Volba konstrukčních ocelí pro stavební svařované konstrukce podle významu označení

• Foto

Oceli jsou dodávány ve třech jakostech:

• za tepla válcované výrobky z nelegované oceli,
• svařitelné jemnozrnné za tepla normalizačně válcované nebo po válcování normalizačně žíhané konstrukční oceli,
• termomechanicky válcované oceli pro svařované konstrukce.

Konstruktér je povinen vybrat pro svařovanou konstrukci podle ukazatelů provozu konstrukce ocel tak, aby výrobce (zhotovitel) konstrukce mohl zpracovat podle ČSN EN 15614 podklady (postupy) pro svařování (pWPS – WPQR – WPS), které jsou ve shodě s požadovanými mechanickými vlastnostmi (hodnotami), kladenými na svarový spoj.

OCELI PRO STAVEBNÍ SVAŘOVANÉ OCELOVÉ KONSTRUKCE
ČSN EN 1090-2 A1: Provádění ocelových konstrukcí – Část 2: Technické požadavky na ocelové konstrukce (leden 2012), – vyžaduje, aby v podkladech kontroly dodávky podle ČSN EN 12204 byl uveden stav (jakost) dodávky konstruktérem navržené oceli.

Stav dodávky ocelí musí být v souladu s objednanou jakostí. Z hlediska označení musí být ve shodě s ČSN EN 10027-1 Systém označování ocelí – Část 1: Stavba značek ocelí (duben 2006). Ve stati – „Konstrukční oceli“ jsou ve skupině 1 uvedeny, pro oceli ve tvářeném (S) a v litém (G) stavu, hodnoty nárazové práce v plochém ohybu (J) v závislosti na zkušební teplotě. Hodnoty nárazové práce (J) v rozsahu 27 J s označením J, 40 J s označením K a 60 J s označením L, jsou uváděny pro zkušební teploty 20 °C s označením R (20 °C), 0 (0 °C), 2 (–20 °C), 3 (–30 °C), 4 (–40 °C), 5 (–50 °C), 6 (–60 °C).

Ve skupině 1 (ČSN EN 10027-1) jsou dále uvedeny přídavné symboly stavu dodání výrobku:

A . . . .precipitačně vytvrzený,
M . . . .termomechanicky válcovaný,
N . . . .normalizačně žíhaný nebo normalizačně válcovaný,
NT . . . normalizačně žíhaný a popouštěný,
Q . . . .zušlechtěný (kalený a popouštěný),
G . . . .jiné charakteristiky
s tím, že symboly A, M, N a Q platí podle ISO/TR 15608 pro jemnozrnné oceli podskupiny 1.3 (aplikace v jakostních skupinách 2 a 3).

Další přídavné symboly mohou následovat za již vyznačenými symboly, musí však být označeny znaménkem +. Vybrané symboly vyjadřují tepelné zpracování výrobku:

+AR . . válcovaný (bez zvláštních podmínek na válcování nebo tepelné zpracování),
+C . . . .zpevněný zpracováním za studena,
+M . . .termomechanicky tvářený (výkovek),
+N . . .normalizačně žíhaný nebo normalizačně válcovaný,
+NT . . .normalizačně žíhaný a popouštěný,
+Q . . .kalený,
+QT . . .zušlechtěný,
+SR . . .žíhaný na snížení napětí,
+T . . . .popouštěný,
+U . . .nezpracovaný.

V podstatě konstrukční oceli, které spadají do skupiny 1 s výše uvedeným označením (kupř. konstrukční oceli S355 s 27J při teplotě –20 °C) jsou uvedeny v ČSN EN 10025-2 pod označením S355J2, v ČSN EN 10025-3 s označením S355N a v ČSN EN 10025-4 s označením S355M.

ČSN EN 10025-2 – NELEGOVANÉ KONSTRUKČNÍ OCELI
Výrobky válcované za tepla z konstrukčních ocelí Část 2: Technické dodací podmínky pro nelegované konstrukční oceli.

Do normy spadají oceli S185, S235, S275, S355, S450, E295 a E360, které se liší svými mechanickými vlastnostmi. Symbol E značí oceli pro strojní součásti.

Oceli S235 a S275 mohou být dodávány v jakostních stupních JR, J0 a J2 (27J při –20 °C). Ocel S355 je dodávána v jakostních stupních JR, J0, J2 a K2 (40J při –20 °C). Ocel S450 tvoří výjimku s vyšší hodnotou meze kluzu. Ocel S450 se dodává v jakostním stupni J0.

Nelegované konstrukční oceli (S) se zaručenou hodnotou meze kluzu 355 MPa při teplotě 20 °C, s minimální hodnotou nárazové práce v plochém ohybu 27 J při teplotě 0 °C (J0), ve stavu po normalizovaném válcování (N) nebo po normalizačním žíhání (+N) vhodné pro svařování, lze objednat pod označením:

• Ocel EN 10025-2 – S355J0+N (podle ČSN EN 10027-1) nebo
• Ocel EN 10025-2 – 1.0554+N (podle ČSN EN 10027-2).

Normalizační válcování N je proces, při němž se v rámci válcování provádí konečná deformace v určité teplotní oblasti (okolo teploty Ar₃ + 50 °C), což vede ke stavu materiálu, který odpovídá stavu získanému po normalizačním žíhání (+N) s tím, že požadované hodnoty mechanických vlastností jsou shodné s mechanickými hodnotami získanými po válcování s následným klasickým normalizačním žíháním (za teploty Ac₃ +50 °C).

Ocel s označením +AR (as rolled) je za tepla válcovaná ocel bez zvláštních požadavků na proces válcování a způsob tepelného zpracování po válcování (podle ČSN 42 0002 odpovídá provedení 0 – tepelně nezpracováno). Ocel s označením AR nelze doporučit pro svařování důležitých dynamicky a únavově namáhaných konstrukcí.

Nejčastěji používané značky nelegovaných konstrukčních ocelí válcovaných za tepla o hodnotách meze kluzu 235, 355 a 450 MPa, uvedené v ČSN EN 10025-2, jsou v přehledu tab. 1.

Svařitelnost ocelí jakostních stupňů JR, J0, J2 a K2 je podrobně uvedena v ČSN EN 1011-2 Svařování – Doporučení pro svařování kovových materiálů – Část 2: Obloukové svařování feritických ocelí.

Je nutné upozornit na vyšší obsah uhlíku u ocelí jakosti S 355, což může vést při svařování větších tloušťek k tvorbě trhlin za studena.

Tvorbu trhlin za studena lze omezit:

• snížením obsahu difúzního vodíku ve svarovém kovu (svařovat v prostředí s nízkou relativní vlhkostí),
• předehřevem potlačit vznik zákalné struktury v ovlivněné oblasti,
• vhodným postupem svařování potlačit koncentraci tahových napětí ve svarových spojích.

O výpočtu ekvivalentu uhlíku CE (CEV) je pojednáno v následující stati.

ČSN EN 10025-3 – OCELI PRO SVAŘOVANÉ KONSTRUKCE
Výrobky (oceli) válcované za tepla z konstrukčních ocelí – Část 3 Svařitelné jemnozrnné normalizačně válcované nebo po válcování normalizačně žíhané konstrukční oceli.

Pod pojmem jemnozrnné oceli se rozumí ocel s jemnozrnnou strukturou s velikostí feritického zrna ≥ 6 (obrácené číslování) určeného podle EN ISO 643 (Ocel – Mikroskopické stanovení velikosti zrn) s tím, že oceli obsahují dostatečné množství prvků limitujících nepříznivý důsledek účinku dusíku (nitridů – stárnutí). Výrobky jsou dodávány v normalizačně žíhaném stavu nebo v rovnocenném stavu získaném normalizačním válcováním, tj. doválcováním a výdrží na teplotě Ar₃ +50 °C s následným ochlazením na vzduchu.

Do normy spadají oceli značek S275 a S355 jako nelegované jakostní oceli. Dále oceli značek S420 a S460 jako legované ušlechtilé oceli podle ČSN EN 10020.

Oceli mohou být dodány v jakostech:

• N – s min. hodnotami nárazové práce v plochém ohybu do –20 °C včetně,
• NL – s min. hodnotami nárazové práce v plochém ohybu do –50 °C včetně.

Normalizačně žíhané konstrukční oceli se zaručenou hodnotou meze kluzu při teplotě 20 °C, Re 355 MPa, se zaručenou hodnotou nárazové práce v plochém ohybu –50 °C vhodné pro svařování, lze objednat pod označením:

• Ocel EN 10025-3 – S355NL (podle ČSN EN 10027-1) nebo
• Ocel EN 10025-3 – 1.0546+NL (podle ČSN EN 10027-2).

Chemické složení svařitelných jemnozrnných normalizačně válcovaných nebo normalizačně žíhaných konstrukčních ocelí uvedených v ČSN EN 10025-3, použité k výpočtu ekvivalentu uhlíku CEV (CE) a CET, je uvedeno v tabulce 2.

SVAŘITELNOST JEMNOZRNNÝCH NORMALIZAČNĚ VÁLCOVANÝCH NEBO NORMALIZAČNĚ ŽÍHANÝCH KONSTRUKČNÍCH OCELÍ
Oceli podle ČSN EN 10025-3 jakostních stupňů N, NL jsou klasifikovány jako vhodné pro svařování. Všeobecná doporučení pro svařování obloukem jsou uvedena podrobně rovněž v ČSN EN 1011-2 Část 2: Obloukové svařování feritických ocelí. Rovněž je nutné upozornit na možnou tvorbu trhlin, kterou lze omezit:

• snížením obsahu nečistot ve svarovém kovu,
• potlačením vzniku zákalné struktury v ovlivněné oblasti (předehřev),
• vhodnou technologií svařování snížit hodnoty zbytkových tahových napětí.

Svařitelnost ocelí podle ČSN EN 10025-3 je především řízena ekvivalentem uhlíku. Ekvivalent uhlíku je možné určit podle ČSN EN 1011-2 dvěma způsoby a to podle metody AC.2, a podle metody BC.3. Při tom hlavní důraz je kladen na eliminaci vodíkového praskání tj. studeného praskání mající za následek vznik trhlin za studena. Rozdíl mezi oběma metodami je v tom, že: 

• metoda AC.2, zvýrazňuje obsah slitinových prvků, nelegovaných jemnozrnných a nízkolegovaných ocelí, obsah difúzního vodíku a kombinovanou tloušťku,
• metoda BC.3, zvýrazňuje obsah uhlíku, difúzního vodíku a reálnou tloušťku.

V případě metody AC.2 jsou hodnoty ekvivalentu uhlíku CE počítány s uvážením klasické (ingotové) výroby oceli podle vzorce:

CE (CEV) = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni +Cu)/15 (hmot. %).

Z mikrolegujících prvků je uveden pouze vanad. Při výpočtu teploty předehřevu je uvažována kombinovaná tloušťka a využití zjednodušené podmínky pro obloukové svařování, jmenovitě náhrada teploty předehřevu tepelným příkonem. Podmínky pro svařování ocelí jsou dány ekvivalenty uhlíku, kombinovanou tloušťkou, tepelným příkonem a obsahem difúzního vodíku. Metoda A je zcela dostačující pro výpočet teploty předehřevu ocelí uvedených v ČSN EN 10025-2 a též ke zkouškám svářečů podle ČSN EN 287 – pro základní materiály podle ISO/TR s54 podskupin 1.1, 1.2.

V případě metody BC.3 je vliv chemického složení na tvorbu trhlin za studena indukovaných vodíkem vystižen uhlíkovým ekvivalentem CET, který platí pro mikrolegované oceli prvky V, Nb, Ti, Ta, Zr, Al. Ekvivalent uhlíku CET je počítán podle rovnice:

CET hmot. % = C + (Mn+Mo)/10 + (Cr+Cu)/20 + Ni/40 (hmot. %).

Metoda B3.C je určena pro výpočet parametrů svařování mikrolegovaných jemnozrnných ocelí především vyrobených pánvovou metalurgii (konvertor – kontinuální lití – řízené válcování, řízené ochlazování), uvedených v ČSN EN 10025-3. Výpočet teploty předehřevu vychází z chemického složení (CET) za respektování účinku mikrolegujících prvků, jmenovitě V, Nb, Ti, Ta, Zr tvořících karbidy (karbonitridy) a Al, tvořícího nitridy. Dále z reálné tloušťky plechu, difúzního vodíku a tepelného příkonu. Teplotou předehřevu se řídí ochlazovací doba T8/5 (mezi teplotou 800 až 500 °C), která určuje strukturu v TOO svarového spoje.

Metoda B3.C je určena pro vypracování svářečských postupů mikrolegovaných jemnozrnných vysokopevných ocelí (včetně ocelí nové generace o hodnotách meze kluzu vyšších než 960 MPa). Metoda B uvažuje při výpočtech teploty předehřevu reálnou tloušťku materiálu.

Hodnoty ekvivalentů uhlíku, počítaných podle ČSN EN 1011-2 metodou A2.B a metodou B3.C jsou uvedeny v tabulce 3.

Pokud se po svařování budou konstrukce žárově zinkovat ponorem, potom je nutné objednat ocel se sníženým obsahem křemíku. Požadované mechanické hodnoty jsou potom dosaženy zvýšením obsahu uhlíku a manganu s tím, že hodnoty ekvivalentu uhlíku CEV a CET se pro Si ≤ 0,25 hmot. % zvyšují o 0,01 hmot. %.

ČSN EN 10025-4 – TERMOMECHANICKY VÁLCOVANÉ OCELI PRO SVAŘOVANÉ KONSTRUKCE
V ČSN EN 250025-4 jsou uvedeny výrobky válcované za tepla z konstrukčních ocelí. V části 4 je pojednáno o termomechanicky válcovaných svařitelných jemnozrnných konstrukčních ocelích vyrobených řízeným válcováním v intervalu teplot 1 200 až Ar₃ –40 °C, řízeným meziochlazením na teplotu okolo 500 °C a řízeným dochlazením na teplotu okolí. Termomechanicky zpracované (válcované) oceli jsou za hodnotou meze kluzu označeny písmenem M.

U termomechanicky válcovaných ocelí jsou s výjimkou substitučního a intersticiálního příspěvku zpevnění oceli využity příspěvky deformačně-dislokačního (a precipitačního) zpevnění vedoucího ke zvýšení pevnosti v důsledku zjemnění zrn a zvýšení počtu dislokací. K zachování dislokačního zpevnění a potlačení rekrystalizačních procesů musí být doba setrvání na vyšších teplotách válcování minimální. Jemnozrnnost oceli velmi příznivě potlačuje náchylnost oceli ke křehkému lomu, tj. posouvá tranzitní teplotu houževnatosti směrem k nízkým teplotám. Cílem mikrolegování (součtově do 0,15 hmot. % V, Nb, Ti, Ta, méně Zr a z části Al) je zjemnění feritických zrn mechanismem nukleace feritu v deformačně zpevněné austenitické matrici za současného snížení M/A (martenzit/austenit) složky v případě vzniku granulárního masivního bainitu. Řízeným válcováním lze výhodně ovládnout vznik intragranuálního acikulárního feritu vedoucího k vyšší úrovni mechanických vlastností. Z hlediska svařování je příznivý důsledek vysoké čistoty, mikrolegování a řízené deformace ve snížení ekvivalentu CET za současného redukování vzniku zákalné struktury v TOO, v potlačení tvorby trhlin za studena indukovaných vodíkem a vzniku zbrzděných trhlin. Z metalurgického hlediska to znamená zabezpečit vysokou metalurgickou čistotu, zajistit zdárný průběh mikrolegování (jemnozrnnosti) v rámci pánvové rafinace oceli, uskutečnit důslednou kontrolu deformačního procesu při jednotlivých úběrech včetně potlačení rekrystalizačních procesů a řízeně ovládnout rychlost ochlazování v průběhu válcování a po válcování.

V ČSN EN 10025-4 je upozorněno, že následující ohřev termomechanicky zpracovaných ocelí nad 560 °C může podstatně u ocelí s vyššími mechanickými vlastnostmi snížit hodnotu meze pevnosti.

V normě jsou uvedeny čtyři značky ocelí:

• S275, S355, S420 a S 460, které mohou být dodány v jakosti:
  • pro práci do teploty –20 °C včetně s označením M
  • pro práci do teploty –50 °C včetně s označením ML.

Termomechanicky válcovanou ocel lze objednat pod označením:

• Ocel EN 10025-4 – S355ML (podle ČSN EN 10027-1) nebo
• Ocel EN 10025-4 – 1.8834 (podle ČSN EN 10027-2).

Chemické složení svařitelných jemnozrnných termomechanicky válcovaných ocelí uvedených v ČSN EN 10025-4, použité k výpočtu ekvivalentu uhlíku CEV (CE) a CET, je uvedeno v tabulce 4.

SVAŘITELNOST TERMOMECHANICKY ZPRACOVANÝCH OCELÍ
Oceli podle ČSN EN 10025-4 jakostních stupňů M, ML jsou klasifikovány jako vhodné pro svařování. Všeobecná doporučení pro svařování obloukem jsou uvedena podrobně rovněž v ČSN EN 1011-2 Část 2: Obloukové svařování feritických ocelí. Tvorbu trhlin za studena lze omezit:

• snížením obsahu difúzního vodíku ve svarovém kovu,
• potlačením vzniku zákalné struktury v ovlivněné oblasti (předehřev),
• vhodnou technologií svařování snížit hodnoty zbytkových tahových napětí.

Svařitelnost ocelí podle ČSN EN 10025-3 je především řízena ekvivalentem uhlíku. Ekvivalent uhlíku u termomechanicky zpracovaných ocelí (CET) je možné určit podle ČSN EN 1011-2 s využitím metody BC.3. Při tom hlavní důraz je kladen na eliminaci vodíkového praskání, majícího za následek vznik trhlin za studena. V případě metody BC.3 je vliv chemického složení na tvorbu trhlin za studena indukovaných vodíkem vystižen uhlíkovým ekvivalentem CET, který platí pro oceli mikrolegované prvky V, Nb, Ti, Ta, Zr, Al (obsah do 0,015 hmot. %).

Hodnoty ekvivalentů uhlíku, počítaných podle ČSN EN 1011-2 metodou A2.B a metodou B3.C jsou uvedeny v tabulce 5.

Podle ČSN EN 1011-2 termomechanicky válcované mikrolegované jemnozrnné oceli pro svařované konstrukce je doporučeno počítat ekvivalent uhlíku podle CET, tj. podle ekvivalentu uhlíku zvýrazňujícího účinek uhlíku na úkol slitinových prvků. Předpokládá se, že uhlík v oceli intenzivně zvyšuje náchylnost k trhlinám za studena v porovnání se slitinovými prvky.

ZÁVĚR
V úvaze o volbě ocelí pro stavební svařované konstrukce jsou uvedena doporučení ke správnému označení ocelí podle stavby značek, jmenovitě ocelí, které jsou zařazeny podle ČSN EN 10027-1 do skupin 1 a 2. V případě nejčastěji používaných ocelí S355 lze oceli vhodné pro svařování objednat v jakostech:

• Válcované za tepla nelegované konstrukční oceli ČSN EN 10025-2, označené ku příkladu jako S355J0 (1.0553). Oceli jsou vhodné pro běžné svařované konstrukce zařazené podle ČSN EN 5817 do skupin C a D. Svařované konstrukce lze po svařování žíhat ke snížení stavu zbytkových napětí za teplot do 650 °C včetně a lze je rovnat plamenem do teploty A1. Ekvivalent uhlíku počítáme podle vzorce CE (CEV). (ČSN EN metoda C2.A) s tím, že při stanovení teploty předehřevu uvažujeme kombinovanou tloušťku plechů. 
• Normalizačně válcované, nebo po válcování normalizačně žíhané jemnozrnné konstrukční oceli ČSN EN 10025-3, označené ku příkladu jako S355N (1.0546). Oceli jsou vhodné pro únavově a dynamicky namáhané svařované konstrukce zařazené podle ČSN EN 5817 do skupin B a C. Oceli normalizačně válcované lze po svařování žíhat za teplot 620 °C včetně a lze je rovnat plamenem do teploty 650 °C. Oceli po doválcování normalizačně žíhané lze žíhat za teplot do 680 °C a rovnat plamenem do teploty A1. Ekvivalent uhlíku počítáme podle vzorce CET (metoda C3.B) s tím, že při stanovení teploty předehřevu uvažujeme reálnou tloušťku svařovaných plechů.
• Termomechanicky válcované, svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli ČSN EN 10025-4, označené ku příkladu jako S355M (1.8823). Oceli jsou vhodné pro únavově a dynamicky namáhané svařované konstrukce zařazené podle ČSN EN 5817 do skupin B a C. Oceli termomechanicky válcované lze po svařování žíhat za teplot do 560 °C včetně a nelze je rovnat plamenem, protože v místě rovnání (ohřevu) dochází ke snížení hodnoty meze kluzu. Ekvivalent uhlíku počítáme podle vzorce CET (metoda C3.B) s tím, že při stanovení teploty předehřevu uvažujeme reálnou tloušťku svařovaných plechů.

Autor děkuje doc. Ing. Jiřímu Janovcovi, CSc. a Mgr. Janu Krotkému za cenné rady, které využil při zpracování příspěvku v rámci projektu ZČU FPE KMT a SDP-KOVO s. r. o.

ZDROJE INFORMACÍ:

• Normy ČSN EN a ČSN EN ISO, citované v textu.

Choice of Construction Steels for Welded Construction According to the Meaning of Marking
For construction welded statically, dynamically and fatigue loaded, run under temperatures in the under creep area, steels according to ISO/TR 15608, Class 1, Groups 1.1, 1.2 and 1.3 and Class 2, Group 2.1 with the values of yield strength between 235 and 450 MPa are mostly used. Correct marking of steels according to the sing construction, particularly steels under ČSN EN 10027-1, Groups 1 and 2, is recommended in considerations of the selection of steels for welded constructions. In case of most often used steel S355, steel suitable for welding can be ordered in three various classes.

Autor

• Prof. Ing. Pilous Václav DrSc.