Jakie są gatunki stali konstrukcyjnej?

Planujesz konstrukcję stalową i gubisz się w oznaczeniach typu S235, S355 czy S460Q? Z tego artykułu dowiesz się, jakie są główne gatunki stali konstrukcyjnej i czym się od siebie różnią. Dzięki temu łatwiej dobierzesz stal do projektu, rozmowy z projektantem czy zamówienia w hucie.

Co oznacza stal konstrukcyjna S?

W oznaczeniach europejskich każda stal konstrukcyjna zaczyna się literą S. To skrót od angielskiego słowa steel i od razu informuje, że chodzi o stal do zastosowań konstrukcyjnych, a nie narzędziowych czy specjalnych. Po literze pojawia się liczba, która określa minimalną granicę plastyczności w MPa dla elementu o grubości do 16 mm.

Dla najczęściej stosowanych gatunków wygląda to tak: S235 ma Re min. 235 MPa, S275 – 275 MPa, S355 – 355 MPa, a mocniejsze odmiany jak S420 czy S460 mają jeszcze wyższe wartości. Im wyższa liczba, tym stal jest twardsza, mniej podatna na trwałe odkształcenia i pozwala projektować lżejsze przekroje przy tej samej nośności.

Litera S mówi, że to stal konstrukcyjna, a liczba po niej – ile wynosi minimalna granica plastyczności w MPa dla podstawowego zakresu grubości.

W oznaczeniach spotkasz też dodatkowe litery, np. JR, J0, J2, M, N, Q, W. Informują one o udarności, sposobie walcowania lub utwardzania oraz o tym, czy stal jest trudno rdzewiejąca. To właśnie kombinacja liczby i tych symboli tworzy konkretny gatunek stali konstrukcyjnej.

Jakie są rodzaje stali konstrukcyjnej?

Gatunki stali konstrukcyjnej można podzielić według składu chemicznego, jakości i roli w konstrukcji. W praktyce na budowie często padają nazwy „miękka” S235, „twarda” S355 albo „zimnogięta” S350GD, ale za tymi skrótami kryją się konkretne grupy według norm PN-EN.

Stale niestopowe konstrukcyjne

Stal niestopowa konstrukcyjna zawiera głównie żelazo i węgiel oraz niewielkie ilości innych pierwiastków. Zawartość węgla wynosi zwykle ok. 0,17–0,20%, czyli daleko poniżej granicy odróżniającej stal od żeliwa, która wynosi 2,11%. Udział innych składników jest ściśle ograniczony: mangan do 1,65%, krzem do ok. 0,5–0,6%, miedź i ołów do 0,4%, chrom i nikiel do 0,3%, a mikrodomieszki takich pierwiastków jak molibden, niob, bor czy wanad liczy się już w setnych i tysięcznych procenta.

Dzięki takiemu ograniczeniu stali niestopowe są:

• łatwe w spawaniu i obróbce mechanicznej,
• dobre do gięcia, prostowania i cięcia,
• stosunkowo tanie i szeroko dostępne,
• przewidywalne pod względem właściwości mechanicznych.

Do tej grupy należą tak znane gatunki jak S235, S275 i S355 z dodatkowymi oznaczeniami udarności, np. S235JR, S275J2, S355J0. Dodatkowy symbol literowy po liczbie informuje o pracy łamania KV równej 27 J w określonej temperaturze: JR dla +20°C, J0 dla 0°C, J2 dla -20°C. Wersje z literą K (KR, K0, K2) oznaczają KV = 40 J.

Stale niskostopowe drobnoziarniste

Stal niskostopowa zawiera więcej dodatków stopowych niż niestopowa, ale łączna ilość domieszek wciąż pozostaje ograniczona. W stalach drobnoziarnistych istotną rolę odgrywają mikrodomieszki, które tworzą węgliki i azotki, a jednocześnie po obróbce cieplnej rozdrabniają ziarno. Taka struktura podnosi wytrzymałość i poprawia udarność szczególnie w niskich temperaturach.

W oznaczeniach pojawiają się wtedy dodatkowe litery dotyczące stanu dostawy: M dla walcowania termomechanicznego, N dla walcowania normalizującego lub normalizowania, Q dla stali ulepszanych cieplnie i A dla stali utwardzanych wydzieleniowo. Druga litera, np. L, L1, określa wymagany poziom pracy łamania KV przy -20°C lub -40°C.

Do grupy konstrukcyjnych stali drobnoziarnistych zalicza się między innymi:

• stale termomechanicznie walcowane, jak S275M, S355M, S420M, S460M oraz ich odmiany niskotemperaturowe z oznaczeniem ML,
• stale normalizowane lub walcowane normalizująco: S275N, S355N, S420N, S460N i wersje NL przystosowane do chłodniejszych klimatów,
• stale ulepszane cieplnie: S460Q, S500Q, S690Q, a także S890Q, S960Q do bardzo obciążonych konstrukcji.

W konstrukcjach halowych i mostowych takie stale pozwalają zmniejszyć przekroje elementów zachowując wymaganą nośność, co mocno redukuje masę całej konstrukcji i zużycie materiału.

Stale trudno rdzewiejące

Osobną klasę stali konstrukcyjnych stanowią stale trudno rdzewiejące, często nazywane „weathering steel”. Są to stale stopowe, ale oznaczenia bazowe pozostają takie jak dla stali niestopowych, a na końcu pojawia się litera W lub WP. Symbol WP oznacza podwyższoną zawartość fosforu.

Do tej grupy należą m.in. gatunki S235J2W, S355J0W, S355J2WP, S355K2G1W. Ich skład dobrano tak, by na powierzchni tworzyła się szczelna warstwa nalotu ograniczająca dalszą korozję. Tego typu stal stosuje się w mostach, konstrukcjach drogowych, elewacjach i elementach inżynierskich, które pracują bez dodatkowych powłok lakierniczych.

Jakie są najpopularniejsze gatunki stali konstrukcyjnej?

W codziennej praktyce projektowej i na halach produkcyjnych przewijają się głównie cztery klasy stali: S235, S275, S355 i – w przypadku profili zimnogiętych – S350GD oraz S450GD. Różnią się one granicą plastyczności, masą konstrukcji, ceną oraz zakresem typowych zastosowań.

S235 – „miękka” stal konstrukcyjna

Stal S235 to najczęściej stosowany gatunek konstrukcyjny w Polsce. Zawiera ok. 0,17–0,20% węgla, około 1,4% manganu i do 0,35% krzemu, a gęstość stopu wynosi przeciętnie 7,85 g/cm³. Granica plastyczności tej stali to minimum 235 MPa, a wytrzymałość na rozciąganie jest umiarkowana, ale w zupełności wystarczająca dla większości lekkich i średnich konstrukcji.

W praktyce S235 jest chętnie wybierana, bo:

• jest bardzo dobrze spawalna,
• łatwo ją ciąć, giąć i formować,
• jest tania i szeroko dostępna w kształtownikach i blachach,
• sprawdza się w słupach, belkach pomocniczych, stężeniach czy elementach montażowych.

Z S235 wykonuje się przede wszystkim profile zamknięte, blachy stalowe, kątowniki i teowniki stosowane w budownictwie kubaturowym, lekkich konstrukcjach przemysłowych oraz w inżynierii lądowej i morskiej. Kreatywni producenci hal wykorzystują ją do antresoli, platform technicznych i mniej obciążonych części ram głównych.

S355 – „twarda” stal konstrukcyjna

Stal S355 ma znacznie wyższą granicę plastyczności – minimum 355 MPa. Oznacza to, że dla tego samego obciążenia można zaprojektować cieńsze przekroje, a cała konstrukcja będzie lżejsza. Przy tym stal zachowuje dobrą spawalność i przyzwoitą plastyczność, choć jej obróbka jest nieco bardziej wymagająca niż w przypadku S235.

S355 stosuje się przede wszystkim w elementach silnie obciążonych, takich jak:

• słupy i dźwigary w halach o dużych rozpiętościach,
• belki podsuwnicowe i podtorza suwnic,
• konstrukcje mostowe i drogowe,
• układy szkieletowe budynków o dużych obciążeniach użytkowych,
• elementy pracujące pod zmiennym ciśnieniem, np. części silników i urządzeń ciśnieniowych.

Ze stali S355 bardzo często produkuje się dwuteowniki HEA i HEB, belki IPE oraz profile zamknięte do głównych ram hali. Podobnie jak w S235, ważne są tu symbole dodatkowe JR, J0, J2, które określają gwarantowaną udarność w danej temperaturze. Dla konstrukcji narażonych na niższe temperatury projektanci wolą odmiany S355J0 lub S355J2.

Porównanie S235 i S355

Dla lepszego porównania różnic między S235 a S355 można przedstawić je w formie prostej tabeli:

W praktyce S235 bywa nazywana „miękkim” gatunkiem, a S355 „twardym”. Nie oznacza to, że S235 jest słaba. Jest po prostu bardziej sprężysta, łatwiejsza w obróbce i świetnie nadaje się do wielu typowych zastosowań, gdy obciążenia i rozpiętości nie są skrajnie duże.

Jakie są gatunki stali konstrukcyjnej do profili zimnogiętych?

W nowoczesnych halach stalowych, obok klasycznych dwuteowników walcowanych na gorąco, bardzo szeroko stosuje się zimnogięte kształtowniki z taśmy ocynkowanej. To płatwie dachowe i rygle ścienne w kształcie profili Z, C lub Sigma. Do ich wytwarzania używa się specjalnych gatunków stali konstrukcyjnej oznaczonych jako S350GD oraz S450GD.

S350GD

Oznaczenie S350GD wskazuje, że jest to stal konstrukcyjna o granicy plastyczności minimum 350 MPa, przystosowana do kształtowania na zimno i ocynkowania ogniowego (litery GD). Typowe zastosowania to:

• płatwie dachowe w lekkich dachach stalowych,
• rygle ścienne pod poszycie z blach trapezowych lub płyt warstwowych,
• profile Z, C, Sigma w układach drugorzędowych,
• lekkie podkonstrukcje wsporcze pod instalacje.

Podwyższona granica plastyczności w porównaniu do S235 pozwala na użycie cieńszych blach przy zachowaniu wymaganej sztywności płatwi i rygli. W połączeniu z ocynkiem ogniowym otrzymujemy materiał o dobrej nośności i wysokiej odporności na korozję atmosferyczną.

S450GD

Stal S450GD ma jeszcze wyższą granicę plastyczności – minimum 450 MPa. To gatunek „twardszy”, o dużej odporności na wyboczenia, często stosowany w zaawansowanych systemach płatwiowych, np. w systemie METSEC. Projektanci wykorzystują S450GD tam, gdzie chcą osiągnąć duże rozpiętości między ramami przy ograniczonej wysokości przekroju płatwi.

Zastosowanie S450GD pozwala uzyskać:

• mniejsze grubości blachy przy tej samej nośności,
• większe rozstawy płatwi dachowych,
• mniejszą liczbę podpór pośrednich i węzłów montażowych,
• niższą masę całego układu dachowego na 1 m².

Mimo że sama stal S450GD jest droższa niż S350GD, w rozliczeniu całej konstrukcji dachowej często wychodzi korzystnie. Niższa masa profili i mniejsza liczba elementów skracają czas montażu i redukują koszty transportu.

Czym różni się stal konstrukcyjna od narzędziowej?

Na koniec warto wyjaśnić ważne rozróżnienie. Stal konstrukcyjna i stal narzędziowa to zupełnie inne materiały, choć w obu przypadkach mówimy o stopach żelaza z węglem i dodatkami. Celem konstrukcyjnych gatunków stali jest bezpieczne przenoszenie obciążeń, a narzędziowych – wysoka twardość i odporność na zużycie w procesach skrawania.

Stale konstrukcyjne:

• są projektowane pod nośność, plastyczność i spawalność,
• pracują w belkach, słupach, ramach, kształtownikach nośnych,
• często mają umiarkowaną zawartość węgla (np. 0,2% w S235),
• są łatwe do spawania metodami MAG, MIG czy TIG,
• w wersjach trudno rdzewiejących uzyskują podwyższoną odporność na korozję.

Stale narzędziowe:

• mają bardzo wysoką twardość po hartowaniu,
• charakteryzuje je duża odporność na ścieranie i przegrzanie,
• stosuje się je do wierteł, frezów, matryc, noży, cążek,
• słabiej się spawają i wymagają szczególnej obróbki cieplnej,
• często zawierają wyższe ilości chromu, molibdenu czy wanadu.

Dzięki temu podziałowi łatwiej dobrać stal do zadania: profile nośne hal i mostów wykonuje się z gatunków S235, S355, S420, a elementy tnące i formujące – z odpowiednio dobranych stali narzędziowych stopowych.