehr dicke Platten erfordern, um die Durchdicken-Zähigkeit sicherzustellen.

4. Mechanische Eigenschaften

Nachfolgend sind repräsentative Bereiche mechanischer Eigenschaften aufgeführt, die häufig für EH40- und FH40-Stil-HSLA-Platten spezifiziert werden. Die Werte variieren mit Dicke, Bearbeitung und Spezifikationsgrenzen — konsultieren Sie die Vertragsanforderungen.

Eigenschaft	EH40 (typisch)	FH40 (typisch)
Zugfestigkeit (MPa)	490 – 650	480 – 640
Streckgrenze (MPa)	355 – 485	320 – 460
Dehnung (% bei 50 mm oder wie spezifiziert)	18 – 26	18 – 26
Charpy-Schlag (J)	Spezifiziert bei niedrigen Temperaturen; typisch 27 J bei −20 °C bis −40 °C	Strengere Anforderungen an die Durchdicke; 27 J bei niedrigeren Temperaturen und/oder höheren Dickenprüfungen
Härte (HB)	160 – 250	150 – 240

Interpretation: - EH40 und FH40 überschneiden sich in den nominalen Festigkeitsbereichen; EH40 wird oft für leicht höhere Streckziele in Standarddicken spezifiziert. - FH40 wird häufig so konfiguriert, dass die Durchdicken-Zähigkeit betont wird, anstatt marginal höhere Streckgrenze zu haben — dies kann zu leicht niedrigerer nominaler Streckgrenze, aber überlegener Rissverhinderungs- und Bruchzähigkeit in dicken Platten führen. - Duktilität (Dehnung) ist vergleichbar, wenn jede Sorte nach ihrer Spezifikation produziert wird; die Zähigkeitsleistung, insbesondere durch die Dicke und bei niedrigen Temperaturen, ist der entscheidende Faktor.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit dieser HSLA-Stähle wird durch den Kohlenstoffgehalt, den Kohlenstoffäquivalent und den Mikrolegierungsgehalt bestimmt. Häufig verwendete Schweißbarkeitsindizes zur qualitativen Bewertung der Anfälligkeit für wasserstoffunterstützte Kaltverzüge umfassen:

• Kohlenstoffäquivalent (IIW-Form): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Qualitative Interpretation: - Niedrigerer Kohlenstoff und kontrolliertes Mn begünstigen die Schweißbarkeit; Mikrolegierungselemente (Nb, V, Ti) erhöhen die Härtbarkeit, was das Risiko harter Zonen im HAZ und Kaltverzügen erhöhen kann, wenn Wasserstoff und Einschränkungen nicht kontrolliert werden. - FH40-Chemien (mit niedrigerem C und mehr Mikrolegierung) werden oft ausgewählt, um Härtbarkeit und Zähigkeit auszubalancieren; Vorwärmen, kontrollierte Zwischenpass-Temperatur, wasserstoffarme Verfahren und Überlegungen zur Nachschweißwärmebehandlung müssen je nach Plattendicke und Spezifikation berücksichtigt werden. - Für sehr dicke Platten ist die Kontrolle der Wärmeaufnahme, des Vorwärmens und der Abkühlrate im HAZ entscheidend; die Qualifizierung des Schweißverfahrens (WPS/PQR) und die Wasserstoffkontrolle werden anspruchsvoller.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Sowohl EH40 als auch FH40 sind nichtrostende niedriglegierte Stähle und benötigen Oberflächenschutz in korrosiven Umgebungen (marine Salzwasser, atmosphärische Einwirkung).
• Häufige Schutzmethoden: Feuerverzinkung (wo anwendbar), Mehrschicht-Epoxid-Systeme, Polyurethan-Beschichtungen, Metallisierung (thermisches Spritzen) und opferanoden für untergetauchte Anwendungen.
• Rostbeständigkeitsindizes (z. B. PREN) sind für diese Kohlenstoff-/Legierungsstähle nicht anwendbar: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Diese Formel ist nur für rostfreie Stähle mit signifikantem Cr, Mo und N sinnvoll; für EH40/FH40 sind die Cr- und Mo-Gehalte zu niedrig für eine PREN-basierte Korrosionsklassifizierung.
• Die Auswahl von Beschichtungen und kathodischem Schutz muss die geplante Lebensdauer, den Wartungszugang und die beabsichtigte Umgebung (Spritzzone, untergetaucht, atmosphärisch) berücksichtigen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: Beide Sorten sind in der Bearbeitbarkeit moderat; niedriglegierte Varianten (typisch für FH40) können etwas einfacher zu bearbeiten sein. Hartmetall- oder beschichtete Werkzeuge und geeignete Vorschübe/Geschwindigkeiten werden für Schnitte in schweren Querschnitten empfohlen.
• Formbarkeit/Biegen: EH40 mit höheren Streckzielen kann die zulässige Formverformung im Vergleich zu niedriglegiertem FH40 reduzieren. Kaltes Biegen von dicken Platten ist begrenzt und erfordert oft Erwärmung oder Walzbiegen; die Formgrenzen müssen mit Biegetests gemäß Spezifikation validiert werden.
• Schneiden und thermisches Schneiden: Plasma- und Brennschneiden sind Standard für dicke Platten. Vorwärmen und kontrollierte Nachbearbeitung reduzieren Restspannungen und wärmebeeinflusste Mikrostrukturen.
• Die Oberflächenvorbereitung für Schweiß- und Beschichtungsverfahren muss bei sehr dicken Platten sorgfältig kontrolliert werden, um zu vermeiden, dass Laminierungen oder Mittellinienfehler zu Versagensauslösern werden.

8. Typische Anwendungen

EH40 (häufige Anwendungen)	FH40 (häufige Anwendungen)
Rumpf- und Deckplattierungen von Schiffen, bei denen eine höhere nominale Streckgrenze für Standard-Schwerplatten gewünscht wird	Sehr dicke Rumpf- oder Deckplatten, bei denen die Durchdicken-Zähigkeit entscheidend ist (z. B. Eis-Klasse-Abschnitte, große Offshore-Plattform-Bodenplatten)
Strukturelle Elemente (Träger, Halterungen) in schweren Konstruktionen	Tiefenversteifungen und dicke Übergangsplatten, die eine minimierte Mittellinienversprödung erfordern
Druckhaltende nicht druckbelastete Komponenten, bei denen das Verhältnis von Festigkeit zu Kosten wichtig ist	Kritische Schweißverbindungen mit großer Dicke, bei denen Rissverhinderung und Bruchzähigkeit über die Dicke sichergestellt werden müssen

Auswahlbegründung: - EH40: gewählt für hohe Festigkeit in Standardproduktionsdicken, bei denen konventionelles TMCP die erforderlichen Eigenschaften liefert. - FH40: gewählt, wenn die Plattendicke das normale TMCP-Fenster überschreitet oder wenn strengere Anforderungen an die Durchdicken-Zähigkeit bestehen; Verarbeitung und Chemie optimiert, um die Eigenschaften tief in die Platte zu erhalten.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: Im Allgemeinen liegen beide Sorten im HSLA-Preissegment; FH40 kann einen Aufpreis verlangen aufgrund strengerer Prozesskontrollen, anspruchsvollerer Prüfungen und möglicher spezieller Walzpläne für sehr dicke Platten.
• Verfügbarkeit: EH40-Stilplatten sind von vielen Werken in Standarddicken üblich. FH40-Stilplatten können verfügbar sein, erfordern jedoch möglicherweise eine Sonderbestellung, längere Lieferzeiten und eine Zertifizierung der Durchdickenprüfungen für sehr dicke Abschnitte.
• Produktformen: Platten, maßgeschneidert und vorgefertigte Baugruppen. Sehr dicke FH40-Platten können von weniger Werken produziert werden, sodass Lieferzeiten und Mindestbestellmengen frühzeitig im Einkauf besprochen werden sollten.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Attribut	EH40	FH40
Schweißbarkeit	Gut mit Standardkontrollen; auf HAZ-Härtbarkeit achten	Gut, erfordert jedoch strengere WPS für sehr dicke Abschnitte
Festigkeit-Zähigkeit-Verhältnis	Hohe nominale Festigkeit in Standarddicken	Optimierte Durchdicken-Zähigkeit in sehr dicken Platten
Kosten	Typischerweise niedriger für Standardproduktion	Möglicher Aufpreis für spezielle Verarbeitung und Prüfungen

Empfehlungen: - Wählen Sie EH40, wenn Sie hochfeste HSLA-Platten in konventionellen Schwerplattendicken benötigen, bei denen Standard-TMCP oder Normalisieren eine angemessene Durchdicken-Zähigkeit bietet, und Sie das Verhältnis von Festigkeit zu Kosten für gängige Struktur-Anwendungen priorisieren. - Wählen Sie FH40, wenn Sie sehr dicke Platten (extreme Dicke) spezifizieren oder wenn das Design eine gesicherte Durchdicken-Bruchzähigkeit und minimale Mittellinienversprödung erfordert; FH40-Stil-Chemie und -Verarbeitung helfen, gleichmäßige Eigenschaften durch große Querschnitte aufrechtzuerhalten, jedoch wahrscheinlich zu höheren Beschaffungs- und Verarbeitungskosten.

Letzter Hinweis: Für jede kritische Anwendung spezifizieren Sie die erforderlichen dickenspezifischen mechanischen und Zähigkeitskriterien, Schweißverfahrensqualifikationen und zerstörungsfreie Prüfungen im Vertrag. Bestätigen Sie die Werkszertifikate und führen Sie unabhängige Prüfungen durch, wo nötig, um sicherzustellen, dass die ausgewählte Sorte die projektspezifischen Anforderungen an Durchdicken- und Schweißleistung erfüllt.