PC1570 против PC1860 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

PC1570 и PC1860 — это два часто встречающихся класса в семействе высокопрочных преднапряженных сталей, используемых для предварительного и постнапряженного натяжения канатов, стержней и прутков. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто взвешивают компромиссы между прочностью, вязкостью, свариваемостью, усталостной прочностью и стоимостью при выборе между ними — например, указывая более высокую номинальную прочность для уменьшения размера сечения против предпочтения продукта с более низкой прочностью, но более пластичного, чтобы облегчить обработку и снизить риск хрупкого разрушения.

Основное техническое различие между этими классами заключается в их проектном намерении для различных уровней прочности на растяжение: один класс нацелен на более низкую заданную предельную прочность и, как правило, большую пластичность и вязкость для данного сечения, в то время как другой нацелен на значительно более высокую заданную предельную прочность (и соответствующую преднапряженную способность), достигаемую за счет более сильного легирования и обработки. Это делает два класса взаимодополняющими выборами в зависимости от структурных требований, схемы преднапряжения, условий усталости/износа и ограничений на изготовление.

1. Стандарты и обозначения

• Общие международные и региональные стандарты, в которых указаны преднапряженные стали и высокопрочная проволока/канаты, включают:
• ASTM/ASME (например, ASTM A416 для стальных канатов, ASTM A722 для высокопрочной стальной проволоки)
• EN (например, EN 10080 для стали для армирования бетона — свариваемая арматурная сталь — и другие стандарты EN для преднапряженных сталей)
• JIS (Японские промышленные стандарты, охватывающие преднапряженные стали)
• GB (национальные китайские стандарты для преднапряженных сталей и проволоки)
• Классификация:
• Оба класса PC1570 и PC1860 являются высокопрочными преднапряженными сталями (специальные углеродные/легированные стали, адаптированные для использования в преднапряжении).
• Они не являются нержавеющими сталями; они относятся к категории высокопрочных углеродных или микроаллоидных сталей для преднапряжения (некоторые варианты подвергаются термомеханической обработке или холодной вытяжке).

2. Химический состав и стратегия легирования

Точный химический анализ зависит от поставщика и применимого стандарта, но философии легирования согласованы: поддерживать низкий/контролируемый углерод для сохранения пластичности и свариваемости, добавляя контролируемые уровни Si и Mn для дегазации и прочности; добавки микроаллоидов (V, Ti, Nb) или небольшие количества Cr/Mo используются в сталях с более высокой прочностью для увеличения закаливаемости, сопротивления отпуску и прочности без чрезмерного увеличения углерода.

Элемент	Типичная роль / присутствие в PC1570	Типичная роль / присутствие в PC1860
C (Углерод)	Контролируемый, относительно низкий до умеренного для сохранения пластичности и усталостной прочности	Немного более высокий контроль или сопоставимый; необходим строгий контроль для достижения более высокой прочности на растяжение с приемлемой вязкостью
Mn (Марганец)	Укрепление и дегазация; умеренные уровни	Схожий или умеренно более высокий для улучшения закаливаемости
Si (Кремний)	Дегазация и вклад в прочность; поддерживается под контролем	Контролируемый, иногда немного выше для прочности
P (Фосфор)	Содержится в минимальном количестве; вреден для вязкости	Содержится минимально
S (Сера)	Содержится минимально; влияет на обрабатываемость и включения	Содержится минимально
Cr (Хром)	Обычно низкий или отсутствует; некоторые классы могут включать небольшое количество Cr для закаливаемости	Может присутствовать в небольших количествах в вариантах с более высокой прочностью
Ni (Никель)	Не типично; используется только в специальных химических составах	Редко; возможны небольшие добавки в специальных сталях
Mo (Молибден)	Редко, но может использоваться в небольших количествах для сопротивления отпуску	Может использоваться в следовых количествах для высокопрочных вариантов
V, Nb, Ti (Микроаллоидные элементы)	Часто присутствуют в следовых количествах для улучшения зерна и прочности	Скорее всего, или немного более высокие добавки для обеспечения большей прочности за счет упрочнения осаждением
B (Бор)	Если используется, на уровне ppm для улучшения закаливаемости	Может использоваться в ppm для помощи закаливаемости в высокопрочных классах
N (Азот)	Контролируется на низких уровнях, чтобы избежать хрупкости	Контролируется низко

Примечания: - Поставщики будут публиковать точные химические пределы для каждого продукта. Таблица выше обобщает функциональные стратегии, а не фиксированные составы. - Более высокие классы с номинальной прочностью обычно больше полагаются на контролируемое микроаллоидирование и обработку для достижения прочности без чрезмерного углерода.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

• Типичные микроструктуры зависят от маршрута производства:
• Холодно вытянутые преднапряженные проволоки исторически развивают сильно вытянутую перлитную или закаленную микроструктуру с мелким межслоистым расстоянием, что поддерживает высокую прочность на растяжение и усталостную прочность.
• Термомеханически обработанные прутки или закаленные и отпущенные продукты развивают мелкозернистые bainitic или закаленные мартенситные структуры с упрочнением от микроаллоидных элементов.
• PC1570 (более низкая номинальная прочность):
• Более легко достигает требуемых свойств за счет контролируемой холодной вытяжки и отпуска или за счет циклов закалки/отпуска низкой интенсивности, которые сохраняют относительно более пластичные микросоставляющие.
• Обладает благоприятным балансом феррит/перлит или закаленный мартенсит/байнит с хорошей вязкостью.
• PC1860 (более высокая номинальная прочность):
• Требует более сильной закаливаемости и/или более жесткой деформации для достижения более высокого уровня прочности на растяжение; микроструктура часто показывает более мелкий байнит или закаленный мартенсит и более высокую плотность дислокаций плюс упрочнение осаждением.
• Термообработки (например, закалка + отпуск или контролируемое охлаждение) оптимизируются для достижения высокой предельной прочности при сохранении требуемой удлинения и усталостной прочности.
• Эффект обработки:
• Нормализация улучшает однородность и вязкость за счет уточнения размера зерна.
• Закалка и отпуск повышают прочность и могут быть настроены для оптимизации компромисса между прочностью и вязкостью.
• Термомеханическая контролируемая обработка (TMCP) может производить мелкозернистые микроструктуры, которые улучшают как прочность, так и вязкость для высокопрочных вариантов.

4. Механические свойства

Количественные значения различаются в зависимости от стандарта и поставщика; таблица ниже подчеркивает относительное поведение и то, чего должны ожидать инженеры.

Свойство	PC1570	PC1860
Прочность на растяжение (предельная)	Нижняя номинальная категория — предназначена для высокой прочности, но ниже, чем у более высококлассного аналога	Более высокая номинальная категория — предназначена для значительно большей предельной прочности и преднапряженной способности
Прочность на текучесть (или пробная)	Как правило, ниже; обеспечивает больший пластический запас	Более высокие уровни прочности на текучесть/пробной для поддержки более высоких преднапряженных сил
Удлинение (пластичность)	Как правило, более высокая пластичность (большее удлинение) для того же сечения	Сниженное удлинение по сравнению с PC1570 на том же уровне прочности; все еще контролируется для соответствия требованиям по пластичности
Ударная вязкость	Как правило, лучшая вязкость, особенно при низких температурах, если легирование консервативное	Вязкость может быть ниже, если прочность является приоритетом; контролируемое легирование и обработка смягчают хрупкость
Твердость	Низкая до умеренной твердости	Более высокая твердость, отражающая более высокую прочность на растяжение

Интерпретация: - PC1860 достигает более высоких прочностей на растяжение и пробные, но обычно жертвует некоторой пластичностью и может иметь более высокую твердость и низкую измеренную ударную энергию, если легирование и отпуск не контролируются тщательно. - Выбор должен учитывать, требует ли структурный дизайн максимального преднапряжения на канат (предпочтение PC1860) или лучшей пластичности/вязкости и запаса при обработке (предпочтение PC1570).

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от углеродного эквивалента/закаливаемости и наличия микроаллоидных элементов. Для оценки инженеры часто используют индексы, такие как:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

и

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

Качественная интерпретация: - PC1570: Из-за обычно более низких требований к закаливаемости и консервативного микроаллоидирования, он, как правило, демонстрирует лучшую внутреннюю свариваемость и меньшую предрасположенность к холодным трещинам, чем более высокопрочные варианты. Предварительный подогрев и контролируемые температуры межпроходной сварки все еще часто требуются для толстых сечений. - PC1860: Более высокая закаливаемость (из-за легирования или более высокого углеродного эквивалента) увеличивает уязвимость к жестким, хрупким микроструктурам HAZ и холодным трещинам, вызванным водородом. Процедуры сварки обычно требуют более строгого контроля предварительного/последующего подогрева и контроля водорода. Для большинства приложений преднапряжения прямая сварка проволоки или канатов ограничена, и указываются механические соединения или одобренные методы сварки/соединения. - Практическая заметка: Для канатов сварка/соединение часто избегается в зоне преднапряжения, если это не квалифицировано явно; механические соединители или заводские сварные окончания более распространены.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни PC1570, ни PC1860 не являются нержавеющими сталями; коррозионная стойкость ограничена и зависит от состояния поверхности, покрытий и окружающей среды.
• Типичные защиты:
• Горячее цинкование для прутков/канатов, где приемлема жертвенная защита.
• Эпоксидное покрытие, полимерная оболочка или смазка/смазанные каналы для канатов, используемых в внешней, полувыставленной или агрессивной среде.
• Физическая инкапсуляция (инъекция/заполнение) является стандартной практикой в преднапряженных бетонных канатах.
• PREN (эквивалентный номер сопротивления к коррозии) является индексом нержавеющей стали и, как правило, не применим к ненержавеющим преднапряженным сталям. Для справки:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

но этот индекс актуален только для нержавеющих сплавов, которые намеренно включают Cr, Mo и N в значительных количествах.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость:
• Высокопрочные классы (PC1860) имеют тенденцию быть более твердыми и абразивными для инструмента; скорости резания и срок службы инструмента должны быть скорректированы.
• PC1570 легче обрабатывать и формовать из-за более низкой твердости.
• Формуемость и изгиб:
• Пластичность определяет допустимые радиусы изгиба и процессы холодной формовки; PC1570 обычно будет терпеть более узкие изгибы и холодную формовку с меньшим риском трещин.
• PC1860 может требовать больших радиусов изгиба, контролируемых термообработок или специализированных процессов формовки.
• Обработка поверхности:
• Стали с более высокой твердостью могут развивать микротрещины во время агрессивных операций финишной обработки; контроль шлифовки и дробеструйной обработки важен.
• Установка и обработка:
• Более высокие уровни преднапряжения в PC1860 накладывают более строгие требования к обработке, анкерованию и натяжному оборудованию из-за более высокой запасенной упругой энергии и риска во время катастрофического разрушения.

8. Типичные применения

PC1570 — Типичные применения	PC1860 — Типичные применения
Общие преднапряженные бетонные элементы, где требуется умеренное или высокое преднапряжение вместе с легкостью установки и улучшенной вязкостью (например, сборные балки, плиты, меньшие канаты)	Канаты высокой нагрузки, где требуется максимальное преднапряжение на канат для минимизации размера сечения, или для мостов с длинными пролетами/высокой нагрузкой, постнапряжения тяжелых плит и специализированных приложений
Элементы, где приоритетом являются усталостная прочность и пластичность (мосты с множеством циклов нагрузки)	Применения, где пространство или количество каналов должны быть минимизированы, и более высокая пробная прочность на пруток экономически выгодна
Ситуации с более сложным полевым изготовлением, где более высокая свариваемость/формуемость полезна	Заводские высокопрочные элементы и соединители, где более высокая прочность компенсирует снижение пластичности

Обоснование выбора: - Выберите класс, баланс преднапряженной способности и пластичности которого соответствует структурным требованиям, расстоянию между канатами и ограничениям на строительство. Учитывайте долговечность и стратегию защиты от коррозии как сопутствующий фактор.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость:
• PC1860, как правило, дороже за единицу массы из-за дополнительного легирования, более требовательной обработки и более строгого контроля качества.
• PC1570 обычно дешевле и широко производится в обычных формах продуктов (проволока, канат, пруток).
• Доступность по форме продукта:
• Оба класса обычно доступны в виде проволоки и канатов; более высокие классы могут чаще встречаться в определенных формах продуктов (например, специально изготовленные высокопрочные канаты, прутки или холодно вытянутая проволока) и могут иметь более длительные сроки поставки для больших количеств или специальных покрытий.
• Советы по закупкам:
• Рекомендуется раннее взаимодействие с поставщиками для PC1860, чтобы подтвердить сроки поставки, маршрут термообработки и обеспечение качества по усталостной прочности и прочности на разрыв, особенно для крупных проектов.

10. Резюме и рекомендации

Критерий	PC1570	PC1860
Свариваемость	Лучше (низкий CE, легче сваривать с обычными предосторожностями)	Более сложная (высокий CE/закаливаемость; необходимы более строгие контроли)
Баланс прочности и вязкости	Более пластичный, лучшая вязкость для многих приложений	Более высокая прочность, но требует тщательной обработки для сохранения вязкости
Стоимость	Ниже	Выше

Рекомендация: - Выберите PC1570, если: - Проект приоритизирует пластичность, вязкость, усталостную прочность и более легкую обработку или полевую обработку; где умеренность преднапряжения на канат приемлема; и когда стоимость или быстрая доступность важны. - Выберите PC1860, если: - Дизайн требует максимальной преднапряженной способности на канат для минимизации количества канатов или размера сечения, и проект может учитывать более строгие контроли сварки/спецификации, потенциально более высокую стоимость материала и тщательную квалификацию поставщика по термообработке и прочности.

Заключительная инженерная заметка: Всегда подтверждайте точные химические и механические пределы с поставщиком или регулирующей спецификацией, просматривайте квалифицированные процедуры сварки и спlicing, и проверяйте усталостную и критическую прочность на разрыв путем тестирования или данных поставщика для выбранного производственного маршрута.