S235 vs S275 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

S235 und S275 sind zwei weit verbreitete europäische Baustähle, die durch EN-Normen spezifiziert sind. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Vor- und Nachteile zwischen Kosten, Schweißbarkeit, Formbarkeit und Festigkeit ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl einer wirtschaftlicheren Sorte für leicht belastete Strukturen im Vergleich zu einer etwas höherfesten Sorte, bei der die Querschnittsgröße, Gewichtsreduzierung oder regulatorische Mindeststreckgrenze entscheidend sind.

Der wesentliche technische Unterschied zwischen S235 und S275 ist ihre minimal spezifizierte Streckgrenze: S275 hat eine höhere garantierte Streckgrenze als S235. Dieser Unterschied beeinflusst die Auswahl in tragenden Anwendungen, aber beide Sorten sind in Chemie und Verarbeitung ähnlich, sodass andere Faktoren (Schweißbarkeit, Zähigkeit, Verfügbarkeit und Oberflächenschutz) oft die endgültige Wahl bestimmen.

1. Normen und Bezeichnungen

• EN: EN 10025-Serie (am häufigsten für S235, S275 Varianten wie S235JR, S235J0, S235J2, S275JR usw.).
• ASTM/ASME: Keine direkten eins-zu-eins ASTM-Entsprechungen; vergleichbare ASTM-Qualitäten werden typischerweise basierend auf den erforderlichen Eigenschaften spezifiziert, anstatt durch direkte Substitution.
• JIS: Japanische Normen klassifizieren Baustähle anders; die Auswahl erfordert eine eigenschaftsbasierte Übereinstimmung.
• GB (China): GB-Normen umfassen Baustähle, die in der Anwendung ähnlich sind, jedoch keine direkten Bezeichnungen; Übereinstimmung durch mechanische und chemische Anforderungen.

Klassifizierung nach allgemeiner Stahlfamilie: - Sowohl S235 als auch S275 sind unlegierte Kohlenstoff-/niedriglegierte Baustähle (nicht rostfrei, nicht Werkzeugstahl, nicht hochlegiert). Einige Walzvarianten können Mikrolegierungen (Nb, V, Ti) oder thermomechanische Verarbeitung enthalten, was sie weiterhin als Baustähle klassifiziert (oft zusammen mit HSLA, wenn absichtlich mikrolegiert).

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Hinweise: - EN-Qualitäten spezifizieren maximale Grenzen, die von Dicke und Variante abhängen (z. B. JR, J0). Die allgemeine Legierungsstrategie ist eine niedrig-kohlenstoffhaltige Chemie mit Mangan, um die Zielwerte für Streckgrenze/Zugfestigkeit zu erreichen und gleichzeitig eine gute Schweißbarkeit und Formbarkeit zu gewährleisten. Mikrolegierung und thermomechanisches Walzen können verwendet werden, um die Festigkeit zu erhöhen, ohne signifikante Erhöhungen des Kohlenstoffs.

Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit und Härtbarkeit, reduziert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit, wenn er erhöht ist. - Mangan trägt zur Festigkeit und Härtbarkeit bei und wirkt der Sprödigkeit durch Schwefel entgegen. - Silizium ist hauptsächlich ein Entgasungsmittel; höherer Siliziumgehalt kann die Festigkeit leicht erhöhen. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) verfeinern die Korngröße und ermöglichen höhere Streckgrenzen durch Ausscheidungsstärkung und kontrolliertes Walzen ohne große Kohlenstofferhöhungen.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostruktur: - Warmgewalzte und normalisierte S235 und S275 sind überwiegend ferritisch-perlitisch in der Mikrostruktur. Die Korngröße und der Perlitanteil variieren mit der Abkühlrate und der thermomechanischen Verarbeitung. - Thermomechanisch gewalzte oder mikrolegierte Varianten zeigen feinere Ferritkorngrößen und dispergierte Karbide/Ausscheidungen (NbC, VC, TiC), die eine verbesserte Streckgrenze bei ähnlichen chemischen Kohlenstoffgehalten bieten.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - Diese Qualitäten sind hauptsächlich für den Einsatz im warmgewalzten oder normalisierten Zustand ausgelegt. Sie werden typischerweise nicht für Abschrecken und Anlassen geliefert, es sei denn, sie werden speziell als andere Qualität bestellt. - Normalisieren (Erhitzen über kritische Temperatur und Luftkühlen) verfeinert die Korngröße und homogenisiert die Mikrostruktur, was die Zähigkeit verbessert. - Abschrecken und Anlassen erhöhen die Festigkeit und Zähigkeit, sind jedoch für Standard-S235/S275-Spezifikationen unüblich und können die Konformität mit den EN 10025-Anforderungen verändern. - Thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP) wird häufig verwendet, um höhere Festigkeiten (z. B. S275-Eigenschaften) mit niedrigem Kohlenstoff zu erreichen, indem das Korn verfeinert und mikrolegierte Ausscheidungen verteilt werden.

4. Mechanische Eigenschaften

Erklärung: - S275 ist die stärkere Qualität per Design, da ihre garantierte Mindeststreckgrenze höher ist. Der Anstieg der Streckgrenze geht oft mit einem moderaten Anstieg der Zugfestigkeit und einer kleinen Reduzierung der Dehnung/Umformbarkeit einher, aber die Zähigkeit kann durch die Auswahl der entsprechenden JR/J0/J2-Variante oder durch Verwendung einer normalisierten Verarbeitung angepasst werden. - Da beide Qualitäten niedrig-kohlenstoffhaltig sind, behalten sie eine gute Duktilität und Schlagzähigkeit, wenn sie in der entsprechenden Lieferbedingung geliefert werden.

5. Schweißbarkeit

Schlüsselfaktoren: - Niedriger Kohlenstoff- und niedriglegierter Gehalt in sowohl S235 als auch S275 geben ihnen im Allgemeinen eine gute Schweißbarkeit, wenn standardisierte Verfahren befolgt werden. - Höhere Kohlenstoffäquivalente oder das Vorhandensein von Mikrolegierungselementen erhöhen die Härtbarkeit und das Potenzial für Kaltverzug; daher können Vorwärm- und Zwischenpass-Temperaturen für dickere Querschnitte oder für Stähle mit höherem CE oder Pcm spezifiziert werden.

Nützliche Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (abnehmende Schweißbarkeit):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation: - Für beide Qualitäten sind die CE- und Pcm-Werte typischerweise niedrig im Vergleich zu hochfesten Legierungsstählen, was auf eine unkomplizierte Schweißung mit standardisierten Verbrauchsmaterialien und Verfahren hinweist. Wenn jedoch die Dicke zunimmt oder Mikrolegierungen vorhanden sind, steigen CE/Pcm und geeignete Schweißkontrollen (Vorwärmen, Zwischenpass-Temperatur, Nachbehandlung nach dem Schweißen, wo erforderlich) sollten angewendet werden. - Geben Sie das richtige Füllmetall an, um die mechanischen Eigenschaften abzugleichen und kritische Verbindungen zu vermeiden. Bei zyklischen oder ermüdungsempfindlichen Strukturen sollten Restspannungen und mögliche Härte im HAZ berücksichtigt werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• S235 und S275 sind nicht rostfreie Kohlenstoffstähle; sie bieten keinen intrinsischen Widerstand gegen atmosphärische oder aggressive Korrosion. Schutzstrategien umfassen:
• Feuerverzinkung gegen atmosphärische Korrosion und langfristige Freiluftexposition.
• Beschichtungssysteme und Grundierungen (z. B. Epoxid, Polyurethan, zinkreiche Grundierungen).

• Lokale Beschichtungen (Spray, Pinsel) oder Metallisierung zur Reparatur und Nachbesserung.

• Rostfreie Kennzahlen wie PREN sind für nicht rostfreie Baustähle nicht anwendbar. Der Vollständigkeit halber ist die PREN-Formel (die für rostfreie Legierungen verwendet wird):
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index ist für S235/S275 irrelevant, da ihre Gehalte an Chrom, Molybdän und Stickstoff sehr niedrig sind und nicht zur Korrosionsbeständigkeit beitragen sollen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Umformen: Beide Qualitäten sind duktil und formbar; S235 ist aufgrund seiner niedrigeren Streckgrenze im Allgemeinen einfacher zu formen. Wenn enge Radien erforderlich sind, kann S235 bevorzugt werden, es sei denn, das Design erfordert die höhere Festigkeit von S275.
• Biegen: Der Rückfederungsgrad ist für S275 aufgrund der höheren Streckgrenze leicht größer; Werkzeug-/Rückbiegeanpassungen nach Bedarf vornehmen.
• Schneiden und Bohren: Beide lassen sich leicht durch Plasma-, Sauerstoffbrenn-, Laser- oder mechanische Verfahren bearbeiten. Der Werkzeugverschleiß steigt moderat mit der Festigkeit; Fütterungen und Werkzeuge anpassen, wenn von S235 auf S275 gewechselt wird.
• Bearbeitbarkeit: Gut für beide in normalisierten/warmgewalzten Zuständen; wenn härtere Varianten oder stark mikrolegierte Produkte verwendet werden, kann die Bearbeitbarkeit abnehmen.
• Oberflächenbehandlung: Typische Anforderungen an die Oberflächenvorbereitung und Grundierung sind ähnlich; das Entfernen von Schweißspritzern und Schleifpraktiken sind identisch.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie S235, wenn Formgebung, Kosten und einfache Schweißbarkeit Priorität haben und die Designstreckgrenze von 235 MPa erfüllt wird. - Wählen Sie S275, wenn die Entwurfsnormen, Lastfälle oder Gewicht-/Querschnittsoptimierung die höhere garantierte Streckgrenze (275 MPa) erfordern, während eine gute Schweißbarkeit und Zähigkeit erhalten bleibt.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: S275 ist typischerweise geringfügig teurer als S235 aufgrund seiner höheren Streckgrenzenspezifikation und manchmal strengerer Fertigungs-/Prozesskontrolle. Der Preisunterschied ist auf dem Markt für Walzprodukte oft moderat.
• Verfügbarkeit: Beide Qualitäten sind in Platten, Coils, Stangen und Profilen in den meisten Märkten weit verbreitet. S235 ist äußerst verbreitet für allgemeine Baustahlvorräte; S275 ist ebenfalls häufig, insbesondere in Regionen oder Anwendungen, die die höhere Streckgrenze spezifizieren.
• Produktformen: Platten und Bleche in einer Reihe von Dicken; Langprodukte (Winkel, Kanäle) und Abschnitte; die Verfügbarkeit nach Dicke und Lieferzustand (JR, J0, J2; normalisiert; TMCP) variiert je nach Werk und Region.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlungen: - Wählen Sie S235, wenn: - Die Mindeststreckgrenze des Designs 235 MPa nicht überschreitet. - Einfachheit der Formgebung, niedrigere Kosten und maximale Duktilität Priorität haben. - Sie die breiteste Standardverfügbarkeit für leicht- bis mittelschwere Strukturteile benötigen.

• Wählen Sie S275, wenn:
• Das Projekt die höhere garantierte Streckgrenze von 275 MPa erfordert, um Querschnittsgrößen oder Gewicht zu reduzieren.
• Leicht höhere Zug-/Streckgrenzeigenschaften benötigt werden, ohne auf hochlegierte Stähle umzusteigen.
• Sie eine Festigkeitsreserve für Strukturteile bevorzugen, während Sie eine gute Schweißbarkeit und Zähigkeit mit korrekter Verarbeitung beibehalten.

Letzte Anmerkung: Bei der Auswahl zwischen S235 und S275 sollten Sie immer die erforderliche Lieferbedingung (JR/J0/J2, normalisiert, TMCP), dickeabhängige Grenzen und projektbezogene Einschränkungen (Schweißverfahren, Schlagtemperatur, Korrosionsschutz) überprüfen. Passen Sie die Stahlqualität an die funktionalen Anforderungen (Last, Ermüdung, Umgebung) an, anstatt nur den Preis zu berücksichtigen, um Nacharbeiten zu vermeiden und eine langfristige Leistung sicherzustellen.