ABS A против AH36 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

ABS A и AH36 — это два широко используемых класса конструкционной стали для судостроения, с которыми сталкиваются проектировщики, производители и закупочные группы. Инженеры часто выбирают между ними, балансируя стоимость, необходимую прочность, свариваемость и условия эксплуатации (например, плита грузовой палубы, где важна экономия веса, по сравнению с плитой корпуса, где требуются прочность на сжатие и более высокие допустимые напряжения). Основное практическое различие заключается в классе спецификации и минимальной механической производительности: ABS A — это обычная конструкционная (мягкая) судостроительная плита с более низкой минимальной прочностью, в то время как AH36 — это сталь для судостроения с высокой прочностью, с более строгими требованиями к ударной вязкости и обычно используется там, где требуются более высокие допустимые напряжения или более тонкие сечения. Эти классы часто сравниваются, поскольку они занимают соседние позиции в иерархиях судостроительных конструкций и потому, что замена одного на другой влияет на толщину плиты, параметры изготовления и стоимость.

1. Стандарты и обозначения

• ABS A: Обозначение, используемое в правилах Американского бюро судоходства (ABS) и эквивалентных спецификациях судостроения. Сравнимо с общими конструкционными сталями для судов (часто соответствует более старой номенклатуре "Grade A").
• AH36: Сталь для судостроения с высокой прочностью, нормализованная, найденная в правилах ABS и в ASTM A131 как класс AH36. Также упоминается в других классификациях и национальных стандартах для морских сталей.
• Эквивалентные/сопутствующие стандарты:
• ASTM/ASME: ASTM A131 (AH36 — это определенный класс); стали типа "Grade A" представлены в более старых или эквивалентных списках ASTM.
• EN: Европейские стали для судостроения используют обозначения, такие как S355G, S420G и т.д.; AH36 примерно сопоставим по прочности с некоторыми классами S-сталей, но требования к составу/ударной вязкости различаются.
• JIS/GB: Национальные стандарты предоставляют аналогичные классы сталей для судов; точная перекрестная ссылка должна быть проверена в соответствии со спецификацией проекта.
• Классификация сталей:
• Как ABS A, так и AH36 являются углеродно-марганцевыми конструкционными сталями (не нержавеющими, не инструментальными) в семействе HSLA/конструкционных сталей, когда они микроаллоированы; AH36 — это класс конструкционной стали с более высокой прочностью.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица дает типичные пределы состава (в % по массе), часто упоминаемые в спецификациях судостроительных плит ABS/ASTM. Значения являются ориентировочными; точные пределы зависят от издаваемого стандарта, толщины плиты и поставщика.

Примечания: - AH36 часто производится с контролируемой химией и иногда микроаллоированием (Nb, V, Ti) или термомеханической прокаткой для достижения более высокой предела текучести и улучшенной ударной вязкости при меньших толщине. ABS A обычно является простой углеродно-марганцевой конструкционной сталью с меньшим количеством микроаллоидных добавок. - Различия в стратегии легирования: AH36 полагается на контролируемый C и Mn, низкий P/S и либо микроаллоидирование, либо термомеханическую обработку для повышения предела текучести при сохранении ударной вязкости; ABS A акцентирует внимание на экономии и пластичности с менее строгими целями по прочности/ударной вязкости.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

• Типичные микроструктуры:
• ABS A: Плиты в состоянии прокатки или нормализации обычно имеют микроструктуру феррит-перлита с относительно крупной перлитной структурой в более толстых сечениях. Структура поддерживает хорошую пластичность, но ограниченные возможности высокой прочности.
• AH36: В зависимости от обработки (нормализованная, TMCP — термомеханически контролируемая обработка), микроструктура варьируется от тонкого феррит-перлита до тонкого бейнитного или полигонального феррита с дисперсным перлитом и микроаллоидными осадками. TMCP AH36 может демонстрировать мелкозернистый размер и дислокационные структуры, которые увеличивают предел текучести без пропорционального повышения твердости.
• Реакция на термическую обработку:
• Нормализация: Оба класса реагируют на нормализацию с улучшением зерна и ударной вязкости; AH36 получает больше преимуществ, поскольку уменьшение размера зерна непосредственно повышает ударную вязкость при более высокой прочности.
• Закалка и отпуск: Не типично для стандартных судовых плит (дорого и приводит к искажению), но значительно увеличивает прочность и твердость, если применяется.
• Термомеханическая обработка (TMCP): Общая для AH36 — контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение производят мелкозернистые микроструктуры с высокой прочностью при хорошей ударной вязкости. ABS A менее часто производится методом TMCP.
• Практическое значение: Производственный маршрут AH36 акцентирует внимание на балансе прочности и ударной вязкости при низких температурах, в то время как ABS A приоритизирует формуемость и экономию с более простыми прокатными/термическими историями.

4. Механические свойства

Механические свойства ниже являются представительными минимумами и типичными диапазонами согласно общим спецификациям судовых плит; фактические значения зависят от толщины и сертифицирующего стандарта.

Объяснение: - Прочность: AH36 — это более прочный класс (более высокий предел текучести и прочности), что позволяет использовать более тонкие сечения для эквивалентной несущей способности. - Ударная вязкость: AH36 обычно имеет указанные свойства ударной вязкости при низкой температуре (часто при более низких температурах, чем ABS A), поэтому AH36 сохраняет сопротивление разрушению в более холодных условиях эксплуатации, если он изготовлен в соответствии со спецификацией. - Пластичность: ABS A обычно демонстрирует более высокое удлинение из-за более низкого предела текучести и более грубой микроструктуры. - Проектировщики должны учитывать зависимость уменьшения ударной вязкости от толщины; гарантированные свойства обоих классов варьируются в зависимости от толщины плиты.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от химического состава (особенно углерода и Mn), закаляемости и микроаллоидных элементов.

• Меры эквивалента углерода используются для оценки потребностей в предварительном нагреве и термической обработке после сварки. Общая формула: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ Это дает качественную оценку восприимчивости к холодным трещинам, вызванным водородом, и закаляемости.
• Более полная формула Pcm иногда используется для сталей со сложной химией: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Интерпретация:
• ABS A: Более низкая прочность и более простая химия обычно дают более низкие значения эквивалента углерода, что означает более легкую свариваемость с меньшим предварительным нагревом и меньшим риском водородного растрескивания.
• AH36: Более высокая прочность, более строгий контроль химии и возможное микроаллоидирование могут умеренно увеличить CE/Pcm. AH36 все еще хорошо сваривается с соответствующими процедурами (предварительный нагрев, выбор расходных материалов, контролируемый тепловой ввод), но требуется осторожность для более толстых плит и когда максимальная допустимая твердость в HAZ является проблемой.
• Практический совет: Всегда рассчитывайте CE или Pcm для фактического химического анализа и толщины, чтобы установить температуры предварительного нагрева и межпроходные температуры, а также выбрать filler metals, которые соответствуют требованиям по ударной вязкости и прочности.

6. Коррозия и защита поверхности

• Как ABS A, так и AH36 являются углеродно-марганцевыми сталями, не являющимися нержавеющими, и требуют защиты поверхности в морских условиях.
• Типичные стратегии защиты:
• Барьерные покрытия (морские грунтовки, эпоксидные)
• Горячее цинкование для некоторых вторичных конструкций (ограничено для тяжелых плит из-за проблем с размерами/инспекцией)
• Катодная защита (для подводных конструкций)
• Регулярные системы покраски для корпуса и открытых палуб
• Индексы нержавеющей стали: PREN не применим к этим не нержавеющим классам. Для справки, PREN рассчитывается как: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ но имеет смысл только для нержавеющих сплавов, где Cr, Mo, N являются значительными.
• Различия в коррозионной стойкости: Ни один из классов не является по своей природе коррозионно-стойким; немного отличающаяся химия AH36 не изменяет атмосферную коррозионную стойкость по сравнению с ABS A. Выбор для коррозионной службы должен сосредоточиться на покрытии, инспекции и коррозионном запасе в проектировании.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Сгибание и формование:
• ABS A с более низким пределом текучести обычно легче сгибать и формовать с меньшим возвратом и меньшими необходимыми усилиями.
• AH36, из-за более высокого предела текучести, требует больших усилий для формования и имеет увеличенный возврат; требуется осторожное инструментирование и радиусы изгиба.
• Обрабатываемость:
• Обе стали обрабатываемы с использованием стандартных практик обработки углеродной стали. Более высокая прочность AH36 может немного снизить скорости резания или увеличить износ инструмента по сравнению с ABS A.
• Резка и укладка:
• Плазменная, кислородно-газовая резка работают для обеих; более толстый AH36 может требовать более строгого термического контроля, чтобы избежать деградации HAZ.
• Финишная обработка:
• Шлифовка и подготовка поверхности для покрытия следуют аналогичным рабочим процессам; более высокая прочность AH36 не усложняет стандартную финишную обработку поверхности.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Используйте ABS A, когда экономия, формуемость и простота обработки преобладают, и когда требуемые напряжения и окружающая среда не требуют более высокой прочности или сертифицированной ударной вязкости при низкой температуре. - Используйте AH36, когда проектировщики нуждаются в более высокой прочности/тянущей способности, лучшей гарантированной ударной вязкости при низких температурах или когда снижение веса/толщины является целью проектирования.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: AH36 обычно дороже за тонну, чем ABS A из-за более строгого контроля химии, специализированной обработки (TMCP или нормализация) и затрат на сертификацию/тестирование. Однако стоимость за конструкцию может быть выгоднее для AH36, если уменьшение толщины плиты компенсирует более высокую цену за единицу.
• Доступность: Оба класса обычно имеются в наличии в центрах обслуживания стали в виде плит, но доступность конкретных толщин, покрытий или сертифицированных отчетов о испытаниях должна быть подтверждена. AH36 может быть менее доступен в очень больших толщинах или нестандартных размерах плит без предварительного времени.

10. Резюме и рекомендации

Заключение и практические рекомендации: - Выберите ABS A, если: приоритетами проекта являются наименьшая стоимость, легкость формования и сварки, и применение не требует высокой прочности или сертифицированной ударной вязкости при низкой температуре. Пример: вторичная структура, кронштейны или где защита от коррозии и толщина легко управляемы. - Выберите AH36, если: вам нужны более высокие допустимые напряжения, сертифицированная ударная вязкость при низкой температуре или возможность уменьшить толщину плиты для экономии веса или пространства. AH36 является логичным выбором для основной обшивки корпуса, критических конструктивных элементов или конструкций, оптимизированных по весу.

Заключительная заметка: Всегда консультируйтесь с действующей спецификацией проекта и сертификатами испытаний завода/верфи для точных химических и механических требований. Для сварки рассчитывайте $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ на основе фактического анализа завода и применяйте соответствующие процедуры предварительного нагрева и после сварки.