S235JR vs S275JR – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
S235JR und S275JR sind zwei der am häufigsten spezifizierten europäischen Baustahlqualitäten, die in Platten, Blechen und gewalzten Profilen verwendet werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen routinemäßig vor der Auswahl zwischen den beiden: die Kosten und die Verarbeitungsfreundlichkeit gegen die Notwendigkeit höherer Festigkeit und Konstruktionsspielräume abzuwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl des Stahls für geschweißte tragende Strukturen, wirtschaftliche Fertigung, bei der Formen und Lackieren die primären Schutzmaßnahmen sind, oder wenn marginale Erhöhungen der Festigkeit die Querschnittsgröße und das Gewicht reduzieren können.
Der wesentliche technische Unterschied zwischen diesen Qualitäten ist die spezifizierte Mindeststreckgrenze (der numerische Qualitätsbezeichner), die unterschiedliche Konstruktionsentscheidungen beeinflusst: S275JR bietet eine höhere Mindeststreckgrenze als S235JR, während die chemische Zusammensetzung und die grundlegenden Verarbeitungswege ähnlich bleiben. Da sie zur gleichen Familie von niedriglegierten, nicht rostfreien Stählen gemäß EN 10025 gehören, werden sie häufig in der strukturellen Gestaltung und Fertigung hinsichtlich ihrer Kompromisse in Bezug auf Festigkeit, Zähigkeit, Schweißbarkeit und Kosten verglichen.
1. Normen und Bezeichnungen
- EN: Sowohl S235JR als auch S275JR sind in EN 10025-2 (nicht legierte Baustähle) definiert.
- ISO: Entsprechende ISO/EN-Bezeichner werden häufig quergelesen; ISO-Äquivalente Beschreibungen spiegeln Mindeststreckgrenzklassen wider.
- ASTM/ASME: Diese Qualitäten haben keine direkten eins-zu-eins ASTM-Namen; ähnliche niedriglegierte Baustähle in der ASTM-Praxis sind verfügbar, aber die Spezifikationssprache und die Akzeptanzkriterien unterscheiden sich.
- JIS/GB: Japanische (JIS) und chinesische (GB) Normen bieten vergleichbare Baustähle, aber direkte Äquivalente erfordern die Überprüfung mechanischer und chemischer Akzeptanzkriterien.
- Klassifikation: Sowohl S235JR als auch S275JR sind einfache Kohlenstoff-/niedriglegierte Baustähle (nicht rostfrei, keine Werkzeugstähle, keine hochfesten niedriglegierten (HSLA) mit signifikanten Mikrolegierungen), die typischerweise als Baustähle gruppiert werden.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: Typische chemische Zusammensetzung (ungefähre Bereiche; konsultieren Sie EN 10025 und die Lieferanten-Mühlenzertifikate für genaue Werte – Werte variieren mit Dicke und Lieferbedingungen)
| Element | S235JR (typisch, Gew.% ) | S275JR (typisch, Gew.% ) |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | ≤ ~0.17–0.20 (niedrig) | ≤ ~0.20–0.22 (niedrig–moderat) |
| Mn (Mangan) | ~0.8–1.6 (moderat) | ~1.0–1.6 (moderat) |
| Si (Silizium) | ≤ ~0.3 (Entgasungsmittel) | ≤ ~0.3 (Entgasungsmittel) |
| P (Phosphor) | ≤ 0.035 (Verunreinigungssteuerung) | ≤ 0.035 (Verunreinigungssteuerung) |
| S (Schwefel) | ≤ 0.035 (Verunreinigungssteuerung) | ≤ 0.035 (Verunreinigungssteuerung) |
| Cr (Chrom) | typischerweise ≤ Spur | typischerweise ≤ Spur |
| Ni (Nickel) | typischerweise ≤ Spur | typischerweise ≤ Spur |
| Mo (Molybdän) | typischerweise ≤ Spur | typischerweise ≤ Spur |
| V, Nb, Ti, B (Mikrolegierungen) | in der Regel nicht in signifikanten Mengen vorhanden | in der Regel nicht in signifikanten Mengen vorhanden |
| N (Stickstoff) | niedrig (Rückstand) | niedrig (Rückstand) |
Hinweise: - Diese Stähle sind absichtlich arm an Kohlenstoff und niedriglegiert, um die Schweißbarkeit und Formbarkeit zu erhalten. Exakte Höchstwerte hängen von der Dicke und der spezifischen EN-Tabelle ab; Lieferanten stellen Mühlenprüfzertifikate (MTCs) aus, die gemessene Werte dokumentieren. - Legierungsstrategie: Beide Qualitäten verwenden einen "niedriglegierten" Ansatz mit kontrolliertem Mangan und Silizium zur Entgasung. Sie vermeiden signifikante Zugaben von Cr, Mo, Ni oder Mikrolegierungselementen in den Standardversionen, um die Härtbarkeit und den Kohlenstoffäquivalent niedrig zu halten.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit und Härtbarkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit bei erhöhten Werten; beide Qualitäten halten den Kohlenstoff niedrig, um die Zähigkeit und die Schweißfreundlichkeit zu erhalten. - Mangan trägt zur Härtbarkeit und Zugfestigkeit bei und ist begrenzt, um die Zähigkeit zu erhalten. - Silizium fungiert als Entgasungsmittel und erhöht leicht die Festigkeit. - Phosphor und Schwefel werden kontrolliert, um Versprödung und Warmbrüchigkeit zu minimieren; ihre Höchstwerte sind nur in niedrigen Mengen zulässig.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostruktur: - Die als produziert (normalisiert/gewalzt) vorliegenden Mikrostrukturen von S235JR und S275JR bestehen hauptsächlich aus Ferrit und Perlit. Der relative Anteil von Perlit steigt leicht mit höherem Kohlenstoff- und Mangangehalt, weshalb S275JR (geringfügig höherer Kohlenstoff/Mangan) eine leicht höhere Festigkeit aufweisen kann. - Keine der Qualitäten ist für Abschreck- und Anlasbehandlungen unter Standardlieferbedingungen vorgesehen; sie werden je nach Prozess und Bestellung im warmgewalzten, normalisierten oder geglühten Zustand geliefert.
Reaktion auf gängige Wärmebehandlungen: - Normalisieren: Verfeinert die Korngröße, erhöht leicht die Zähigkeit und Festigkeit; beide Qualitäten reagieren ähnlich, und das Normalisieren kann verwendet werden, wenn eine verbesserte mechanische Gleichmäßigkeit oder Sauberkeit gewünscht ist. - Glühen: Weich macht den Stahl und verbessert die Formbarkeit; wird verwendet, wenn eine erhöhte Duktilität vor den Umformoperationen erforderlich ist. - Abschrecken und Anlassen: Möglich, aber nicht typisch – da diesen Qualitäten signifikante Härtbarkeitselemente fehlen, wird beim Abschrecken und Anlassen keine hohe Festigkeit entwickelt, ohne das Risiko einer schlechten Zähigkeit, es sei denn, die chemische Zusammensetzung und die Querschnittsdicke werden streng kontrolliert. - Thermo-mechanische Verarbeitung (kontrolliertes Walzen): Keine Standardfunktion von S235JR oder S275JR, kann jedoch, wo angewendet, die Streckgrenze und Zähigkeit erhöhen – das Produkt in Richtung HSLA-Verhalten bewegen. Solche Produkte werden normalerweise anders bezeichnet.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Typische mechanische Eigenschaften (indikative Bereiche – mit Normen oder MTCs überprüfen)
| Eigenschaft | S235JR (typisch) | S275JR (typisch) |
|---|---|---|
| Mindeststreckgrenze (Rp0.2) | 235 MPa | 275 MPa |
| Zugfestigkeit (Rm) | 360–510 MPa | 410–560 MPa |
| Dehnung (A) | ≥ ~22–26% (hängt von Querschnitt/Dicke ab) | ≥ ~20–23% (hängt von Querschnitt/Dicke ab) |
| Charpy-Schlag (JR) | 27 J bei 20°C (JR-Qualitätsanforderung) | 27 J bei 20°C (JR-Qualitätsanforderung) |
| Härte | Typische Bereiche ~110–150 HB (variiert mit Zustand) | Typische Bereiche ~120–160 HB (variiert mit Zustand) |
Interpretation: - Festigkeit: S275JR ist der stärkere der beiden gemäß Spezifikation – seine höhere Mindeststreckgrenze und typischerweise höhere Zugfestigkeit ermöglichen reduzierte Querschnittsgrößen für die gleichen Lasten. - Duktilität und Zähigkeit: S235JR zeigt im Allgemeinen eine leicht höhere Dehnung aufgrund der niedrigeren Streckgrenze, was sich in einer marginal besseren Formbarkeit niederschlagen kann. Beide Qualitäten erfordern eine Überprüfung der Schlagzähigkeit (JR = 27 J bei +20°C), um die grundlegende Kerbzähigkeit in gängigen Umgebungen sicherzustellen. - Warum Unterschiede bestehen: Der leicht höhere zulässige Kohlenstoff- und Mangangehalt (im Durchschnitt) in S275JR erhöht die Festigkeit durch ein besseres Gleichgewicht von Perlit/Ferrit und die Möglichkeit zur Verfestigung durch Verformung.
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit: - Beide Qualitäten gelten allgemein als gut schweißbar mit gängigen Verfahren (SMAW, GMAW/MIG, FCAW, TIG) aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts und des niedrigen Kohlenstoffäquivalents. - Kohlenstoffäquivalenzindizes helfen Schweißern und Ingenieuren bei der Beurteilung der Vorwärmung und der Wahl des Verbrauchsmaterials. Nützliche Formeln umfassen: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretation: Da sowohl S235JR als auch S275JR niedrige C- und geringe Mengen anderer Legierungselemente aufweisen, sind ihre $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte niedrig, was auf eine geringe Härtbarkeit und eine geringe Neigung zu Kaltbrüchen hinweist. S275JR könnte geringfügig weniger nachsichtig sein, da sein höherer nominaler Kohlenstoff/Mangan den Kohlenstoffäquivalent leicht erhöhen kann – dies kann in dicken Querschnitten oder bei restriktiven Schweißnähten eine moderate Vorwärmung rechtfertigen. - Praktische Ratschläge: Verwenden Sie Standardfüllerstoffe, die mit Baustählen kompatibel sind (entsprechend oder leicht höherer Festigkeit als das Grundmaterial zur Verringerung der Verformung), kontrollieren Sie die Interpass-Temperatur und wenden Sie die geeignete Vorwärmung basierend auf Dicke, Einschränkung und gemessenem Kohlenstoffäquivalent an, nicht nur auf den Gradnamen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Diese Qualitäten sind nicht rostende Kohlenstoffstähle; die intrinsische Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt. Die Auswahl sollte die Umweltexposition und die beabsichtigten Schutzsysteme berücksichtigen.
- Typische Optionen für den Oberflächenschutz:
- Feuerverzinkung: üblich für Baustahl, wo atmosphärische Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.
- Beschichtungssysteme: Grundierungen, Zwischenbeschichtungen und Decklacke bieten maßgeschneiderten Schutz für atmosphärische, industrielle oder marine Umgebungen.
- Metallisieren (Zink/Al-Beschichtungen), Pulverbeschichtungen oder Verkleidungen, wo erforderlich.
- PREN: Die Formel für die Äquivalenzzahl der Lochkorrosionsbeständigkeit, $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ist hier nicht anwendbar, da S235JR und S275JR keine rostfreien Stähle sind und keine signifikanten Mengen an Cr, Mo oder N enthalten, um lokale Korrosionsindizes sinnvoll zu machen.
- Praktische Hinweise: Wählen Sie Schutzschemata basierend auf der Expositionsklasse (ISO 12944 oder ähnliche Richtlinien) und priorisieren Sie Beschichtungen oder Verzinkungen für langfristige Haltbarkeit.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Schneiden: Plasma-, Brenn- und Sauerstoffbrennprozesse werden routinemäßig verwendet; die Bearbeitung mit Standard-Hartmetallen und HSS-Werkzeugen ist aufgrund der relativ niedrigen Härte unkompliziert.
- Zerspanbarkeit: Moderat – typische Zerspanbarkeit von Kohlenstoffstahl; S235JR kann aufgrund der niedrigeren Streckgrenze und der leicht geringeren Verfestigungstendenz etwas einfacher zu bearbeiten sein als S275JR.
- Formbarkeit und Biegen: Beide Qualitäten lassen sich gut in der gelieferten Form verarbeiten; S235JR ist aufgrund der höheren Dehnung geringfügig nachsichtiger bei engen Biegungen und tiefem Ziehen. Die Umformgrenzen sollten durch Biegetests oder Lieferantenrichtlinien für spezifische Dicken validiert werden.
- Oberflächenveredelung: Beide reagieren gut auf konventionelle Oberflächenbehandlungen (Schleifen, Strahlen, Lackieren). Nachschweißwärmebehandlungen sind für diese Qualitäten selten erforderlich, es sei denn, spezifische Spannungsabbau- oder Eigenschaftsänderungen sind durch das Design erforderlich.
8. Typische Anwendungen
| S235JR — Typische Anwendungen | S275JR — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Allgemeine Strukturbauteile, bei denen Kosten und Formbarkeit wichtig sind: leichte Rahmen, nicht kritische Stützstrukturen, geschweißte Gehäuse und Pfetten | Strukturbauteile mit höheren Entwurfsbelastungen oder wo kleinere Querschnitte gewünscht sind: Brückenteile (nicht kritisch), schwerere Träger, tragende Rahmen und Kranbahnen (wo spezifiziert) |
| Architektonische Stahlkonstruktionen und Zäune, wo Lackieren/Verzinken Korrosionsschutz bietet | Mittelschwere Strukturkomponenten, Verbindungen und gefertigte Bauteile, die höhere Streckgrenzen erfordern |
| Allzweckplatten und Profile für die Fertigung, wo Biegungen und Formen häufig sind | Situationen, die ein verbessertes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erfordern, was reduzierte Querschnittsdicken und Gewicht ermöglicht |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie S235JR, wenn maximale Formbarkeit, niedrigere Materialkosten und höhere Duktilität priorisiert werden und die erforderliche Streckgrenze innerhalb seiner Grenzen liegt. - Wählen Sie S275JR, wenn eine höhere Mindeststreckgrenze erforderlich ist, um Querschnittsgrößen zu reduzieren oder Entwurfsbelastungen zu erfüllen, während gleichzeitig eine gute Schweißbarkeit und Zähigkeit bei Umgebungstemperaturen erhalten bleibt.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis: S275JR ist typischerweise etwas teurer als S235JR aufgrund seiner höheren Festigkeitsspezifikation und geringfügig strengerer chemischer und mechanischer Anforderungen, obwohl die Marktpreise mit den Stahlrohstoffzyklen schwanken.
- Verfügbarkeit: Beide Qualitäten werden weit verbreitet produziert und sind in vielen Produktformen (Platten, Bleche, Coils, Profile) erhältlich. S235JR ist tendenziell häufiger in sehr preisgünstigen Verbraucherstrukturmärkten, während S275JR stark von Lieferanten für Baustahl und Dienstleistungszentren vorrätig gehalten wird.
- Produktformen: Die Verfügbarkeit kann je nach Dicke und Oberfläche variieren – konsultieren Sie die Lieferanten bezüglich der Lieferzeiten für warmgewalzte normalisierte Platten, gebeizte und geölte Bleche oder vorverzinkte Optionen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: Schnelle vergleichende Zusammenfassung
| Parameter | S235JR | S275JR |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet (geringfügig höheres CE-Potenzial) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Gut (höhere Duktilität) | Bessere Festigkeit bei erhaltener Zähigkeit |
| Kosten | Niedriger (im Allgemeinen) | Moderat (im Allgemeinen höher als S235JR) |
Schlussfolgerungen: - Wählen Sie S235JR, wenn Sie maximale Formbarkeit, leicht höhere Duktilität, niedrigere Materialkosten priorisieren und die Anforderungen an die Streckgrenze des Projekts 235 MPa nicht überschreiten. Es ist ideal für allgemeine Strukturfertigungen, architektonische Komponenten und Situationen, in denen die Leichtigkeit des Biegens/Formens wertvoll ist. - Wählen Sie S275JR, wenn Sie eine höhere Mindeststreckgrenze benötigen, um Querschnittsgrößen zu reduzieren oder höhere Entwurfsbelastungen zu erfüllen, während Sie gleichzeitig eine gute Schweißbarkeit und angemessene Schlagzähigkeit beibehalten. Es eignet sich für schwerere strukturelle Anwendungen, bei denen der Vorteil von Festigkeit zu Gewicht und die moderate Erhöhung der zulässigen Spannung wichtig sind.
Abschließende praktische Hinweise: - Überprüfen Sie immer die mechanischen und chemischen Werte anhand des Mühlenprüfzertifikats des Lieferanten und der geltenden Norm (EN 10025 oder die spezifizierte Liefernorm). - Basieren Sie die Vorwärmung und die Wahl der Verbrauchsmaterialien auf dem gemessenen Kohlenstoffäquivalent ($CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$) und der Teilrestriktion, nicht nur auf dem Gradnamen. - Berücksichtigen Sie Schutzbeschichtungen frühzeitig in der Beschaffung, um die Kompatibilität mit den Fertigungsschritten (z. B. Schweißen durch Beschichtungen, nach der Fertigung feuerverzinken) sicherzustellen.