1. Kernmechanismus: Die Rolle von Kohlenstoff in der Mikrostruktur und Sprödigkeit
Ein kontrollierter Kohlenstoffgehalt (weniger als oder gleich 0,18 %) vermeidet übermäßige Karbidausfällung und die Bildung harter, spröder Phasen (z. B. Martensit oder grober Perlit).
Eine Überschreitung dieses Grenzwerts (auch nur geringfügig, auf 0,20 % oder mehr) würde die ausgewogene Ferrit--Perlit-Mikrostruktur des Stahls stören und ihn in Richtung spröderer Phasen verschieben. Dies verringert direkt die Fähigkeit des Stahls, Aufprallenergie zu absorbieren (durch Begrenzung der plastischen Verformung) und erhöht die „duktile-Sprödübergangstemperatur“ (DBTT)-die Temperatur, unterhalb derer der Stahl plötzlich spröde wird.
2. Schlag bei niedrigen Temperaturen (-40 Grad bis -20 Grad): Kohlenstoff kontrolliert das Risiko des spröden Übergangs
Bei -40 Grad (optionale Niedrigtemperaturstufe):
S355K2Ws weniger als oder gleich 0,18 % C stellen sicher, dass seine DBTT unter -40 Grad bleibt. Der begrenzte Kohlenstoffgehalt hält die Karbide klein und gleichmäßig verteilt, sodass die Ferritmatrix ihre Duktilität behält. Die typische Aufprallenergie bei dieser Temperatur beträgt 45–65 J (weit über dem optionalen Standardwert von 30 J).
Wenn der Kohlenstoffgehalt 0,18 % übersteigt, würde die DBTT auf -35 Grad oder mehr steigen. Bei -40 Grad würde der Stahl in den spröden Bereich gelangen und die Aufprallenergie sinken<20 J-too low to resist sudden loads (e.g., wind or snow) without fracturing.Bei -20 Grad (obligatorische Grundvoraussetzung):
Der C-Gehalt von weniger als oder gleich 0,18 % ist der Schlüssel zur Erfüllung der Norm EN 10025-5 von mehr als oder gleich 40 J. Die feine Ferrit-Perlit-Mikrostruktur mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ermöglicht es dem Stahl, sich beim Aufprall plastisch zu verformen und Energie zu absorbieren.
Selbst eine Erhöhung des Kohlenstoffanteils um 0,02 % (auf 0,20 %) würde die Aufprallenergie um ca. 15–20 % (auf 32–34 J) reduzieren und damit das Minimum von 40 J unterschreiten. Dies liegt daran, dass zusätzlicher Kohlenstoff gröbere Perlitkolonien bildet, die als Ausgangspunkt für Risse dienen. -Risse breiten sich schneller aus und erfordern weniger Energie, um einen Bruch zu verursachen.
3. Schlag bei moderaten Temperaturen (0 bis 20 Grad): Kohlenstoff gleicht Stärke und Zähigkeit aus
Bei 0 Grad:
S355K2Ws weniger als oder gleich 0,18 % C unterstützen eine Schlagenergie von 80–120 J. Der niedrige Kohlenstoffgehalt maximiert die Duktilität der Ferritmatrix, sodass der Stahl bei dynamischen Belastungen (z. B. seismische Aktivität) große Energiemengen absorbieren kann.
Ein höherer Kohlenstoffgehalt (0,20 %+) würde die Energie auf 60–80 J senken. Dies übersteigt zwar immer noch die grundlegenden Sicherheitsanforderungen, verringert jedoch den Puffer gegen unerwartete Belastungen (z. B. unbeabsichtigte Stöße während des Baus).Bei 20 Grad (Raumtemperatur):
Die Versprödungswirkung von Kohlenstoff ist hier minimal, aber der Grenzwert von kleiner oder gleich 0,18 % sorgt immer noch für höchste Zähigkeit (100–150 J). Die ausgewogene Mikrostruktur ermöglicht eine vollständige plastische Verformung vor dem Bruch-kritisch für Anwendungen, bei denen der Stahl plötzlichen, hohen-Aufprallkräften ausgesetzt sein kann (z. B. Kollisionen mit schwerem Gerät auf Brücken).
4. Praktische Implikationen: Warum EN 10025-5 den Kohlenstoffgehalt strikt auf weniger als oder gleich 0,18 % begrenzt
For thick plates (>100 mm), eine langsamere Abkühlung während der Produktion kann zu einer leichten Vergröberung der Körner führen. Der niedrige Kohlenstoffgehalt gleicht dies aus, indem er das Karbidwachstum begrenzt und dafür sorgt, dass selbst 150 mm-dicke Platten immer noch mindestens 35 J bei -20 Grad aushalten.
Für dünne Platten (<25mm), low carbon prevents "over-strengthening"-the steel retains enough ductility to avoid brittle failure during fabrication (e.g., bending or welding) and service.
