Конструкционные стали относятся к черным металлам и входят в группу низкоуглеродистых сталей. В этой статье мы рассмотрим области применения, механические свойства и химический состав наиболее востребованных марок — S235, S275, S355 и S420.

Применение конструкционных сталей

Конструкционные стали являются самыми востребованными благодаря достаточным эксплуатационным характеристикам и относительно низкой цене. Такое сочетание делает их незаменимыми во многих отраслях. Ежегодно около 25% конструкционных сталей используется при строительстве зданий.

Машиностроители часто выбирают их при проектировании оборудования, к которому не предъявляются особые требования по прочности или стойкости к высоким нагрузкам.

В ряде случаев важна стойкость к износу материала при сохранении небольшого веса. Это актуально, например, для лесозаготовительной и горнодобывающей техники. Тогда целесообразно использовать износостойкие и высокопрочные стали, такие как Hardox и Strenx.

Защита от коррозии

Для конструкционных сталей требуется дополнительная защита от воздействия окружающей среды. Они подвержены быстрому коррозированию, поэтому порошковая окраска применяется практически всегда, независимо от условий эксплуатации — будь то внутри или снаружи помещений. Для долговечности покрытия поверхность металла предварительно подвергают обработке (химическое травление или фосфатирование) и очистке (дробеструйная обработка, промывка или протирка).

Коррозия может возникнуть даже при наличии краски.

Более надежный способ защитить конструкционную сталь от коррозии — оцинкование. Качество и пригодность цинкового покрытия зависят от химического состава стали — решающее значение имеют проценты фосфора (P) и кремния (Si):

• Si+2,5P<0,05% = 1-й класс качества
• 0,05%≤Si+2,5P≤0,15% = плохой результат (диапазон Санделина)
• 0,15%<Si+2,5P<0,25% = 2-й класс качества
• 0,25%<Si+2,5P = плохой результат

При эксплуатации в особо агрессивных условиях используют нержавеющие стали, чаще всего AISI 304 или AISI 316.

Механические свойства конструкционных сталей

Число в названии конструкционной стали указывает на предел текучести. Это максимальная нагрузка в МПа, при которой не происходит пластической деформации. Если напряжение превышает этот показатель, металл деформируется необратимо. В случае стали S235 этот предел составляет 235 МПа. Нагрузки ниже этого значения вызывают только упругую деформацию — после снятия нагрузки деталь восстанавливает форму.

Предел прочности — это максимальная нагрузка, при которой металл разрушается. Для S235 этот диапазон составляет 360…510 МПа. Хотя предел прочности значительно выше предела текучести, при выборе материала следует ориентироваться именно на предел текучести. Превышение предела прочности приводит к разрушению, а предела текучести — лишь к деформации.

Из таблицы свойств видно, что повышение марки стали увеличивает ее прочность. S235 и S355 — наиболее популярные из представленных марок, так как они перекрывают основные потребности. S275 встречается реже и может быть менее доступной. S420 применяют там, где необходима повышенная прочность, но она тоже не всегда есть в наличии у всех производителей.

Твердость всех конструкционных сталей достаточно низкая. При необходимости эти показатели можно повысить путем закалки.

Классификация и ударная вязкость

В маркировке сталей встречаются различные буквы до и после номера марки. Конструкционные стали обозначаются буквой S (от английского слова “structural” — конструкционный). Существуют и другие варианты — например, P для сталей сосудов под давлением, используемых в специфических сферах.

Ферритные стали меняют свои свойства в зависимости от температуры: при понижении температуры они становятся более хрупкими, а при повышении — более пластичными. Это необходимо учитывать при эксплуатации в сложных условиях. Так, конструкция, расположенная на улице зимой при -20°C, может получить хрупкий излом при ударе, например, вилочным погрузчиком. Поэтому важно выбирать сталь с подходящей ударной вязкостью.

S235JR и S235L2 по-разному реагируют на ударные нагрузки. J указывает на способность выдерживать удар с энергией 27 Дж, K — 40 Дж, L — 60 Дж. R обозначает, что минимальная температура для этого показателя — комнатная (20°C), 0 — 0°C, 2 — -20°C. Таким образом, S235JR выдерживает удар 27 Дж при 20°C, а S235L2 — 60 Дж при -20°C. Это хорошо показано в видео о испытаниях ударной вязкости по Шарпи.

Если вы видите в названии стали маркировку S235J0+N, это означает, что она нормализована. Нормализация — это термическая обработка, улучшающая структуру стали и обеспечивающая равномерное распределение зерен. В результате устраняются внутренние напряжения, повышается обрабатываемость, вязкость и пластичность без потери твердости и прочности.

Существуют и другие суффиксы, но здесь мы рассмотрели только основные. Последний из часто встречающихся — MC. Сталь S355MC термомеханически обработана, что обеспечивает сочетание высокой прочности с хорошими характеристиками для холодной обработки, например, гибка.

Химический состав

Точный химический состав зависит от требуемой долговечности. Например, более прочная конструкционная сталь с повышенной стойкостью к атмосферным воздействиям (например, S355W) будет отличаться по составу от стандартной S355.

Даже при схожем химическом составе итоговая прочность зависит от технологии производства (прокатка, термообработка, охлаждение). Чем интенсивнее прокатка, тем прочнее становится сталь.

Эквиваленты сталей по стандарту EN

Конструкционные стали часто известны по маркам, например, S355. Но у каждой упомянутой в статье марки есть эквивалент по EN. Приведем самые распространенные:

• S235JR – EN 1.0038
• S235J2 – EN 1.0117
• S275JR – EN 1.0044
• S275J2 – EN 1.0145
• S355JR – EN 1.0045
• S355J0 – EN 1.0553
• S355J2 – EN 1.0577
• S420M – EN 1.8827

Как выбрать подходящую сталь?

Все зависит от ваших задач. Планируете ли вы просто лазерную резку металлических деталей? Нужно ли потом гнуть изделие? Какое покрытие требуется для эксплуатации? Какую нагрузку будет нести конструкция?

Чем выше качество материала, тем дороже он стоит. В сборках желательно минимизировать количество разных материалов, чтобы избежать лишних затрат на переналадку и закупку.

Наиболее распространенный критерий выбора — значение предела текучести. Необходимые параметры рассчитываются с помощью структурного анализа. Для этого удобно использовать функции моделирования в большинстве 3D CAD программ. Однако критические участки рекомендуется дополнительно проверить вручную, чтобы убедиться в правильности расчетов хотя бы на порядок.

Не все марки и размеры металлопроката бывают в наличии. Холоднокатаные листы выпускаются толщиной до 3 мм, свыше этого используются горячекатаные. Холоднокатаные отличаются большей однородностью структуры. S355MC также обладает однородной структурой и хорошо подходит для гибки, если нужны листы толщиной более 3 мм. Для более тонких изделий лучше выбрать DC01 (другая категория стали).

Возможно, вы заметили, что два производителя предлагают разную цену на “один и тот же” S235. На самом деле стали с названием просто S235 не существует — всегда присутствует суффикс. Один из производителей может предлагать более высокое качество. Всегда уточняйте, какой именно металл используется. Если вам важно качество — требуйте его. Если нужен минимальный бюджет — также уточняйте это.