Q215 مقابل Q235 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
Q215 و Q235 هما درجتان من الفولاذ الكربوني/الصلب المعتدل الصيني المستخدمتان على نطاق واسع في التطبيقات الهيكلية والتصنيعية والهندسية العامة. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا معضلة اختيار بين الفولاذات ذات التكلفة المنخفضة وسهلة المعالجة والفولاذات البديلة ذات القوة العالية قليلاً التي تسمح بتصاميم أخف أو هوامش أداء أكثر ضيقًا. تشمل سياقات القرار النموذجية موازنة التكلفة مقابل القوة المطلوبة، واختيار الفولاذ للتصنيع الملحوم مقابل التشكيل البارد، وتقييم المتانة للخدمة في درجات الحرارة المنخفضة.
الفرق العملي الرئيسي بين الدرجتين ينشأ من الاختلافات في التركيب الكيميائي - وأبرزها الكربون والمنغنيز - وكيف تترجم تلك الاختلافات إلى قوة العائد الاسمية وحساسية المعالجة. نظرًا لأن كلاهما فولاذ كربوني غير سبائكي يتم إنتاجه تجاريًا ومخصص للتشكيل واللحام والاستخدام الهيكلي، فإنه يتم مقارنتهما عادةً أثناء اختيار المواد، وتحسين التكلفة، وتخطيط التصنيع.
1. المعايير والتسميات
- GB/T (الصين): Q215، Q235 (تسميات معيارية وطنية شائعة للفولاذات الهيكلية المدرفلة على الساخن).
- ISO/EN المعادلات: لا يوجد درجة ISO مباشرة واحدة، ولكن Q235 غالبًا ما يكون قابلًا للمقارنة وظيفيًا مع EN S235JR في التطبيقات الهيكلية.
- ASTM/ASME: لا يوجد معادل مباشر؛ يتم الاختيار عمومًا بناءً على الخصائص الميكانيكية بدلاً من التسمية الدقيقة.
- JIS: لا يوجد معادل مباشر؛ يتم المطابقة بناءً على خصائص الشد/العائد والحدود الكيميائية.
- التصنيف: كل من Q215 و Q235 هما فولاذان هيكليان كربونيان عاديان (فولاذات منخفضة الكربون)، وليس سبائكيين أو فولاذ أدوات أو فولاذ مقاوم للصدأ. لا يعتبران HSLA ما لم يتم معالجتهما حراريًا ميكانيكيًا مع إضافة سبائك دقيقة.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
الدرجتان بسيطتان عمدًا في الكيمياء. يتم تقديم التركيبات التجارية النموذجية كمدى أو حدود قصوى بدلاً من قيم ثابتة دقيقة. الجدول أدناه يسرد الحدود الشائعة للعناصر أو النطاقات النموذجية لـ Q215 و Q235؛ يرجى الرجوع إلى التحليل المعتمد من المصنع والمعيار المعمول به (مثل GB/T 700) للقيم الحرجة للعقد.
| العنصر | Q215 (نموذجي / حد) | Q235 (نموذجي / حد) |
|---|---|---|
| C (الكربون) | ≈ 0.10–0.18 wt% (حد أقصى أقل من Q235) | ≈ 0.12–0.22 wt% (حد أقصى أعلى قليلاً) |
| Mn (المنغنيز) | ≈ 0.30–0.60 wt% | ≈ 0.30–0.80 wt% |
| Si (السيليكون) | ≈ 0.02–0.30 wt% | ≈ 0.02–0.30 wt% |
| P (الفوسفور) | ≤ 0.035 wt% (حد أقصى نموذجي) | ≤ 0.035 wt% (حد أقصى نموذجي) |
| S (الكبريت) | ≤ 0.035 wt% (حد أقصى نموذجي) | ≤ 0.035 wt% (حد أقصى نموذجي) |
| Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N | عادة ≤ آثار/جزء في المليون (ليس إضافات عمدية) | عادة ≤ آثار/جزء في المليون (ليس إضافات عمدية) |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون: يزيد من القوة والصلابة ولكنه يقلل من اللدونة وقابلية اللحام مع زيادة الكربون؛ كما يزيد من القدرة على التصلب. - المنغنيز: مزيل للأكسدة ومقوي؛ الزيادات المعتدلة تحسن من خصائص الشد/العائد وتقاوم هشاشة الكبريت. - السيليكون: إزالة الأكسدة وزيادة طفيفة في القوة. - العناصر المتبقية والسبائك الدقيقة (V، Nb، Ti) - ليست نموذجية في Q215/Q235 العادي - ستزيد من القوة من خلال تقوية الترسيب وتصفية حجم الحبيبات إذا كانت موجودة بكميات مضبوطة.
3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية
التركيبات الميكروهيكلية النموذجية لكلتا الدرجتين بعد الدرفلة الساخنة التقليدية والتبريد في الهواء هي مزيج من الفريت والبرلايت: - Q215: نسبة أعلى قليلاً من الفريت الألطف والبرلايت الخشن بسبب انخفاض الكربون؛ يميل إلى أن يكون أكثر لدونة. - Q235: نسبة أعلى قليلاً من البرلايت وتباعد بين الطبقات أدق إذا كان الكربون والمنغنيز عند الحدود العليا؛ يظهر قوة شد وعائد أعلى قليلاً.
استجابة المعالجة الحرارية: - التلدين/التطبيع: كلاهما يستجيب بشكل متوقع؛ التطبيع ينقي هيكل الحبيبات ويمكن أن يزيد بشكل معتدل من القوة والمتانة مقارنةً بالحالة المدرفلة. - التبريد والتخمير: ليس شائعًا لهذه الدرجات - نظرًا لأن الكربون منخفض، فإن القدرة على التصلب محدودة؛ دورات التبريد/التخمير الشديدة تعطي فائدة محدودة مقارنة بالفولاذات متوسطة الكربون. - المعالجة الحرارية الميكانيكية / السبائك الدقيقة: عندما يتم إضافة سبائك دقيقة ومعالجتها حراريًا ميكانيكيًا، يمكن أن تحقق الفولاذات في عائلة Q2xx قوة محسنة مع الاحتفاظ بالمتانة، ولكن ذلك ينقل المادة بعيدًا عن تصنيف Q215/Q235 القياسي.
4. الخصائص الميكانيكية
فيما يلي مقارنة نموذجية في النطاقات الشائعة المذكورة. القيم الفعلية تعتمد على شكل المنتج (لوح، ورقة، ملف)، السماكة، وشهادة المصنع.
| الخاصية | Q215 (نموذجي) | Q235 (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة العائد (Rp0.2) | ~215 ميجا باسكال (أساس التسمية الاسمية) | ~235 ميجا باسكال (أساس التسمية الاسمية) |
| قوة الشد | ≈ 340–470 ميجا باسكال | ≈ 370–500 ميجا باسكال |
| التمدد (A50 مم أو A5) | ≈ 20–26% | ≈ 20–28% |
| متانة الصدمة (شربي V-notch، إذا تم تحديدها) | متغير؛ عمومًا كافٍ للخدمة في الظروف المحيطة؛ أقل من Q235 عند المعالجة المماثلة إذا كان الكربون أعلى | أفضل متانة في درجات الحرارة المنخفضة عند المعالجة بشكل مماثل، ولكن يعتمد على السماكة والمعالجة الحرارية |
| الصلابة | منخفضة نسبيًا (HB ≤ ~140 نموذجية) | منخفضة نسبيًا ولكن أعلى قليلاً من Q215 |
أيها أقوى، أو أكثر متانة، أو أكثر لدونة؟ - القوة: يتم تحديد Q235 عند قوة عائد أعلى وعادة ما يكون أقوى من الاثنين. - اللدونة والمتانة: Q215، بمحتوى كربون أقل، يميل إلى أن يكون أكثر لدونة قليلاً وأسهل في التشكيل؛ تعتمد المتانة بشكل كبير على المعالجة وقد لا تختلف بشكل كبير للعديد من الأجزاء المصنعة في الورشة. - المقايضة: الاختلافات الصغيرة في الكربون والمنغنيز تنتج اختلافات متواضعة (~10% فئة) في قوة العائد وقوة الشد؛ يعتمد الاختيار على ما إذا كانت تلك الهوامش تمكّن من تقليل الوزن أو الحجم أو إذا كانت هناك حاجة إلى قابلية تشكيل أكبر.
5. قابلية اللحام
تتحكم قابلية اللحام بشكل كبير في المعادل الكربوني ومحتوى السبائك المتبقية. بالنسبة للفولاذات الكربونية العادية مثل Q215/Q235، فإن محتوى الكربون ومستوى المنغنيز هما العاملان الرئيسيان. اثنان من المؤشرات التجريبية الشائعة هما:
-
المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
معهد اللحام الدولي Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير (نوعي): - تشير القيم المنخفضة لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ إلى قابلية لحام أسهل مع خطر أقل من التشقق البارد المدعوم بالهيدروجين ومتطلبات تسخين مسبق أقل. - يظهر Q215 عمومًا قابلية لحام أفضل قليلاً من Q235 بسبب محتوى الكربون المنخفض، مما يقلل من القدرة على التصلب وقابلية الهشاشة للهياكل المارتنسيتية في منطقة التأثير الحراري (HAZ). - في الممارسة العملية، كلا الدرجتين قابلتان للحام بشكل كبير مع عمليات اللحام الشائعة (SMAW، GMAW، FCAW، SAW) بشرط تطبيق التحكم المناسب في التسخين المسبق/بين الطبقات، واختيار المواد الاستهلاكية، والتحكم في الهيدروجين للأبعاد ومستويات القيود التي قد تعزز التشقق.
6. التآكل وحماية السطح
- لا يعتبر Q215 ولا Q235 مقاومًا للصدأ؛ مقاومة التآكل الجوي مشابهة ومحدودة. تشمل استراتيجيات الحماية الطلاء، الطلاء بالمسحوق، الجلفنة (الغمر الساخن أو الجلفنة الكهربائية)، أو المعالجات السطحية المعدنية (مثل صفائح الزنك).
- عند تحديد الجلفنة، يجب مراعاة السماكة وتسلسل التصنيع (الجلفنة المسبقة مقابل معالجة اللحام بعد الجلفنة).
- PREN (عدد مقاومة التآكل) يستخدم فقط للفولاذ المقاوم للصدأ وليس له تطبيق لـ Q215/Q235: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- بالنسبة لـ Q215/Q235، فإن السماح بالتآكل في التصميم والطلاءات المناسبة هي التدابير الرئيسية للوقاية.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- التشكيل البارد/الانحناء: Q215 (الكربون المنخفض) أسهل قليلاً في التشكيل البارد ولديه تمدد أعلى قليلاً عند السماكات المماثلة؛ يمكن تشكيل Q235 ولكن قد يتطلب أنصاف انحناء أكبر لنفس السماكة.
- قابلية التشغيل: كلاهما قابل للتشغيل عمومًا؛ الكربون الأعلى والمنغنيز في Q235 يعطيان قوة أعلى قليلاً وقد يزيدان من تآكل الأدوات بشكل طفيف. تعتمد قابلية التشغيل أكثر على حالة المعالجة الحرارية ومحتوى الكبريت من الاختلاف الصغير بين هاتين الدرجتين.
- القطع/العمليات الحرارية: قطع البلازما، الأكسجين والوقود، وقطع الليزر تعمل بشكل متساوٍ؛ يجب الانتباه إلى تصلب الحواف في حالات التبريد السريع جدًا.
- إنهاء السطح: كلاهما يقبل الطلاء، الجلفنة، والتغطية؛ تتصرف أوضاع اللحام والمعالجات بعد اللحام بشكل مماثل.
8. التطبيقات النموذجية
| Q215 - الاستخدامات النموذجية | Q235 - الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أعضاء هيكلية منخفضة التكلفة لحالات الحمل غير الحرجة، هياكل خفيفة، معدات زراعية، تصنيع عام حيث لا تتطلب أقصى قوة | فولاذ هيكلي للمباني، الجسور، الأعمال الفولاذية الخفيفة، الأقسام الهيكلية الملحومة حيث تكون القوة الأعلى قليلاً مفيدة |
| أقسام مشكّلة باردًا مع متطلبات عالية من القابلية للتشكيل | أجزاء ميكانيكية حيث يسمح الزيادة الصغيرة في القوة بتقليل الوزن |
| مكونات زخرفية ومطلية | لوحات هيكلية وأشكال عامة حيث يتم تحديد مستويات القوة القياسية |
مبررات الاختيار: - اختر Q215 عندما تكون القابلية للتشكيل، التكلفة المنخفضة، والقوة الكافية للهياكل غير الحرجة هي الأولويات. - اختر Q235 عندما يتطلب التصميم قوة عائد/شد أعلى لتقليل حجم القسم أو الوزن، مع الاحتفاظ بقابلية لحام جيدة وقابلية تشكيل.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: Q215 عمومًا أرخص قليلاً من Q235 بسبب محتوى الكربون/المنغنيز الأقل قليلاً والمعالجة المرتبطة. الفرق في السعر صغير وغالبًا ما يطغى عليه أسعار الفولاذ في السوق وشكل المنتج (لوح، ملف).
- التوافر: كلا الدرجتين متوفرتان عادةً في المخازن من قبل المصانع والموزعين في أشكال ورقة، لوح، وملف. غالبًا ما يتم تحديد Q235 بشكل أكثر شيوعًا في المعايير الهندسية وقد يكون له توافر أوسع في الألواح الهيكلية المعتمدة والأقسام المدرفلة.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | Q215 | Q235 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة جدًا - أفضل قليلاً بسبب انخفاض الكربون | جيدة جدًا - CE أعلى قليلاً إذا كان Mn/C قريبًا من الحدود العليا |
| توازن القوة والمتانة | قوة اسمية أقل، لدونة أعلى قليلاً | قوة عائد وشد اسمية أعلى، متانة قابلة للمقارنة مع المعالجة المناسبة |
| التكلفة | أقل قليلاً | أعلى قليلاً ولكن متوفر على نطاق واسع |
التوصيات النهائية: - اختر Q215 إذا كانت أولوياتك هي أقصى قابلية للتشكيل، أقل تكلفة ممكنة للمواد للأجزاء الهيكلية غير الحرجة، أو عندما تتضمن عمليات التصنيع تشكيلًا باردًا وانحناءً واسع النطاق. - اختر Q235 إذا كان تصميمك يتطلب قوة عائد محددة أعلى لتقليل حجم الأعضاء أو الوزن، أو لتلبية المواصفات الهيكلية القياسية حيث تبسط القوة الاسمية الأعلى الامتثال وهوامش التصميم.
ملاحظة نهائية: تحقق دائمًا من شهادات اختبار المصنع وتأكد من الخصائص الميكانيكية والكيميائية للدفعة المحددة وشكل المنتج. بالنسبة للتطبيقات الحرجة الملحومة، أو ذات درجات الحرارة المنخفضة، أو الحساسة للإجهاد، حدد اختبارات المتانة المناسبة، وإجراءات اللحام، وأي معالجة حرارية بعد اللحام أو تسخين مسبق بناءً على السماكة والقيود.