SUP10 против SUP11 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между близкими по составу марками углеродной стали, когда необходимо сбалансировать стоимость, формуемость, свариваемость и прочность в эксплуатации. SUP10 и SUP11 — это две марки углеродной стали, ориентированные на JIS, которые часто рассматриваются для компонентов общего назначения, обработанных деталей и умеренно нагруженных фитингов. Проблема выбора обычно связана с компромиссами, такими как свариваемость против прочности на разрыв, обрабатываемость против ударной вязкости и стоимость покупки против запаса прочности.

Основным отличительным фактором между SUP10 и SUP11 является их стратегия легирования, сосредоточенная на содержании марганца: одна марка имеет более низкий уровень марганца, в то время как другая — более высокий. Это намеренное различие изменяет закаливаемость, прочность и реакцию на термообработку, поэтому эти две марки часто сравниваются дизайнерами и производителями.

1. Стандарты и обозначения

• JIS: SUP10, SUP11 — названия японских промышленных стандартов, используемые для обычных углеродных сталей, предназначенных для общего структурного и механического применения.
• ASTM/ASME: Сравнимые материалы обычно встречаются среди обозначений обычной углеродной стали (например, серия AISI/SAE), но прямые перекрестные ссылки зависят от конкретных пределов состава и не всегда являются однозначными.
• EN: Похожие роли играют обычные углеродные стали класса C EN (например, Cxx.x), выбор которых требует соответствия химическим пределам и механическим свойствам.
• GB (Китай): В стандартах GB существуют эквивалентные марки обычной углеродной стали; соответствие требует проверки химических и механических критериев.
• Категория: Обе марки SUP10 и SUP11 являются обычными углеродными сталями (не нержавеющими, HSLA или инструментальными сталями). Их иногда могут рассматривать как мягкие/среднеуглеродные стали в зависимости от указанного содержания углерода и предполагаемого применения.

2. Химический состав и стратегия легирования

Примечания: - Обе марки являются обычными углеродными сталями по философии легирования. Основное целенаправленное различие — содержание марганца: марка с более высоким содержанием марганца будет демонстрировать повышенную закаливаемость и тенденцию к упрочнению. - Роли легирования: - Углерод: основной вкладчик прочности и закаливаемости. - Марганец: увеличивает закаливаемость, прочность на разрыв и соотношение прочности к текучести; также действует как декарбонизатор и противодействует хрупкости от серы. - Кремний: обычно присутствует на низких уровнях для декарбонизации; незначительное упрочнение в твердом растворе. - Следовые элементы и примеси (P, S) контролируются для сохранения ударной вязкости и обрабатываемости.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура: - При типичных условиях обработки и нормализации обе марки SUP10 и SUP11 развивают микроструктуру феррит–перлит, типичную для низко- и среднеуглеродных сталей. - Марка с более высоким содержанием марганца будет иметь тенденцию увеличивать долю перлита и немного уточнять интерламеллярное расстояние перлитно-ферритной структуры, что дает более высокую прочность в состоянии прокатки/закалки и потенциально снижает пластичность по сравнению с маркой с более низким содержанием марганца.

Реакция на термообработку: - Нормализация: Обе марки реагируют на нормализацию, создавая более однородную ферритно-перлитную структуру; марка с более высоким содержанием марганца достигает немного большей твердости и прочности при том же цикле. - Закалка и отпуск: Поскольку ни одна из марок не является высоколегированной сталью, глубокая закалка ограничена, но марка с более высоким содержанием марганца демонстрирует повышенную закаливаемость и может достичь более высокой прочности после циклов закалки и отпуска по сравнению с вариантом с более низким содержанием марганца. - Термомеханическая обработка: Контролируемая прокатка или контролируемое охлаждение подчеркнут различия; марка с более высоким содержанием марганца легче достигает более высоких уровней текучести и прочности при той же обработке благодаря более сильному влиянию на закаливаемость и упрочнение.

4. Механические свойства

Объяснение: - Более высокое содержание марганца повышает прочность и закаливаемость, поэтому SUP11 обычно обеспечивает более высокие прочности на разрыв и текучесть в сопоставимых условиях. Это преимущество часто сопровождается умеренным компромиссом в удлинении и ударной вязкости, если все остальные факторы равны. - Фактические значения механических свойств зависят от точного состава, формы продукта (брус, плита) и истории термообработки/обработки. Для закупок и приемки указывайте требуемые механические свойства в документах на покупку, а не полагайтесь только на название марки.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит в первую очередь от углеродного эквивалента и вкладчиков микроалюминирования/закаливаемости. Общие индексы, используемые для оценки риска образования трещин при сварке, включают углеродный эквивалент IIW и модифицированный Pcm.

Примеры формул: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация (качественная): - Более высокий марганец в SUP11 увеличивает индексы углеродного эквивалента по сравнению с SUP10, указывая на большую предрасположенность к закаливанию в зоне термического влияния (HAZ) и, следовательно, на более высокий риск холодной трещинообразования при сопоставимых условиях сварки. - Обе марки обычно свариваемы с использованием стандартных процедур, но SUP11 может требовать более консервативных практик сварки: предварительный подогрев, контролируемые межпроходные температуры, низкогидрогеновые расходные материалы или термообработка после сварки в зависимости от толщины сечения и ограничений. - Отсутствие значительных легирующих элементов (Cr/Mo/Ni) делает обе марки легче свариваемыми, чем легированные стали, но различия в марганце контролируют относительный риск сварки.

6. Коррозия и защита поверхности

• Эти марки являются обычными углеродными сталями (не нержавеющими). Атмосферная и водная коррозионная стойкость ограничена и зависит от защиты поверхности.
• Типичные защиты: покраска, порошковое покрытие, горячее цинкование, электроосаждение или масло/смазка для временной защиты.
• PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) не применим к не нержавеющим углеродным сталям; для справки в нержавеющих сплавах:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Использование PREN имеет смысл только для коррозионно-стойких сплавов, содержащих хром и молибден, а не для SUP10/SUP11.
• Рекомендации по выбору: Для коррозионных сред выбирайте защиту поверхности или нержавеющую/HSLA альтернативу, а не полагайтесь на различия между SUP10 и SUP11.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: Контролируется в первую очередь содержанием серы и свинца (если присутствует). Ни SUP10, ни SUP11 не являются по своей природе маркой с легким резанием, если специально не произведены с повышенным содержанием серы/свинца. Более высокий марганец может немного снизить обрабатываемость, увеличивая упрочнение.
• Формуемость/гибкость: Марка с более низким содержанием марганца (SUP10) обычно формуется и сгибается с меньшими проблемами и лучшими запасами удлинения. Марка с более высоким содержанием марганца (SUP11) может требовать больших радиусов изгиба или меньших деформаций, чтобы избежать трещинообразования при жестких операциях формовки.
• Резка и отделка: Обе марки хорошо обрабатываются с использованием обычного инструмента; срок службы инструмента может быть немного увеличен на марке с более низкой прочностью. Поверхностная отделка и контроль стружки зависят больше от содержания серы и параметров процесса, чем только от различия в марганце.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте марку с более низким содержанием марганца, когда критичны обрабатываемость (сварка, изгиб, формовка) и пластичность, а нагрузки умеренные. - Выбирайте марку с более высоким содержанием марганца, когда требуется улучшенная прочность или закаливаемость (для более толстых сечений или более прочных деталей в обработанном состоянии), и когда план обработки учитывает несколько увеличенные сложности сварки/формовки.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: Обе марки являются обычными углеродными сталями и, как правило, экономичны. Марка с более высоким содержанием марганца (SUP11) может быть немного дороже на некоторых рынках из-за легирования и контроля обработки, но различия обычно незначительны по сравнению с высоколегированными сталями.
• Доступность: Обычные формы продуктов (бруски, плиты, рулоны) легко доступны для обеих марок на рынках, где имеются запасы марок JIS. Доступность может варьироваться в зависимости от географии; закупка должна подтвердить наличие в желаемой форме продукта и требуемую сертификацию завода.
• Сроки поставки и минимальные объемы заказа зависят больше от местных запасов завода и необходимых испытаний/сертификации, чем от небольших различий в составе между SUP10 и SUP11.

10. Резюме и рекомендации

Рекомендации: - Выбирайте SUP10, если: - Ваши приоритеты — это более легкая сварка, формовка и высокая пластичность. - Применение связано с тонкими сечениями, сложной обработкой или когда желательны минимальные процедуры предварительного/последующего нагрева. - Вы хотите наиболее прощающее общее назначение углеродной стали для структурных или изготовленных сборок.

• Выбирайте SUP11, если:
• Вам нужна более высокая прочность на разрыв/текучесть в обработанном состоянии или улучшенная закаливаемость для более толстых сечений или компонентов, подверженных более высоким нагрузкам.
• Дизайн позволяет контролируемые процедуры сварки (предварительный подогрев, низкогидрогеновые расходные материалы) и, возможно, термообработку после сварки, если это необходимо.
• Немного сниженная формуемость приемлема в обмен на более высокую прочность без перехода на легированные стали.

Заключительная заметка: SUP10 и SUP11 являются близкими по составу обычными углеродными сталями; решение между ними должно основываться на конкретных механических требованиях и плане обработки, а не только на названии марки. Для критических применений указывайте требуемые механические свойства, условия термообработки и процедуры сварки в документах на закупку и запрашивайте сертификаты завода для проверки состава и обработки.