S275 против S355 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

S275 и S355 — это два широко используемых европейских конструкционных стали, указанные в EN 10025. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто взвешивают компромиссы между стоимостью, прочностью, свариваемостью и требованиями к обработке при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают: минимизацию веса при сохранении запасов прочности (предпочтение более высокой прочности), балансировку легкости обработки и рисков сварки (предпочтение более низким углеродным эквивалентам) и управление стоимостью компонентов и доступностью.

Основное техническое различие заключается в том, что S355 имеет более высокую минимальную предел прочности текучести, чем S275, и многие подгруппы S355 включают микроалюминирование или более строгие требования к ударной вязкости, что вместе влияет на обработку и выбор. Поскольку обе стали являются низколегированными/HSLA конструкционными сталями с аналогичными химическими диапазонами, их часто сравнивают для балок, плит, секций и сварных конструкций, где необходимо сбалансировать структурную производительность, ударную вязкость и стоимость.

1. Стандарты и обозначения

• EN: Семейство EN 10025 — S275 и S355 являются европейскими марками конструкционной стали (например, S275JR, S355J0, S355J2).
• ASTM/ASME: Нет прямого эквивалента ASTM; аналогичные роли выполняют ASTM A36 (низкая прочность) или ASTM A572 (высокопрочные низколегированные).
• JIS: Японские стандарты не имеют прямого соответствия, но имеют углеродные стали/конструкционные стали с аналогичными свойствами.
• GB (Китай): Марки конструкционной стали GB/T имеют сопоставимые классы; обращайтесь к конкретным сертификатам материалов, а не предполагайте эквивалентность.
• Классификация: Как S275, так и S355 считаются углеродно-марганцевыми конструкционными сталями в рамках семейства HSLA (высокопрочные низколегированные), когда они микроалюминированы; они не являются нержавеющими, инструментальными или высоколегированными сталями.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица показывает типичные диапазоны состава для обычно поставляемых марок S275 и S355. Это ориентировочные диапазоны; точные химические пределы зависят от конкретной подгруппы EN 10025 и сертификата производителя. Всегда проверяйте сертификаты завода для расчетов проектирования.

Элемент	Типичный S275 (вт%)	Типичный S355 (вт%)
C (Углерод)	0.10 – 0.20	0.12 – 0.22
Mn (Марганец)	0.60 – 1.50	0.60 – 1.70
Si (Кремний)	≤ 0.55 (обычно 0.10–0.35)	≤ 0.55 (обычно 0.10–0.35)
P (Фосфор)	≤ 0.035 (макс. указано)	≤ 0.035 (макс. указано)
S (Сера)	≤ 0.035 (макс. указано)	≤ 0.035 (макс. указано)
Cr (Хром)	следы – не указано	следы – иногда присутствует
Ni (Никель)	следы – не указано	следы – иногда присутствует
Mo (Молибден)	следы, если есть	следы, если есть
V (Ванадий)	обычно нет; некоторые микроалюминированные марки содержат V	может содержать V в микроалюминированных вариантах
Nb (Ниобий / Cb)	обычно нет	часто присутствует в контролируемых количествах для некоторых вариантов S355
Ti (Титан)	опционально присутствует как деоксидант	опционально присутствует в микроалюминированном материале
B (Бор)	обычно не используется	редко используется в конструкционных марках
N (Азот)	низкий, контролируемый	низкий, контролируемый

Как легирование влияет на поведение: - Углерод и марганец в первую очередь контролируют базовую прочность и закаляемость; более высокий C и Mn увеличивают прочность, но снижают свариваемость и формуемость. - Кремний и небольшие добавки Cr, Ni, Mo могут немного увеличить прочность и закаляемость. - Элементы микроалюминирования (Nb, V, Ti) обеспечивают более высокую прочность за счет упрочнения осаждением и упрочнения зерна без значительного увеличения углерода — полезно для вариантов S355 для достижения 355 МПа предела текучести при сохранении свариваемости и ударной вязкости. - Фосфор и сера поддерживаются на низком уровне для сохранения ударной вязкости и свариваемости.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - Прокат S275: преимущественно феррит с полигональным ферритом и некоторым перлитом в зависимости от скорости охлаждения и содержания углерода. Размер зерна и морфология феррита контролируются термомеханической прокаткой. - Прокат S355: феррит-перлит с более мелким размером зерна феррита в микроалюминированных вариантах; осаждение карбидов-нитридов (NbC, VC) в микроалюминированных марках усиливает за счет затруднения движения дислокаций.

Реакция на термообработку: - Нормализация: Обе марки реагируют на нормализацию с умеренным упрочнением зерна и немного большей прочностью и ударной вязкостью; используется редко для крупных конструкционных секций. - Закалка и отпуск: Не типично для стандартных поставок S275/S355; может быть применено к специально термообработанным вариантам, но выходит за рамки нормальной практики EN 10025. - Термомеханическая контрольная обработка (TMCP): Распространена для S355 для получения более высокого предела текучести и улучшенной ударной вязкости без высокого углерода. TMCP дает более мелкие зерна и благоприятный баланс прочности и пластичности.

Эффект маршрутов обработки: - Микроалюминированный/TMCP материал S355 достигает более высокого предела текучести с минимальными жертвами для свариваемости и ударной вязкости по сравнению с простым увеличением углерода. - S275, как правило, более терпим к холодной формовке и менее требователен к предварительному нагреву сварки из-за более низкой прочности и часто более низкого углеродного эквивалента.

4. Механические свойства

Ниже приведены представительные диапазоны механических свойств. Значения зависят от подгруппы (JR, J0, J2), толщины и обработки; рассматривайте диапазоны как ориентировочные и проверяйте по предоставленным сертификатам испытаний завода.

Свойство	S275 (типичный)	S355 (типичный)
Предел текучести (МПа, мин)	275	355
Удлинение (МПа)	410 – 560	470 – 630
Удлинение (%)	20 – 25 (зависит от толщины)	18 – 22 (зависит от толщины)
Ударная вязкость (Charpy V, Дж)	JR: 27 Дж при +20°C; варианты J0/J2 для более низких температур	JR/J0/J2 доступны: например, 27 Дж при +20°C (JR) или 27 Дж при 0°C / −20°C (J0/J2) в зависимости от подгруппы
Твердость (HBW, типичная)	~120 – 180 (варьируется)	~140 – 200 (варьируется)

Интерпретация: - Прочность: S355 является более прочной маркой по дизайну (более высокий указанный предел текучести и более высокие диапазоны прочности). - Ударная вязкость: Обе марки могут быть поставлены с аналогичными рейтингами ударной энергии, выбирая соответствующие подгруппы (например, JR против J0/J2). Толщина и термообработка определяют производительность ударной вязкости. - Пластичность: S275, как правило, показывает немного большее удлинение, что делает его немного более прощенным в операциях формовки. - Твердость коррелирует с прочностью; S355, как правило, имеет более высокую твердость, что влияет на обработку и износ инструмента.

5. Свариваемость

Свариваемость в первую очередь определяется содержанием углерода и углеродным эквивалентом (закаляемостью). Микроалюминирование и остаточные элементы также имеют значение.

Общие индексы свариваемости: - Международный институт сварки углеродный эквивалент: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Практический параметр Международного института сварки: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - S355, как правило, имеет немного более высокий углеродный эквивалент, чем S275 из-за более высокого углерода и возможных добавок микроалюминирования; это увеличивает склонность к зонам закалки, вызванным сваркой, и водородным трещинам, если не управлять. - Микроалюминированные марки S355 часто полагаются на низкий углерод плюс добавки Nb/V/Ti; это дает более высокую прочность с относительно контролируемым CE, смягчая чрезмерный предварительный нагрев сварки по сравнению с высокоуглеродными сталями. - Практическое руководство: для более толстых секций или при эксплуатации при низких температурах применяйте предварительный нагрев и контролируемые температуры межпрохода в соответствии с оценкой CE или Pcm; используйте соответствующие расходные материалы и термообработку после сварки, если это необходимо.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни S275, ни S355 не являются нержавеющими сталями; общая коррозионная стойкость аналогична и ограничена базовой стойкостью, типичной для обычных углеродно-марганцевых сталей.
• Типичные стратегии защиты:
• Горячее цинкование для защиты от атмосферной коррозии (распространено для конструкционных элементов).
• Системы покраски (грунт + верхнее покрытие) для архитектурных и морских конструкций.
• Металлизация, полимерные покрытия или жертвенные аноды для агрессивных сред.
• Индексы нержавеющих сталей (PREN) не применимы для S275/S355, так как они не являются нержавеющими сталями: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Эта формула имеет смысл только для нержавеющих сплавов, содержащих значительное количество Cr/Mo/N.

Когда рассматривать другие материалы: - Для сред, богатых хлоридами или химически агрессивных, рассмотрите коррозионно-стойкие сплавы, а не полагайтесь только на покрытия.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка: Плазменная, кислородно-газовая и лазерная резка являются обычными. Более высокая прочность S355 может потребовать немного больших энергий резки и большего внимания к свойствам зоны термического влияния (HAZ).
• Формование/гиб: S275, с более низким пределом текучести и несколько большим удлинением, обычно легче холодно формовать и может терпеть меньшие радиусы изгиба. S355 требует больших радиусов изгиба или предварительного нагрева для жестких геометрий, чтобы избежать трещин.
• Обрабатываемость: Обе марки не считаются свободно обрабатываемыми сталями; более высокая прочность и твердость в S355 могут увеличить износ инструмента и снизить достигаемые скорости подачи. Используйте соответствующие инструменты, скорости и охлаждающую жидкость.
• Финишная обработка: Обработка поверхности, выпрямление и практики снятия напряжений следуют стандартным процедурам для конструкционных сталей. Для сварных сборок учитывайте контроль деформации больше в S355 из-за более высоких напряжений сжатия.

8. Типичные применения

S275 – Типичные применения	S355 – Типичные применения
Легкие конструкционные секции, вторичные балки, стропила, кронштейны, общая обработка, где достаточна умеренная прочность и критична стоимость	Главные балки, тяжелые конструкционные элементы, компоненты мостов, морские конструкции, рельсы кранов с высоким грузом, где важны более высокий предел текучести и уменьшенная толщина сечения (экономия веса)
Архитектурные стальные конструкции, пешеходные мостики, платформы, опоры фасадов	Каркас с высоким грузом, тяжелая плита, конструкционные компоненты, требующие более высокого проектного напряжения или уменьшенной толщины
Общие сварные конструкции с частым формованием	Конструкции, где приоритетом являются высокая ударная вязкость при низких температурах и более высокая прочность на единицу веса

Обоснование выбора: - Выбирайте S275, когда приемлемы более низкая стоимость, легкость формовки/сварки и более толстые допустимые сечения. - Выбирайте S355, когда более высокая прочность позволяет уменьшить толщину сечений и вес, или когда проектные нормы требуют минимальных значений предела текучести.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: S355, как правило, имеет надбавку по сравнению с S275 из-за более высокого контроля легирования и дополнительной обработки (TMCP, микроалюминирование, испытания). Надбавка варьируется в зависимости от рыночных условий и формы продукта.
• Доступность: Обе марки широко доступны в виде плит, листов, прокатных секций и конструкционных профилей. S355 может быть немного более распространен для тяжелых плит и высокопрочных конструкционных применений; S275 часто используется для более легких конструкционных секций.
• Сроки поставки: Специальные подгруппы (например, конкретные рейтинги ударной вязкости, толщины или микроалюминированные варианты) могут увеличить сроки поставки; рекомендуется ранняя спецификация и коммуникация с поставщиком.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное):

Атрибут	S275	S355
Свариваемость	Хорошая (низкий CE)	Хорошая–Умеренная (высокий потенциал CE; микроалюминирование помогает)
Баланс прочности и ударной вязкости	Умеренная прочность; хорошая пластичность	Более высокая прочность; может поддерживать хорошую ударную вязкость с правильной подгруппой
Стоимость	Ниже	Выше (надбавка за более высокую прочность)

Рекомендация: - Выбирайте S275, если вам нужна экономически эффективная, легко формуемая и свариваемая конструкционная сталь для применений, где предел текучести 275 МПа достаточен, где простота обработки и меньший износ резки/инструмента являются приоритетами, и когда снижение веса не является основной целью. - Выбирайте S355, если ваш проект требует более высокого предела текучести для уменьшения толщины сечения или веса, или где требуются более высокие проектные напряжения и улучшенная ударная вязкость (с использованием соответствующих подгрупп). Используйте S355, когда программа может учесть немного более высокую стоимость материала, более строгий контроль сварки (предварительный нагрев/межпроход), и потенциально увеличенные усилия по обработке.

Заключительные заметки: - Всегда указывайте точную подгруппу EN 10025 (например, JR, J0, J2 или условия N/T) и пределы толщины в документах на закупку. - Запрашивайте сертификаты испытаний завода и подтверждайте химический состав и механические свойства для расчетов проектирования, спецификаций сварочных процедур (WPS) и планирования обработки. - Для критически важных сварных конструкций или эксплуатации при низких температурах оцените углеродный эквивалент, используя $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$, и применяйте предварительный нагрев или PWHT, как указано в сварочных кодах и стандартах.