Gatunki stali dla ciężkich konstrukcji spawanych: porównanie A36, A572, S235JR i S355

Większość ciężkich ram buduje się z jednego z czterech gatunków. To bliscy krewni, w zamyśle w dużej mierze wymienne, a wybór między nimi sprowadza się zwykle do tego, według jakiej normy powstał rysunek i czy potrzebna jest dodatkowa granica plastyczności.

Oto porównanie oraz przypadki, w których faktycznie zmienia ono konstrukcję.

Cztery gatunki

Gatunek	Norma	Min. granica plastyczności	Wytrzymałość na rozciąganie	Zastosowanie
ASTM A36	ASTM A36/A36M	250 MPa (36 ksi)	400–550 MPa	Standard w USA dla blach i kształtowników
ASTM A572 Gr 50	ASTM A572/A572M	345 MPa (50 ksi)	min. 450 MPa	Wysokowytrzymała niskostopowa stal z USA
S235JR	EN 10025-2	235 MPa	360–510 MPa	Ogólna stal konstrukcyjna w UE
S355 (JR/J0/J2)	EN 10025-2	355 MPa	470–630 MPa	Koń roboczy UE dla ciężkich konstrukcji

Praktyczne pary: A36 ≈ S235JR oraz A572 Gr 50 ≈ S355. Nie są identyczne, różnią się limity składu chemicznego, klasy tolerancji i wymagania udarności, ale dla ogólnej konstrukcji spawanej zakład potraktuje je jako równoważne, a rysunek z zapisem “A36 lub równoważny” zostanie wykonany z tego, co mają lokalne huty.

W Wietnamie i szerzej w regionie S355 i A572 Gr 50 są łatwo dostępne, podobnie jak A36 i S235JR. Nic z tej listy nie jest egzotyczne.

Co oznacza przyrostek JR / J0 / J2

To część, którą kupujący najczęściej pomijają, a która czasem ma ogromne znaczenie.

Przyrostek określa odporność na kruche pękanie, czyli energię udarności Charpy V-notch, jaką stal musi osiągnąć, i w jakiej temperaturze:

Przyrostek	Temperatura próby udarności	Minimalna energia
JR	+20 °C	27 J
J0	0 °C	27 J
J2	−20 °C	27 J
K2	−20 °C	40 J

Jeśli rama będzie obciążona w zimnym klimacie, instalacja na otwartym powietrzu w północnej Europie, Korea zimą, chłodnia, prosimy określić J2. Ciągliwość zatrzymuje małą wadę przed rozwojem w kruche pęknięcie i jest właściwością, której nie można dodać później.

Jeśli urządzenie pracuje w hali w zakładzie w klimacie umiarkowanym lub tropikalnym, wystarczy JR i jest tańsze.

Przypadek awarii: rysunek mówi “S355” bez przyrostka, huta dostarcza S355JR, bo to najtańszy spełniający wymóg gatunek, a rama trafia na zewnątrz w miejsce, gdzie temperatura spada do −25 °C. Formalnie z dostawą nic nie jest nie tak. Prosimy wpisać przyrostek.

Kiedy wyższa granica plastyczności się opłaca

Przejście z A36 na A572 Gr 50 lub z S235 na S355 daje mniej więcej 40–50% wyższą granicę plastyczności przy umiarkowanej dopłacie do materiału, zwykle kilka procent za tonę.

Opłaca się, gdy o konstrukcji decyduje wytrzymałość. Jeśli element dobrano według naprężeń, wyższy gatunek pozwala zmniejszyć przekrój. Mniej blachy do zakupu, mniej spoiwa do nałożenia, mniej masy do podniesienia i wysłania. Na ramie wymiarowanej wytrzymałościowo często z nadwyżką zwraca dopłatę.

Nie opłaca się, gdy o konstrukcji decyduje sztywność. Moduł Younga wynosi około 200 GPa dla wszystkich tych gatunków. Stal mocniejsza nie jest sztywniejsza. Jeśli element dobrano według ugięcia, co jest częste w podstawach maszyn, gdzie tolerancja dotyczy współosiowości, a nie zniszczenia, przejście na S355 nie daje nic poza wyższą fakturą.

Test: prosimy zapytać konstruktora, czy decydujący był warunek naprężeń, czy ugięcia. Jeśli ugięcia, zostać przy tańszym gatunku, a pieniądze przeznaczyć na większą wysokość przekroju.

Spawalność i podgrzewanie

Wszystkie cztery gatunki są łatwo spawalne. Istotna wartość to równoważnik węgla (CE lub CEV), który przewiduje utwardzenie w strefie wpływu ciepła, a więc wymóg podgrzewania wstępnego.

Orientacyjnie:

• CE poniżej 0.40: ogólnie spawalne z niewielkim podgrzewaniem lub bez przy umiarkowanej grubości
• CE 0.40–0.50: podgrzewanie prawdopodobne przy grubszych przekrojach
• CE powyżej 0.50: wymagane podgrzewanie i kontrolowana temperatura międzyściegowa

A36 i S235JR zwykle leżą na niskim końcu. A572 Gr 50 i S355 nieco wyżej. Grubość liczy się tak samo jak skład: ten sam gatunek przy 60 mm wymaga podgrzewania, a przy 20 mm nie, bo otaczająca zimna masa hartuje złącze szybciej.

Rzeczywiste CE należy odczytać ze świadectwa materiałowego, a nie z tabeli. Jest wydrukowane na świadectwie i to według niego powinna być kwalifikowana WPS, zob. AWS D1.1 in plain language.

Stal patynująca i nierdzewna, dwa wyjątki

Stal patynująca (ASTM A588 lub S355J0WP) tworzy stabilną warstwę tlenków i może być stosowana bez malowania na zewnątrz. Nadaje się do mostów i konstrukcji odsłoniętych. Jest złym wyborem, gdy rama pozostaje w stałym kontakcie z wodą, gdy spływ powodowałby plamy albo gdy cokolwiek jest do niej przykręcone elementem z innego metalu.

Stal nierdzewna (304/316) pojawia się na skidach dla przemysłu spożywczego, farmaceutycznego i morskiego. Kosztuje kilkakrotnie więcej niż stal węglowa, spawa się inaczej, bardziej się odkształca z powodu większej rozszerzalności cieplnej i mniejszej przewodności oraz wymaga trawienia i pasywacji po spawaniu. Prosimy określać ją tam, gdzie wymaga tego proces, a nie ze względu na wygląd.

Świadectwa materiałowe

Niezależnie od określonego gatunku prosimy wymagać świadectw EN 10204 3.1, wystawionych przez własny dział kontroli huty, identyfikowalnych do numeru wytopu, z podanym składem chemicznym i właściwościami mechanicznymi.

Świadectwo 2.2 to oświadczenie o zgodności bez wyników badań dla konkretnego wytopu. Dla ramy nośnej prosimy żądać 3.1. Nic nie kosztuje i jest dokumentem, którego Państwa dział jakości zażąda za trzy lata.

Co wpisać na rysunku

Cztery linie:

1. Gatunek i norma: “Plate and sections: S355J2 to EN 10025-2” lub “ASTM A572 Grade 50”
2. Przyrostek udarności: dobrany do najniższej temperatury eksploatacji
3. Certyfikacja: “Mill certificates to EN 10204 3.1 required”
4. Klauzula zamiennika: “Equivalent grades acceptable with prior written approval”, jeśli są Państwo gotowi pozwolić zakładowi użyć tego, co szybko zdobędzie, co często skraca czas realizacji

Nie mają Państwo pewności, czy rama jest wymiarowana wytrzymałościowo, czy sztywnościowo, albo jaki gatunek region faktycznie dostarczy w Państwa terminie? Prosimy przesłać rysunek, a wrócimy w ciągu 24 godzin roboczych.