S355 против S460 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
S355 и S460 — это два широко используемых конструкционных стали в спецификациях серии EN 10025. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с дилеммой выбора между стальными материалами с низкой стоимостью и легкостью обработки и более прочными материалами, которые позволяют создавать более легкие конструкции или уменьшенные размеры сечений. Типичные компромиссы включают свариваемость против прочности, легкость обработки против экономии веса и доступную ударную вязкость при проектных температурах.
Основное техническое отличие заключается в том, что S460 обеспечивает более высокую минимальную предел текучести, чем S355, достигаемую за счет контроля состава и термомеханической обработки или микроаллоирования. Поскольку их химическая основа и варианты обработки пересекаются, эти марки часто сравниваются при оптимизации структурной эффективности, сварочных процедур и затрат на весь срок службы.
1. Стандарты и обозначения
- EN: Как S355, так и S460 указаны в EN 10025 (например, EN 10025‑2 для не легированных конструкционных сталей). Варианты включают суффиксы для ударных свойств (JR, J0, J2) и для обработки (M = термомеханически прокатанные, N = нормализованные).
- ISO: Эквивалентные обозначения могут встречаться в списках конструкционных сталей ISO, но названия EN наиболее распространены в Европе.
- ASTM/ASME: Эти стали не являются прямыми аналогами марок ASTM (ASTM использует другую химию и номенклатуру); выбор между сталями EN и ASTM требует сравнения свойств, а не прямой замены названий.
- JIS/GB: Японские (JIS) и китайские (GB) стандарты имеют свои собственные марки конструкционных сталей; используются таблицы перекрестных ссылок для взаимозаменяемости.
- Классификация: Как S355, так и S460 являются конструкционными сталями типа HSLA (высокопрочные низколегированные) — нелегированные углеродомарганцевые стали, которые могут включать микроаллоирующие элементы (Nb, V, Ti) для прочности и вязкости. Это не легированные инструментальные стали или нержавеющие стали.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | Типичный S355 (варианты EN 10025) | Типичный S460 (варианты EN 10025) |
|---|---|---|
| C (макс) | ~0.20–0.24 мас.% (варьируется по варианту) | ~0.16–0.22 мас.% (варьируется по варианту) |
| Mn (тип.) | ≤1.60 мас.% | ≤1.60 мас.% |
| Si (макс) | ≤0.55 мас.% | ≤0.55 мас.% |
| P (макс) | ≤0.035 мас.% | ≤0.035 мас.% |
| S (макс) | ≤0.035 мас.% | ≤0.035 мас.% |
| Cr | следы до низкого (не обязательно) | следы до низкого |
| Ni | следы до низкого | следы до низкого |
| Mo | следы до низкого | следы до низкого |
| V (микроаллоирующий) | может присутствовать в микроаллоированных вариантах | часто используется в микроаллоированных марках |
| Nb (микроаллоирующий) | может присутствовать | обычно используется в вариантах S460M/N |
| Ti (микроаллоирующий) | иногда присутствует | иногда присутствует |
| B (уровень ppm) | возможно в микроаллоированных вариантах | возможно в микроаллоированных вариантах |
| N (контролируемый) | контролируется для вязкости | контролируется для вязкости |
Примечания: - Значения являются ориентировочными диапазонами. Точные пределы зависят от подкатегории EN 10025 (например, S355JR, S355J0, S355J2, S460M, S460N) и сертификатов производителя. - S460 обычно достигает более высокой предела текучести за счет термомеханической прокатки (TMCP) и микроаллоирования (Nb, V, Ti), а не за счет значительного увеличения углерода. - Стратегия легирования: поддерживать низкий углерод и контролируемый фосфор/сера для свариваемости и вязкости; добавлять микроаллоирующие элементы для уточнения размера зерна и повышения прочности без ущерба для свариваемости.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод: увеличивает прочность и закаливаемость, но снижает свариваемость и вязкость при избытке. - Марганец: способствует прочности и закаливаемости; в контролируемых количествах поддерживает дегазацию и вязкость. - Si: дегазатор; умеренные уровни помогают прочности, но могут повлиять на вязкость. - Nb, V, Ti: микроаллоирующие элементы, которые обеспечивают более высокую прочность за счет уточнения зерна и осаждения с минимальным негативным эффектом на свариваемость при низких концентрациях. - Mo, Cr, Ni: не являются основными в этих марках, но могут повлиять на закаливаемость и коррозионную стойкость, если присутствуют.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - S355 (как прокатанный/нормализованный): микроструктура феррит–перлит с относительно крупными зернами в обычных прокатанных условиях; вязкость улучшается нормализацией. - S460 (TMCP или нормализованный): феррит с более мелким зерном с контролируемым количеством бейнита/закаленного мартенсита в некоторых термомеханически прокатанных продуктах; осадки микроаллоиров улучшают размер зерна и добавляют прочность.
Эффект маршрутов обработки: - Нормализация: повторный нагрев и воздушное охлаждение уточняют размер зерна и улучшают вязкость для обеих марок; варианты S460 с "N" нормализованы для гарантии согласованных свойств. - Термомеханическая контрольная обработка (TMCP): широко используется для S460M для достижения более высокой прочности при более низких углеродных эквивалентах — производит мелкий, высокопрочный феррит/матрицу с улучшенной вязкостью. - Закалка и отпуск: не типичны для стандартных конструкционных марок S355/S460 (они поставляются как прокатанные или нормализованные); закалка и отпуск — это другой маршрут, используемый для высокопрочных, закаленных легированных сталей и существенно изменил бы свойства за пределами спецификаций EN.
4. Механические свойства
| Свойство | S355 (типичный) | S460 (типичный) |
|---|---|---|
| Минимальная предел текучести (Rp0.2) | ~355 МПа (плоские изделия по EN 10025) | ~460 МПа |
| Прочность на разрыв (Rm) | ~470–630 МПа (в зависимости от варианта и толщины) | ~510–680 МПа (в зависимости от варианта и толщины) |
| Удлинение (A, % мин) | ~20–22% (в зависимости от толщины; ниже с увеличением толщины) | ~14–20% (в зависимости от толщины и варианта) |
| Ударная вязкость (Charpy V) | Указывается по варианту (например, 27 Дж при +20°C / 0°C / −20°C в зависимости от JR/J0/J2) | Часто указывается для низких температур (варианты обеспечивают эквивалентную или улучшенную вязкость при проектной температуре) |
| Твердость (типичная, без термообработки) | Низкая–умеренная (в зависимости от структуры; обычно в нижнем диапазоне твердости для конструкционных сталей) | Умеренная (более высокая прочность обычно приводит к несколько более высокой твердости) |
Интерпретация: - S460 является более прочной маркой по пределу текучести и часто по прочности на разрыв; увеличение прочности достигается в основном за счет микроаллоирования и TMCP, а не за счет значительного увеличения углерода. - S355, как правило, немного более пластична (большее удлинение) в многих сравнениях продуктов/вариантов из-за более низкого требования к пределу текучести. - Вязкость зависит от варианта; обе марки могут быть указаны с требованиями к ударной вязкости, соответствующими для работы при низких температурах. S460 спроектирован для сохранения вязкости на более высоких уровнях прочности за счет контролируемой обработки.
5. Свариваемость
Соображения по свариваемости зависят от содержания углерода, углеродного эквивалента и микроаллоирования. Общие предсказательные формулы включают:
-
Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Более глобальный параметр ($P_{cm}$) для предрасположенности к трещинам при сварке: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Как S355, так и S460 обычно считаются свариваемыми при соответствующем предварительном нагреве, контроле температуры между проходами и соответствующих filler materials. S460, из-за более высокой закаливаемости от микроаллоирования и немного более высокой прочности, может требовать более контролируемых сварочных процедур (более низкие пределы теплового ввода, более высокий предварительный нагрев или термообработка после сварки в некоторых случаях), чем S355, чтобы избежать холодных трещин. - Углеродные эквиваленты для типичных вариантов EN S355 и S460 обычно низкие до умеренных по сравнению с закаленными легированными сталями, но варианты S460M/N могут иметь более высокий CE из-за добавок Nb/V. Всегда рассчитывайте CE или $P_{cm}$ для химии и толщины производителя, чтобы определить предварительный нагрев и выбор расходных материалов.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни S355, ни S460 не являются нержавеющими сталями; им не хватает значительного количества хрома или никеля для формирования пассивной пленки. Поэтому защита от коррозии осуществляется за счет покрытий и проектирования:
- Горячее цинкование, цинкосодержащие грунтовки плюс лакокрасочные системы, металлизация или коррозионно-стойкие покрытия являются обычными.
- Проектирование для дренажа, избегание трещин и использование жертвенных покрытий, где это уместно.
- PREN (эквивалентный номер сопротивления к коррозии) не применим к нелегированным конструкционным сталям, но для справки: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс имеет значение для нержавеющих сплавов и не имеет смысла для S355/S460.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Резка: Плазменная, кислородно-газовая, лазерная и водоструйная резка являются стандартными для обеих марок. Более прочный S460 может показывать немного более высокий износ инструмента и пружинение при резке из-за более высокой твердости.
- Гибка/формование: S355 легче холодно формовать и гнуть из-за более низкого предела текучести; S460 требует более высоких сил формования и более строгого контроля пружинистости. Ограничения формования зависят от толщины, термообработки и варианта.
- Обрабатываемость: Обе марки являются стандартными углеродными/микроаллоированными сталями; обрабатываемость обычно умеренная. Более высокая прочность S460 и осадки микроаллоиров могут немного снизить обрабатываемость и увеличить износ режущих инструментов.
- Финишная обработка: Поверхностные обработки (пескоструйная обработка, покраска, горячее цинкование) схожи для обеих марок; предварительный нагрев и соображения по снятию напряжений для сварных сборок различаются в зависимости от марки.
8. Типичные применения
| S355 — Типичные применения | S460 — Типичные применения |
|---|---|
| Строительные конструкции (балки, колонны), где достаточно стандартной прочности | Мосты и конструкции с большим пролетом, где более высокая прочность уменьшает размер сечения |
| Общие конструкционные компоненты, рамы и платформы | Рамы тяжелой техники с требованиями к экономии веса |
| Сварные стальные здания и вторичные стальные конструкции | Высокопроизводительные конструкционные элементы в морских/наземных стальных конструкциях, где критично соотношение прочности и веса |
| Изготовленные секции, плиты и профили для умеренных нагрузок | Краны, крупные сварные конструкции и конструкции, где желательно уменьшение толщины материала |
Обоснование выбора: - Выбирайте S355, когда приоритетами являются простота обработки, широкая доступность и более низкая стоимость материала. Это часто является стандартом для строительных конструкций и общей обработки. - Выбирайте S460, когда проект выигрывает от более высокой предела текучести — например, для уменьшения размера элементов, соблюдения более строгих требований к прогибу или устойчивости к изгибу, или для экономии веса в системах с ограниченной транспортировкой — при условии, что реализованы контроль сварки и обработки.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: S460, как правило, дороже за тонну, чем S355 из-за более строгих контролей обработки (TMCP/нормализация), потенциального содержания микроаллоиров и более низких объемов производства. Ценовой премиум варьируется в зависимости от рынка, формы продукта и толщины.
- Доступность: S355 имеет более широкую доступность в плитах, горячекатаных секциях и конструкционных формах. S460 широко доступен для плит и конструкционных секций, но может иметь более длительные сроки поставки для конкретных толщин, уровней обработки или ударных вариантов.
- Эффект формы продукта: Плиты и рулоны с сертифицированными свойствами S460M/N могут быть более ограничены в поставках, чем стандартные S355; закупка должна учитывать время поставки и квалификацию поставщика.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | S355 | S460 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая (стандартные процедуры) | Хорошая до умеренной (может потребовать более строгих контролей) |
| Баланс прочности и вязкости | Умеренная прочность с хорошей пластичностью | Более высокая прочность с инженерной вязкостью через TMCP |
| Стоимость | Ниже | Выше (премия за более высокую прочность/обработку) |
Выбирайте S355, если: - Простота обработки, широкая доступность и более низкая стоимость материала являются приоритетами. - Проектные нагрузки и ограничения по весу могут быть выполнены без высокопрочных сечений. - Желательны стандартные сварочные процедуры и рутинный контроль предварительного нагрева/между проходами.
Выбирайте S460, если: - Структурная эффективность и снижение веса критичны (например, большие пролеты, балки кранов, ограниченный транспорт). - Проект может поддерживать более строгие контролируемые сварочные/обрабатывающие процедуры и, возможно, более высокие затраты на материал для достижения преимуществ в жизненном цикле или производительности. - По проекту требуются заданные ударные вязкости и более высокие значения предела текучести.
Заключительное замечание: Обе марки S355 и S460 спроектированы для обеспечения надежной структурной производительности; выбор определяется требуемым пределом текучести, ограничениями обработки, требованиями к температуре/вязкости и общими затратами на владение. Всегда проверяйте точные химические и механические пределы по сертификату завода поставщика и проводите расчет углеродного эквивалента и квалификацию сварочных процедур для критических обработок.