A36 против A572 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

ASTM A36 и ASTM A572 — это два наиболее широко используемых конструкционных стали в строительстве, производстве и тяжелом оборудовании. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно учитывают стоимость, необходимую прочность, свариваемость и поведение при обработке при выборе между ними — например, следует ли отдать предпочтение более низкой стоимости материала и широкой доступности или более высокой предельной прочности и улучшенному соотношению прочности к весу.

Основное различие заключается в том, что A36 является обычной низкоуглеродной конструкционной сталью, в то время как A572 (обычно указываемая как класс 50 во многих проектах) представляет собой высокопрочную, низколегированную (HSLA) конструкционную сталь, которая достигает более высокой предельной прочности за счет контролируемой химии и микроаллоирования. Это различие приводит к компромиссам в прочности, ударной вязкости, свариваемости и обработке.

1. Стандарты и обозначения

• ASTM/ASME:
• ASTM A36/A36M — углеродная конструкционная сталь.
• ASTM A572/A572M — высокопрочная низколегированная конструкционная сталь (классы 42, 50, 55, 60 являются распространенными; класс 50 чаще всего сравнивается с A36).
• EN: Эквивалентные концепции существуют в соответствии с EN 10025 (например, S235 ≈ A36, S355 ≈ A572 класс 50), но прямая эквивалентность требует проверки по толщине и свойствам.
• JIS/GB: Японские и китайские стандарты имеют аналогичные конструкционные стали, но химические и механические требования различаются и должны быть сопоставлены.
• Классификация:
• A36 — углеродная конструкционная сталь.
• A572 — HSLA конструкционная сталь (низколегированная с микроаллоирующими элементами в более высоких классах).

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица перечисляет типичные диапазоны состава для наиболее важных элементов. Значения представлены в виде типичных пределов или часто встречающихся диапазонов для плит и конструкционных форм; фактические сертификаты завода и конкретный класс A572 должны быть проверены для закупки.

Элемент	A36 (типичный)	A572 класс 50 (типичный)
C	≤ 0.26 вес%	≤ 0.23 вес%
Mn	0.60–1.20 вес%	~0.70–1.35 вес%
Si	≤ 0.40 вес%	≤ 0.40 вес% (контролируемый)
P	≤ 0.04 вес%	≤ 0.04 вес%
S	≤ 0.05 вес%	≤ 0.05 вес%
Cr	следы	следы / контролируемый (может присутствовать в небольших количествах)
Ni	следы	следы
Mo	следы	следы (незначительные для некоторых классов)
V	обычно отсутствует	возможные добавки микроаллоирования (0–0.15 вес%)
Nb (Cb)	обычно отсутствует	возможные добавки микроаллоирования (0–0.06 вес%)
Ti	обычно отсутствует	возможные добавки микроаллоирования (контролируемые)
B	обычно не используется	иногда присутствует в очень небольших количествах
N	низкий, остаточный	низкий, контролируемый для обработки HSLA

Как легирование влияет на поведение - Углерод и марганец: повышают прочность, но увеличивают закаливаемость и, при более высоких уровнях, могут снижать свариваемость и ударную вязкость. A572 обычно контролирует углерод и увеличивает содержание Mn и полезное микроаллоирование для повышения предельной прочности без значительного увеличения углерода. - Микроаллоирование (V, Nb, Ti): небольшие добавки способствуют упрочнению за счет осаждения, более мелкому размеру зерна и улучшенной ударной вязкости без увеличения углерода — что позволяет достичь более высокой предельной прочности с хорошей пластичностью и свариваемостью. - Элементы, такие как Cr, Mo и Ni, обычно ограничены; A572 достигает прочности в основном за счет механизмов HSLA, а не за счет тяжелого легирования.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Типичные микроструктуры - A36: Как прокатанная или нормализованная, A36 обычно демонстрирует микроструктуру феррит–перлит с относительно крупными зернами по сравнению с HSLA сталями. Прочность в основном зависит от содержания углерода и упрочнения в процессе деформации. - A572 (например, класс 50): Обрабатывается для оптимизации прочности и ударной вязкости, A572 часто показывает более мелкую феррит–перлитную или ферритную микроструктуру с дисперсными мелкими осадками от микроаллоирующих элементов. Термомеханический контроль во время прокатки и контролируемое охлаждение уточняют размер зерна и диспергируют карбиды/нитриды/карбонитриды для упрочнения осаждением.

Термическая обработка и термическая реакция - A36: Обычно не подвергается термической обработке в конструкционном использовании; нормализация или снятие напряжений могут использоваться для улучшения ударной вязкости или снижения остаточных напряжений. A36 имеет ограниченную реакцию на закалку и отпуск из-за своего номинального уровня углерода и предполагаемого использования. - A572: Также обычно поставляется в виде прокатной плиты в прокатанном или термомеханически обработанном состоянии. Более высокие классы могут быть произведены с использованием контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения для получения необходимой предельной прочности с приемлемой ударной вязкостью. Закалка и отпуск не являются нормальным коммерческим путем для конструкционных изделий A572, но могут использоваться для специальных приложений.

Эффект нормализации / TMCP / Q&T - Нормализация может уточнить размер зерна и улучшить ударную вязкость для обеих сталей, но A572 больше выигрывает от термомеханической контролируемой обработки (TMCP) и осаждения микроаллоиров для достижения более высокой прочности без значительных углеродных штрафов. - Закалка и отпуск в принципе повысят прочность, но не являются стандартом для этих классов и изменяют ожидания по свариваемости и остаточным напряжениям.

4. Механические свойства

Таблица ниже обобщает типичные требования к механическим свойствам, используемым для проектирования и закупки. Фактические значения зависят от класса, толщины и спецификации покупки.

Свойство	A36 (типичный)	A572 класс 50 (типичный)
Минимальная предельная прочность	36 ksi (≈ 250 MPa)	50 ksi (≈ 345 MPa)
Прочность на разрыв	58–80 ksi (≈ 400–550 MPa)	65–85 ksi (≈ 450–585 MPa)
Удлинение (в 50–200 мм измерении, зависит от толщины)	~20% (минимум варьируется в зависимости от толщины)	~18% (минимум варьируется в зависимости от толщины)
Ударная вязкость	Не универсально указана; умеренная при комнатной температуре; ниже при криогенных температурах, если не указано	Часто доступна с указанными требованиями по Шарпи; обычно лучшее ударное сопротивление при указании и обработке
Типичная твердость (как прокатанная, приблизительно)	Ниже, чем у HSLA, переменная в зависимости от обработки	Выше, чем у A36 благодаря более высокой предельной прочности и TMCP

Интерпретация - A572 класс 50 обеспечивает значительно более высокую предельную прочность, чем A36; прочности на разрыв частично перекрываются, но A572 в среднем выше. - Пластичность и удлинение в целом схожи, когда контролируются толщина и обработка, но A572 может иметь превосходную ударную вязкость благодаря более мелкому размеру зерна и механизмам упрочнения осаждением. - Чистый эффект заключается в том, что A572 предлагает лучшее соотношение прочности к весу, позволяя использовать более легкие секции для той же нагрузки.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от содержания углерода, закаливаемости (Mn, легирование) и микроструктуры. Два общих индекса, используемых для оценки свариваемости, это эквивалент углерода IIW и международный Pcm.

Отображение стандартных индексов свариваемости: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Качественная интерпретация (без числовой подстановки) - A36: Умеренное содержание углерода и марганца обеспечивает в целом хорошую свариваемость с обычными процессами и расходными материалами. Предварительный подогрев и контроль температуры между проходами обычно достаточны для тяжелых секций или низких температур. - A572 (HSLA): Поскольку легирование и контролируемый Mn могут быть выше, а микроаллоирующие элементы присутствуют, закаливаемость немного увеличивается. Тем не менее, современные классы A572 разработаны для хорошей свариваемости: углерод контролируется, а уровни микроаллоирования достаточно низки, чтобы большинство процедур сварки конструкций были подходящими. Для более толстых секций, холодных климатов или более высокопрочных классов A572 (например, 55, 60) следует указывать предварительный подогрев, контролируемый тепловой ввод и соответствующие сварочные материалы. - Практическое руководство: оцените $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ для конкретного сертификата завода, чтобы определить потребности в предварительном подогреве и термической обработке после сварки. Для критических сварных соединений или толстых секций выполните квалификацию процедуры (PQR) и рассмотрите возможность проведения испытаний на ударную вязкость.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни A36, ни A572 не являются нержавеющими: обе являются обычными углеродными/HSLA сталями и требуют защиты от коррозии для открытых условий.
• Распространенные методы защиты: горячее цинкование, покраска в цехе или на месте, эпоксидные покрытия, металлизация (цинк/Al) или альтернативы коррозионностойкой стали, когда это уместно.
• Использование индексов нержавеющей стали: PREN (эквивалентный номер сопротивления коррозии) не применим к A36 или A572, поскольку они не являются нержавеющими сталями. Для справки, оценка нержавеющей стали использует: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Практические замечания: легирование A572 не обеспечивает значительной коррозионной стойкости; выбор для коррозионных условий должен основываться на стратегии покрытия и обслуживания, а не на незначительном содержании легирующих элементов.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формуемость и гибкость: A36 обычно используется для гибки, формовки и обработки; его более пластичная прокатанная микроструктура обеспечивает предсказуемое поведение. A572 (класс 50) может быть сформован и согнут, но требует более строгого контроля радиусов изгиба и может потребовать большего допуска на пружинистость из-за более высокой предельной прочности.
• Резка и механическая обработка: обе легко резать стандартными методами (резка, газовая резка, плазменная, лазерная), но A572 может быть немного более жесткой для инструмента; скорости зависят от толщины и теплового ввода.
• Сварка и последующая обработка: A572 часто требует тщательного контроля теплового ввода во время холодной гибки или локального нагрева, чтобы избежать локального упрочнения; однако при правильных процедурах он обрабатывается как A36 для большинства конструкционных приложений.
• Пробивка, сверление: Повышенная прочность в A572 может потребовать больше усилий или специализированного инструмента для изготовления отверстий; износ инструмента может быть выше, чем у A36.

8. Типичные применения

A36 — Типичные применения	A572 (например, класс 50) — Типичные применения
Общие конструкционные формы (уголки, каналы, двутавры) для зданий и оборудования с низкой и средней нагрузкой	Мосты, краны, тяжелые рамы и приложения, где более высокая предельная прочность позволяет использовать более легкие секции
Основания, небольшие и средние плиты и компоненты, где важна чувствительность к стоимости	Изготовленные стальные плиты, где требуются экономия веса, более высокая допустимая нагрузка или большие пролеты
Декоративные конструкционные элементы, некритические сварные сборки	Высокопрочные болтовые и сварные соединения, строительство, где код или проект требуют более высокой предельной прочности
Ремонт и модернизация, где требуется соответствие существующей низкопрочной стали	Рамы тяжелой техники, кузова грузовиков и конструктивные элементы, подверженные циклическим нагрузкам, где требуется улучшенная ударная вязкость

Обоснование выбора - Выбирайте A36, когда стоимость, простота обработки и широкая доступность перевешивают необходимость в высокой предельной прочности. - Выбирайте A572 класс 50 (или выше), когда требуется структурная оптимизация, уменьшение размера элементов или указанные более высокая предельная прочность и ударная вязкость.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: A36 обычно дешевле за тонну, чем A572 класс 50 из-за более простой химии и более широких объемов производства. A572 дороже за единицу веса, но может обеспечить более низкую общую стоимость конструкции за счет уменьшения веса материала.
• Доступность: A36 универсально доступен в широком диапазоне форм, плит и толщин. A572 класс 50 широко доступен, но доступность конкретных толщин, размеров плит и сертификатов завода может варьироваться в зависимости от региона и формы продукта.
• Формы продукта: оба класса распространены в плитах, горячекатаных конструкционных формах и формах, изготовленных на заказ. Время выполнения для A572 может быть дольше для специализированных толщин или строгих допусков.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Атрибут	A36	A572 класс 50
Свариваемость	Хорошая (легко сваривается стандартными процедурами)	Хорошая до Очень хорошей (требует внимания для толстых секций; оцените CE/Pcm)
Прочность–Ударная вязкость	Низкая предельная прочность, приемлемая ударная вязкость; простая обработка	Высокая предельная прочность и обычно лучшая ударная вязкость при обработке; лучшее соотношение прочности к весу
Стоимость	Низкая цена за единицу, очень доступен	Высокая цена за единицу, потенциальная экономия на жизненном цикле за счет уменьшения веса

Заключение и практическое руководство по выбору - Выбирайте A36, если: - Проект приоритизирует наименьшую стоимость материала и простоту обработки. - Структурные требования скромные (проектирование на основе 36 ksi предельной прочности является достаточным). - Широкая доступность, простота сварки без специальных процедур и соответствие существующим низкопрочным частям важны.

• Выбирайте A572 (обычно класс 50), если:
• Требуется более высокая предельная прочность для уменьшения размера секции, снижения веса или соответствия требованиям кодекса.
• Требуется улучшенная ударная вязкость и производительность при усталости/ударе в конструкционном контексте.
• Вы принимаете умеренную надбавку за тонну за материал, который может снизить затраты на обработку или транспортировку и улучшить структурную эффективность.

Последняя практическая заметка: всегда консультируйтесь с сертификатом завода и полными спецификациями ASTM для поставленной партии (включая требования, зависящие от толщины, и любые требования по ударной вязкости Шарпи или дополнительные требования). Для критических сварных конструкций или работы при низких температурах выполните квалификацию сварочной процедуры и запросите конкретный класс A572 и историю термической обработки/обработки в заказе, чтобы механические и ударные свойства соответствовали проектным требованиям.