A36 против A572 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
ASTM A36 и ASTM A572 — это два наиболее часто указываемых конструкционных стали в строительстве, производстве и тяжелой промышленности. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто оценивают стоимость, свариваемость, формуемость и требуемую механическую прочность при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают: (1) оправдывает ли более высокая предел прочности дополнительную стоимость материала и потенциальные изменения в процедурах сварки или формовки, и (2) требуется ли улучшенная ударная вязкость или уменьшенный вес (за счет более тонких сечений) для данного проекта.
Практическое различие между этими марками сводится к механической прочности, достигаемой различными легирующими и технологическими стратегиями: A36 — это традиционная углеродная конструкционная сталь с относительно простой химией и предсказуемым поведением, в то время как A572 — это сталь высокой прочности с низким содержанием легирующих элементов (HSLA), произведенная для обеспечения более высокого предела прочности и часто лучшей ударной вязкости за счет контролируемого легирования и термомеханической обработки. Инженеры сравнивают их, потому что обе выполняют одинаковые конструкционные роли, но с различными компромиссами в прочности, пластичности, свариваемости и стоимости.
1. Стандарты и обозначения
- ASTM/ASME:
- ASTM A36/A36M — углеродная конструкционная сталь (обычно называется A36).
- ASTM A572/A572M — конструкционная сталь высокой прочности с низким содержанием легирующих элементов (доступна в нескольких марках, таких как 42, 50, 55, 60, 65; марка 50 наиболее распространена).
- EN: Существуют примерно аналогичные спецификации в европейских стандартах (например, S275 для конструкционной стали с низкой прочностью; S355 и HSLA марки для более высокой прочности), но прямая эквивалентность не является точной.
- JIS/GB: Японские и китайские стандарты имеют сопоставимые конструкционные стали, но пользователи должны сравнивать механические требования и химию, а не полагаться на прямую эквивалентность названий.
- Классификация: A36 — углеродная конструкционная сталь; A572 — HSLA (высокопрочная, с низким содержанием легирующих элементов) конструкционная сталь.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: Типичный состав (вт%) — общие рекомендации. Точные химические пределы зависят от конкретных подпунктов ASTM и выбранной марки A572; проконсультируйтесь с сертификатами завода для критически важных допусков при закупке.
| Элемент | A36 (типичный) | A572 (типичный, например, марка 50 и связанные марки) |
|---|---|---|
| C (углерод) | до ~0.25–0.26 (низкий–умеренный) | обычно ниже или аналогичные максимумы (например, до ~0.23) |
| Mn (марганец) | ~0.60–1.20 (используется для контроля прочности) | обычно выше или более строго контролируется; обычно около 0.8–1.6 |
| Si (кремний) | ≤ ~0.40 (обезуглероживатель) | аналогично или немного выше в зависимости от практики завода |
| P (фосфор) | ≤ ~0.04 (предел примесей) | ≤ ~0.04 (аналогичный контроль примесей) |
| S (сера) | ≤ ~0.05 (предел примесей) | ≤ ~0.05 (аналогично) |
| Cr (хром) | обычно не добавляется намеренно (следы) | может присутствовать в небольших количествах в некоторых химиях HSLA |
| Ni (никель) | не типично (следы) | не типично, за исключением специальных вариантов |
| Mo (молибден) | не типично | иногда используется в следовых количествах для закаляемости в определенных вариантах HSLA |
| V (ванадий) | не типично | часто присутствует в небольших количествах микролегирования (сотни ppm) |
| Nb (ниобий, колумбий) | не типично | может использоваться как элемент микролегирования (следы до нескольких сотен ppm) |
| Ti (титан) | не типично | может добавляться в некоторые стали для контроля зерна (следы) |
| B (бор) | не типично | не типично; следы только в специализированных сталях |
| N (азот) | остаточный | контролируемый; может взаимодействовать с Ti/Nb для упрочнения осаждением |
Примечания: - A36 по сути является простой углеродной конструкционной сталью с ограниченным намеренным легированием. A572 — это семейство сталей HSLA, где контролируемые добавки микролегирующих элементов (V, Nb, Ti) и более строгий контроль Mn и Si обеспечивают более высокие пределы прочности и улучшенную ударную вязкость без значительного увеличения углеродного эквивалента. - Точный состав A572 варьируется в зависимости от марки (42, 50 и т. д.) и завода; закупка должна указывать марку и запрашивать отчеты о испытаниях материала (MTRs).
Как легирование влияет на свойства: - Углерод повышает прочность и закаляемость, но может снижать свариваемость и ударную вязкость при высоком содержании. - Марганец увеличивает закаляемость и прочность на разрыв и способствует обезуглероживанию. - Микролегирующие элементы (V, Nb, Ti) уточняют размер зерна и создают упрочнение осаждением, которое увеличивает предел прочности без значительного увеличения углерода. - Небольшие добавки Cr, Mo, Ni (когда присутствуют) увеличивают закаляемость и высокотемпературные характеристики, но редко встречаются в стандартных A36/A572.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- A36: Типичная микроструктура в состоянии прокатки — феррит с перлитом — крупнозернистая по сравнению со сталями HSLA. A36 обычно поставляется в горячекатаном состоянии. Она не предназначена для значительной термообработки; свойства достигаются в состоянии прокатки. Нормализация может уточнить размер зерна и немного улучшить прочность и ударную вязкость.
- A572: Производится с контролируемой химией и часто с термомеханической прокаткой или ускоренным охлаждением для получения более тонкой микроструктуры феррит-перлит или игловидного феррита и полезных осадков (карбидов V, Nb, Ti). Эта уточненная микроструктура обеспечивает более высокий предел прочности и лучшую ударную вязкость по сравнению с обычными углеродными сталями аналогичной толщины.
- Реакция на термообработку:
- Нормализация: обе марки могут быть нормализованы для уточнения размера зерна; A572 обычно реагирует лучше, потому что осадки микролегирования контролируют рост зерна.
- Закалка и отпуск: обычно не применяются к A36 или стандартному A572 в конструкционной практике; если требуются высокопрочные закаленные и отпущенные стали, используются другие спецификации.
- Термомеханическая обработка (TMCP): A572 может быть произведена с помощью TMCP для использования контролируемой прокатки и охлаждения для максимизации прочности и ударной вязкости без значительного легирования.
4. Механические свойства
Таблица: Типичные механические свойства (состояние завода; значения представляют собой общие минимумы или диапазоны — проверьте спецификацию ASTM и отчет о испытаниях завода).
| Свойство | A36 (типичный) | A572 (типичный, марка 50 как представитель) |
|---|---|---|
| Предел прочности (минимум) | 36 ksi (≈250 MPa) | 50 ksi (≈345 MPa) |
| Прочность на разрыв (типичный диапазон) | ~58–80 ksi (≈400–550 MPa) | ~65–90 ksi (≈450–620 MPa) |
| Удлинение (в 2 дюйма / 50 мм) | обычно ≥20% (зависит от толщины) | обычно ≥18% (варьируется в зависимости от марки и толщины) |
| Ударная вязкость (Charpy V-notch) | обычно не обязательно, если не указано; умеренная | часто указывается при температуре для критического использования; может быть превосходной при использовании TMCP |
| Твердость | умеренная (значения по Роквеллу B типичны для низко- и среднеуглеродных сталей) | обычно выше, но все еще обрабатываемая/формуемая; твердость варьируется в зависимости от марки и обработки |
Интерпретация: - A572 (особенно марка 50) обеспечивает явно более высокий минимальный предел прочности, чем A36, что позволяет уменьшить вес конструкции или размеры сечений для одной и той же нагрузки. - Пластичность (удлинение) часто сопоставима, хотя более прочные материалы иногда показывают немного более низкое удлинение; современная обработка A572 часто сохраняет хорошую ударную вязкость и приемлемую пластичность. - Ударная вязкость (сопротивление низкотемпературным ударам) часто лучше контролируется и указывается для применения A572, особенно при использовании в критических конструкциях.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит от содержания углерода, углеродного эквивалента (закаляемости) и наличия микролегирующих элементов. Здесь показаны два часто используемых эмпирических параметра для интерпретации.
-
Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Международный Pcm (для более детального предсказания свариваемости и восприимчивости к холодным трещинам): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - A36 обычно имеет низкий углеродный эквивалент и широко считается легко свариваемой стандартными процессами (SMAW, GMAW, FCAW). Температуры предварительного нагрева и межпроходные температуры обычно скромные, за исключением очень толстых сечений или сервисов, чувствительных к водороду. - Марки A572, несмотря на более высокую прочность, спроектированы так, чтобы оставаться свариваемыми. Микролегирование в контролируемых количествах увеличивает прочность без значительного увеличения $CE_{IIW}$. Однако более прочные марки, толстые сечения или увеличенное содержание марганца и микролегирующих элементов могут повысить закаляемость и потребовать более тщательных процедур сварки (предварительный нагрев, контролируемый тепловой ввод, низководородные расходные материалы), чтобы избежать восприимчивости к трещинам. - Практический совет: Для критических конструкций указывайте термообработку после сварки (если требуется), контролируйте температуру предварительного нагрева и межпроходную температуру, и подтверждайте процедуры сварки с записями о квалификации процедур сварки (PQRs).
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни A36, ни стандартный A572 не являются нержавеющими сталями. Обе требуют защиты поверхности для коррозионных сред.
- Распространенные стратегии защиты:
- Горячее цинкование (цинковое покрытие) для долгосрочной атмосферной коррозионной стойкости.
- Цинковая грунтовка, полевое окрашивание или специализированные промышленные покрытия для суровых условий.
- Облицовка или дуплексные системы, если требуется для агрессивных условий.
- Формула PREN (эквивалентный номер сопротивления коррозии) для нержавеющих сталей: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс не применим к A36 и A572, поскольку их химия не содержит хрома/молибдена/азота, что придает нержавеющие свойства. Для критически важных приложений выбирайте нержавеющие или коррозионно-стойкие сплавы, а не полагайтесь только на горячее цинкование/покрытия.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Резка: Обе стали легко резать с помощью кислородно-газовой резки, плазменной резки или лазерной резки. Более прочный A572 может требовать немного других параметров резки из-за более высокой прочности на разрыв.
- Формование и изгиб: A36, с его более низким пределом прочности и простой микроструктурой, обычно легче формовать и изгибать с меньшим возвратом. A572, из-за более высокого предела прочности, будет показывать больший возврат и может потребовать корректировок (например, большей силы изгиба или более жестких радиусов инструмента). Холодное формование стали более высокого класса A572 должно быть подтверждено.
- Обрабатываемость: Обе стали обрабатываемы стандартными инструментами; A572 может быть немного более абразивной для режущих инструментов в зависимости от осадков микролегирования.
- Крепление: Проектирование болтов и сварки должно учитывать более высокую прочность при использовании A572 — например, предварительное натяжение болтов и расчеты на сжатие.
8. Типичные применения
| A36 — Типичные применения | A572 — Типичные применения |
|---|---|
| Общие конструкционные формы (плиты, каналы, двутавры) для зданий, мостов и легких промышленных каркасов, где стандартная прочность достаточна, а стоимость является приоритетом. | Конструкционные элементы, где более высокий предел прочности уменьшает размер или вес сечения — мосты, тяжелые стальные каркасы, рельсы кранов, рамы грузовиков, применения с высокопрочными плитами. |
| Вторичные стальные конструкции, кронштейны, некритические элементы, общая обработка. | Применения, требующие улучшенной ударной вязкости или где уменьшение толщины приводит к экономии материала; некоторые сейсмические и тяжелонагруженные конструкционные элементы. |
| Некритические сварные сборки, легкие нагрузки. | Структуры, где код или проект требуют производительности марки 50 (или выше); компоненты, выигрывающие от ударной вязкости, произведенной с помощью TMCP. |
Обоснование выбора: - Выбирайте A36, когда стоимость, легкость обработки/сварки и доступность для общих толщин являются определяющими факторами. - Выбирайте A572, когда приоритетом являются более высокий предел прочности, контролируемая ударная вязкость и потенциальная экономия веса.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: A36 обычно дешевле по единице веса, чем A572, из-за более простой химии и более широкого производства. A572 имеет более высокую цену за более прочные марки и более строгий контроль обработки.
- Доступность: A36 доступен в широком диапазоне форм и толщин плит. A572 (особенно марка 50) широко доступен, но менее распространен, чем A36 в некоторых формах и толщинах с низким объемом продукции. Время поставки может варьироваться в зависимости от региона и формы продукта (плита, рулон, широкий фланец).
- Совет по закупкам: Указывайте точную марку, форму продукта и любые дополнительные требования (температура испытания на удар, состояние поверхности, покрытие), чтобы избежать неожиданностей в ценах и сроках поставки.
10. Резюме и рекомендации
Таблица: Быстрое сравнение
| Атрибут | A36 | A572 (например, марка 50) |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная, простая | Очень хорошая при соблюдении контролируемых процедур сварки |
| Прочность–Ударная вязкость | Умеренная прочность; достаточная ударная вязкость для многих применений | Более высокий предел прочности и часто лучшая ударная вязкость на единицу веса благодаря обработке HSLA |
| Стоимость | Низкая стоимость за тонну | Высокая стоимость за тонну; может сэкономить стоимость за счет уменьшения размера сечения |
Выводы: - Выбирайте A36, если: - Структурное применение является рутинным и не требует высокой прочности. - Легкость обработки, широкая доступность и наименьшая стоимость материала являются приоритетами. - Важна простота сварки и формовки, и не требуется специальная ударная вязкость.
- Выбирайте A572, если:
- Требуется более высокий предел прочности (например, марка 50 предлагает явное преимущество в проектировании).
- Вы хотите потенциальные сокращения веса или размера сечения при сохранении хорошей ударной вязкости.
- Проект может учитывать немного более строгие требования к сварке и обработке и допускает более высокую стоимость материала за единицу для получения преимуществ в жизненном цикле или производительности.
Заключительная заметка: Всегда указывайте точную марку ASTM, форму продукта, толщину и любые дополнительные требования (температуры испытаний на удар, покрытие или процедуры сварки) и требуйте отчеты о испытаниях завода (MTRs) с поставками материала. Для критических конструкций проводите квалификацию процедур сварки и консультируйтесь с техническими паспортами заводов/поставщиков стали, чтобы согласовать химию и механические свойства с предполагаемым использованием.