S355JR против S355J2 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
S355JR и S355J2 — это два широко используемых сорта из семейства конструкционных сталей EN 10025. Оба являются низколегированными, высокопрочными конструкционными сталями, предназначенными для сварных конструкций, тяжелых изделий и общих инженерных приложений. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно учитывают стоимость, свариваемость, характеристики при низких температурах и последующую обработку при выборе между ними.
Основное практическое различие между S355JR и S355J2 заключается в их гарантированной ударной вязкости при различных температурах: JR испытывается при комнатной температуре, в то время как J2 специфицируется и тестируется на более жесткие характеристики при отрицательных температурах. Поскольку многие решения по проектированию и изготовлению зависят от ударной стойкости в эксплуатации, это требование к прочности определяет выбор материала, нагрузку на испытания и иногда стоимость и доступность.
1. Стандарты и обозначения
- EN: EN 10025-2 (S355JR, S355J2 указаны здесь как конструкционные стали).
- ASTM/ASME: Прямого соответствия ASTM нет, но эквиваленты S355 часто сравниваются с ASTM A572 Grade 50 или A36 в зависимости от обработки и механических свойств.
- JIS / GB: Местные стандарты в Японии и Китае имеют функционально аналогичные конструкционные стали, но обозначения и испытания различаются; прямая замена требует проверки свойств.
- Классификация: Оба S355JR и S355J2 являются некоррозионными, низколегированными/высокопрочными конструкционными углеродными сталями (часто рассматриваются как HSLA благодаря микролегированию в некоторых вариантах). Они не являются инструментальными сталями или нержавеющими сортами.
2. Химический состав и стратегия легирования
Серия EN 10025 определяет максимальные содержания элементов, а не единственный состав. Таблица ниже показывает типичные максимумы и обычно контролируемые элементы для S355JR и S355J2 в соответствии с практикой EN. Точный состав зависит от практики завода и любых дополнительных запросов на микролегирование.
| Элемент | Типичный контроль (S355JR) | Типичный контроль (S355J2) |
|---|---|---|
| C (макс) | ≤ 0.22 мас% | ≤ 0.22 мас% |
| Mn (макс) | ≤ 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 | Обычно ≤ 0.30 мас% (если присутствует) | Обычно ≤ 0.30 мас% |
| Ni | Обычно ≤ 0.30 мас% (если присутствует) | Обычно ≤ 0.30 мас% |
| Mo | Обычно ≤ 0.10 мас% (если присутствует) | Обычно ≤ 0.10 мас% |
| V, Nb, Ti | Часто добавляются в небольших количествах (≤ ~0.05 мас% каждый) для TMCP/микролегирования | То же, возможно, более контролируемо для J2, когда требуется прочность |
| B | Возможны следовые добавки (ppm) | Возможны следовые добавки |
| N | Обычно ≤ 0.012 мас% | Обычно ≤ 0.012 мас% |
| Al (обезуглероживание) | 0.015–0.060 мас% (для контроля) | 0.015–0.060 мас% |
Примечания: - EN 10025 определяет механические требования и температуры испытаний на удар для различных подкатегорий; химические пределы широки и зависят от производителя и дополнительных классов качества. - Многие продукты S355 производятся с использованием термомеханической контролируемой обработки (TMCP) и могут намеренно включать микролегирование (V, Nb, Ti) для улучшения размера зерна и увеличения прочности без чрезмерного углерода.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод и марганец в первую очередь контролируют прочность и закаливаемость; более высокий углерод увеличивает прочность, но снижает свариваемость и пластичность. - Кремний является обезуглероживателем и может немного повысить прочность. - Элементы микролегирования (V, Nb, Ti) уточняют размер зерна и обеспечивают более прочные микроструктуры феррит-перлит или бейнит при более низких уровнях углерода. - Поддерживаются низкие содержания серы и фосфора для сохранения прочности и свариваемости.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - Оба S355JR и S355J2, в состоянии прокатки или поставки TMCP, демонстрируют матрицу феррит + перлит с возможными бейнитными островками в зависимости от скорости охлаждения. Уточнение зерна от TMCP и микролегирования улучшает предел текучести и прочность без значительного увеличения углерода. - Вариант J2 обычно производится с немного более строгими контролями чистоты, содержания азота и микролегирования, а также контролируемой прокаткой для соответствия требованиям ударной вязкости при низких температурах.
Реакция на термообработку: - Нормализация: Оба хорошо реагируют на нормализацию (аустенизация, затем воздушное охлаждение) — это уточняет размер зерна и гомогенизирует микроструктуру, улучшая прочность. Нормализованный S355 обычно достигает лучшей ударной вязкости по сравнению с материалом в состоянии прокатки. - Закалка и отпуск: Хотя технически возможно, закалка и отпуск не являются стандартной поставкой для сортов EN S355; это существенно изменяет микроструктуру (мартисит, закаленный до более низкой твердости, более высокая прочность), но используется только тогда, когда требуются специфические свойства, выходящие за рамки сорта EN. - Термомеханическая обработка (TMCP): Многие продукты S355 производятся с использованием TMCP для достижения высокой прочности при низком углероде и хорошей прочности. TMCP производит мелкозернистую микроструктуру, которая более эффективно улучшает баланс прочности и прочности, чем простое увеличение углерода. - Снятие напряжений и термообработка после сварки: Для сварных конструкций минимальная PWHT является обычной для S355, но тяжелые секции или критические приложения могут требовать контролируемой PWHT в зависимости от конструкции соединения и риска водорода.
4. Механические свойства
EN 10025 определяет пределы механических свойств для семейства S355. Следующая таблица обобщает типичные и стандартизированные значения; фактические результаты зависят от толщины и маршрута производства.
| Свойство | S355JR (типичное/указанное) | S355J2 (типичное/указанное) |
|---|---|---|
| Предел текучести (Rp0.2, мин) | 355 МПа (для многих диапазонов толщины) | 355 МПа (то же номинальное требование) |
| Удлинение (Rm) | 470–630 МПа (типичный диапазон по спецификации) | 470–630 МПа (аналогично) |
| Удлинение (A, мин) | ~20% (варьируется в зависимости от толщины) | ~20% (варьируется в зависимости от толщины) |
| Ударная вязкость | 27 Дж при +20 °C (Charpy V) | 27 Дж при −20 °C (Charpy V) |
| Типичная твердость (HBW) | 140–190 HBW (в зависимости от производства) | 140–190 HBW (аналогично) |
Интерпретация: - Статическая прочность (предел текучести и прочность на разрыв) фактически эквивалентна между сортами JR и J2 при сравнении в одинаковых условиях поставки; оба гарантируют минимальный предел текучести 355 МПа. - Отличительным механическим свойством является ударная вязкость: S355J2 гарантированно сохраняет пластичное поведение до −20 °C, в то время как S355JR гарантирован только при +20 °C. Это не делает J2 более прочным в статическом плане, но он более устойчив к хрупкому разрушению при низких температурах. - Диапазоны удлинения и твердости перекрываются; маршрут обработки (TMCP, нормализация) оказывает большее влияние на прочность и пластичность, чем суффикс JR/J2 сам по себе.
5. Свариваемость
Свариваемость является частым фактором выбора для конструкционных сталей. Оба S355JR и S355J2 предназначены для сварки, но применяются специфические соображения.
Ключевые факторы: - Содержание углерода и комбинированное легирование определяют закаливаемость и риск холодного растрескивания. Оба сорта имеют относительно низкий углерод (≤ ~0.22 мас%), что поддерживает хорошую свариваемость. - Микролегирование и остаточные элементы (Cr, Mo, V, Nb) увеличивают закаливаемость и могут потребовать предварительного подогрева или термообработки после сварки в толстых секциях.
Полезные индексы сварной стали: - Эквивалент углерода (форма IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Уязвимость к мартенситу Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Для идентичных номинальных составов S355JR и S355J2 будут иметь почти идентичные значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$. Однако, заводы J2 часто осуществляют более строгий контроль процесса (более чистая сталь, контролируемые добавки микролегирования), чтобы соответствовать требованиям ударной вязкости при низких температурах, что может косвенно улучшить свариваемость, уменьшая захват водорода, вызванный примесями. - Для тяжелых секций повышенная закаливаемость или более высокий CE могут потребовать предварительного подогрева или контролируемых температур межпрохода; квалификация сварочных процедур должна ссылаться на конкретный сертификат материала. - Термообработка после сварки (PWHT) редко требуется для обычных сварных конструкций S355, но может потребоваться для сварных сборок с высоким ограничением, толстыми секциями или когда это требуется спецификациями.
6. Коррозия и защита поверхности
- Оба S355JR и S355J2 являются некоррозионными углеродными сталями — коррозионная стойкость в атмосферных или агрессивных средах скромная.
- Стандартные стратегии защиты: горячее цинкование, электроцинкование (для мелких компонентов), органические покрытия (грунтовки, эпоксидные), металлизация (огневая или дуговая распыленная цинковая/алюминиевая покрытия) или комбинация (цинкосодержащая грунтовка + верхнее покрытие).
- Индекс PREN не применим, поскольку PREN используется для нержавеющих сталей: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Выбор покрытия зависит от окружающей среды (классификация C1–C5), ожидаемого срока службы, эстетики и стратегии обслуживания. Цинкование является обычным для конструкционной стали, подвергающейся воздействию элементов; подложка S355 не изменяет стратегию контроля коррозии между JR и J2.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Резка: Плазменная, кислородно-газовая, лазерная и водоструйная резка ведут себя аналогично для обоих сортов. Твердость и толщина могут влиять на настройки резки.
- Обрабатываемость: Низкое содержание углерода и низкое содержание легирующих элементов обеспечивают разумную обрабатываемость; микролегированные или более прочные варианты TMCP могут быть немного сложнее в обработке, но различия между JR и J2 минимальны.
- Формование и изгиб: Формуемость определяется пределом текучести и пластичностью; поскольку оба имеют схожие номинальные пределы текучести и удлинения, поведение при формовании обычно сопоставимо. Холодное формование в условиях очень низких температур выигрывает от улучшенной ударной вязкости J2.
- Сварка и практика изготовления: Используйте квалифицированные сварочные процедуры и учитывайте стратегии предварительного подогрева/отпуска для толстых секций или там, где требуется контроль водорода. S355J2 может потребовать дополнительного испытания/сертификации на удар для соответствия проекту.
8. Типичные применения
| S355JR — Типичные применения | S355J2 — Типичные применения |
|---|---|
| Общие конструкционные стальные работы: балки, колонны, каркасы для зданий при комнатных условиях | Конструктивные элементы в холодном климате: надводные части, холодильные конструкции, мосты в холодных регионах |
| Общее изготовление, где приемлема ударная вязкость при комнатной температуре | Тяжелые сварные конструкции, требующие проверенной ударной вязкости при низких температурах |
| Каркасы машин, общие инженерные компоненты | Структуры и оборудование, удерживающее давление, работающие в более холодных условиях (при спецификации) |
| Стандартные пластины, горячекатаные профили и секции для гражданских работ | Структурные элементы, подвергающиеся воздействию поднулевых условий или повышенному риску хрупкого разрушения |
Обоснование выбора: - Выбирайте S355JR для типичных конструкционных приложений при комнатной температуре, где желательна более низкая стоимость закупки/испытаний. - Выбирайте S355J2, когда проект требует проверенной ударной стойкости при низких температурах или когда спецификации проекта требуют оценки ударной вязкости −20 °C.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Оба сорта обычно производятся и, следовательно, в целом схожи по базовой цене. S355J2 может иметь небольшую надбавку из-за дополнительных испытаний и более строгого контроля процесса, необходимого для сертификации ударной производительности при низких температурах.
- Доступность: Оба широко доступны в виде пластин, горячекатаных рулонов, балок и секций. Сроки поставки зависят от размера, толщины и того, требуется ли нормализованный/TMCP или специальный микролегированный вариант.
- Требования к специальным изделиям с длительным сроком поставки (например, нормализованная поставка для толстых пластин или дополнительный химический контроль для свариваемости) могут увеличить стоимость и срок поставки для любого сорта.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | S355JR | S355J2 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Очень хорошая (низкий C); применяются стандартные сварочные процедуры | Очень хорошая (низкий C); аналогично, но с возможными более строгими контролями на заводе |
| Баланс прочности и прочности | Высокая прочность; гарантированная ударная вязкость при комнатной температуре | Высокая прочность; гарантированная улучшенная ударная вязкость при низких температурах |
| Стоимость | Стандартная, немного меньшая нагрузка на испытания | Немного выше (дополнительные испытания на удар и контроль) |
Заключение и рекомендации: - Выбирайте S355JR, если ваша конструкция работает при или выше типичных комнатных температур, если проект не требует проверенных испытаний на удар при низких температурах и если приоритетом является минимизация затрат на закупку и испытания. - Выбирайте S355J2, если конструкция будет работать в холодных условиях, если спецификации требуют ударной вязкости при отрицательных температурах (обычно −20 °C) или если проект имеет высокий уровень ограничения/риск хрупкого разрушения сварного соединения, где требуется сертифицированная ударная вязкость при низких температурах.
Заключительная практическая заметка: Поскольку оба сорта имеют одинаковую номинальную статическую прочность, выбор часто зависит от требования к температуре испытания на удар и связанных с этим последствий для поставки/испытаний. Всегда запрашивайте сертификаты завода и записи испытаний Charpy, относящиеся к партии материала, и квалифицируйте сварочные процедуры на фактическую форму и толщину продукта, который вы будете использовать.