Q345B مقابل Q345D – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
Q345B و Q345D هما نوعان من الفولاذ الهيكلي منخفض السبيكة الصيني، وغالبًا ما يُشار إليهما بموجب GB/T 1591. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بموازنتهما ضد بعضهما البعض عند تصميم الهياكل الملحومة والجسور والرافعات ومعدات المناخ البارد. السياق المعتاد للقرار يوازن بين القوة الميكانيكية المطلوبة، وقابلية اللحام، وتكلفة الإنتاج، والصلابة المطلوبة عند درجة حرارة الخدمة.
التمييز العملي الرئيسي بين هذين النوعين يكمن في أدائهما المحدد عند درجات الحرارة المنخفضة: أحدهما مخصص للاستخدام الهيكلي العام في الظروف المحيطة، بينما الآخر محدد ومعالج لتقديم صلابة كسر أعلى عند درجات حرارة منخفضة (دون المحيط). نظرًا لأن العديد من المعلمات الكيميائية والميكانيكية الأخرى مشتركة (أو متشابهة جدًا)، فإن الاختيار غالبًا ما يعتمد على متطلبات الصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة، وقيود التصنيع، والميزانية.
1. المعايير والتسميات
- المعيار الأساسي: GB/T 1591 — "الفولاذ الهيكلي منخفض السبيكة المدلفن على الساخن" (الصين).
- المكافئات الدولية / المواصفات ذات الصلة: لا يوجد تطابق مباشر واحد لواحد في ASTM/ASME أو EN؛ توجد فولاذيات عالية القوة منخفضة السبيكة (HSLA) مشابهة (على سبيل المثال عائلات ASTM A572 و S355) ولكن توجد اختلافات في الكيمياء ومعايير التأثير.
- التصنيف حسب النوع: فولاذ هيكلي كربوني منخفض السبيكة عالي القوة (HSLA).
- التسميات:
- Q345B — Q = نقطة الخضوع، 345 ≈ 345 ميغاباسكال كحد أدنى للخضوع، "B" تشير إلى فئة درجة حرارة اختبار التأثير المحددة (عادة 0 °م).
- Q345D — نفس فئة القوة الاسمية مع "D" تشير إلى متطلبات اختبار تأثير أكثر صرامة (درجة حرارة أقل) (عادة −20 °م).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
فيما يلي مقارنة مختصرة للعناصر الشائعة التي يتم التحكم فيها عادةً في درجات Q345. القيم المعروضة تمثل الحدود النموذجية المستخدمة في الممارسة (استشر النسخة المعمول بها من GB/T 1591 أو شهادة المصنع للحصول على الحدود الدقيقة).
| عنصر | النطاق أو الحد النموذجي (Q345B) | النطاق أو الحد النموذجي (Q345D) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| C (الكربون) | ≤ ~0.20 wt% | ≤ ~0.20 wt% (غالبًا على الجانب الأدنى) | الكربون الأقل يحسن قابلية اللحام والصلابة؛ قد يتم إنتاج D مع تحكم أكثر دقة في الكربون. |
| Mn (المنغنيز) | ~0.4–1.6 wt% | ~0.4–1.6 wt% | يزيد المنغنيز من القوة وقابلية التصلب؛ المحتوى النموذجي مشابه لكليهما. |
| Si (السيليكون) | ≤ ~0.50 wt% | ≤ ~0.50 wt% | إزالة الأكسدة؛ كميات معتدلة تساعد في القوة دون الإضرار بالصلابة. |
| P (الفوسفور) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% | يتم الحفاظ عليها منخفضة لتجنب الهشاشة. |
| S (الكبريت) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% | يتم الحفاظ عليها منخفضة من أجل الصلابة وقابلية اللحام. |
| Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N | عادةً بكميات ضئيلة أو غير محددة بما يتجاوز الحدود القصوى | نفس الشيء، مع وجود D أحيانًا بإضافات ميكروسبائكية أكثر دقة أو تحكم في حجم الحبيبات | تستخدم الميكروسبائك (Nb، V، Ti) والمعالجة المتحكم بها لتقليل حجم الحبيبات وتحسين الصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة لـ D. |
كيف تعمل استراتيجية السبيكة: - الكربون والمنغنيز هما المساهمان الرئيسيان في القوة؛ زيادة المنغنيز تزيد من القوة ولكنها ترفع من قابلية التصلب وإمكانية حدوث تشققات باردة إذا لم يتم التحكم فيها. - يمكن إضافة الميكروسبائك (Nb، V، Ti) بكميات صغيرة لتعزيز تقليل حجم الحبيبات وتقوية الترسيب دون زيادة كبيرة في الكربون المكافئ - وهو مسار مفضل لتحسين الصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة. - التحكم في العناصر الطفيلية P و S أمر حاسم لكلا الدرجتين؛ تساعد المستويات المنخفضة في الحفاظ على اللدونة ومقاومة الكسر.
(تحقق دائمًا من شهادة المصنع أو النسخة المعمول بها من المعيار للحصول على التركيب الدقيق لحرارة معينة أو شكل منتج.)
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية النموذجية: - يتم إنتاج كل من Q345B و Q345D لتقديم بنية مجهرية تتكون أساسًا من الفريت والبرليت في الحالة المدلفنة. البنية المجهرية هي وظيفة من الكيمياء ومعدل التبريد والمعالجة الحرارية الميكانيكية.
طرق المعالجة وتأثيراتها: - التطبيع: تسخين فوق درجة حرارة التحول والتبريد في الهواء ينتج بنية فريت-برليت مصقولة وأكثر تجانسًا يمكن أن تحسن الصلابة قليلاً. - الدرفلة المتحكم بها / معالجة التحكم الحراري الميكانيكي (TMCP): تقلل من حجم حبيبات الأوستينيت قبل التحول وتعزز الفريت ذو الحبيبات الدقيقة مع برليت أو باينيت متشتت - هذه هي طريقة شائعة لتلبية متطلبات الصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة لـ Q345D دون زيادة السبيكة. - التبريد والتخمير: ليس شائعًا لهذه الدرجات لأن Q345 محدد كفولاذ هيكلي مدلفن على الساخن؛ التبريد والتخمير سيخلق قوة أعلى ولكنه فئة منتج مختلفة. - اختلافات استجابة المعالجة الحرارية: نظرًا لأن الكيمياء الأساسية متشابهة، فإن الاختلافات في الاستجابة عادة ما تتحقق من خلال التحكم الأكثر دقة في جداول الدرفلة وإضافات الميكروسبائك لـ Q345D لضمان حجم حبيبات أدق وطاقة شاربى V-notch أعلى عند درجات الحرارة المنخفضة.
حجم الحبيبات والصلابة: - حجم حبيبات الأوستينيت السابقة الأدق وحجم/توزيع الشوائب المخفضة يحسن الصلابة ويقلل من درجة حرارة الانتقال من اللدونة إلى الهشاشة - الآلية المعتادة التي تجعل Q345D يتفوق على Q345B عند درجات الحرارة دون المحيط.
4. الخصائص الميكانيكية
الخصائص الميكانيكية التمثيلية لدرجات Q345 (قيم نموذجية؛ تحقق من المعيار أو شهادة اختبار المصنع للحصول على المنتج الدقيق):
| الخاصية | Q345B النموذجي | Q345D النموذجي | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| حد القوة الدنيا (ميغاباسكال) | ~345 ميغاباسكال | ~345 ميغاباسكال | تستهدف كلا الدرجتين نفس الحد الأدنى من القوة (الاسم يعطي 345 ميغاباسكال). |
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~470–630 ميغاباسكال | ~470–630 ميغاباسكال | نطاقات الشد متداخلة؛ الشكل المحدد للمنتج (لوح، ملف) والسماكة تؤثر على القيم. |
| التمدد (A%) | ≥ ~20% (اعتمادًا على السماكة) | ≥ ~20% (اعتمادًا على السماكة) | تحافظ D عمومًا على لدونة مشابهة مع تحسين الصلابة. |
| صلابة التأثير (شاربي V) | عادة ما يتم تحديدها عند 0 °م (على سبيل المثال، 27 جول نموذجية) | محددة عند درجة حرارة أقل، على سبيل المثال، −20 °م (نفس مستوى الطاقة عند درجة حرارة أقل) | المحدد الرئيسي: تتطلب Q345D طاقة تأثير مقبولة عند درجة حرارة أقل. |
| الصلابة (HB) | عادة ما تكون معتدلة؛ ليست درجة تحكم في الصلابة | مماثلة | عادة ما تكون الصلابة ضمن نطاقات متوافقة مع اللحام والتشكيل؛ ليست تحكمًا أساسيًا في المواصفات. |
التفسير: - القوة: توفر كلا الدرجتين نفس القوة الاسمية المتشابهة ونطاقات الشد - لا أحدهما "أقوى" بطبيعته في القوة الثابتة إذا تم تزويده بنفس المواصفة. - الصلابة: يتم معالجة Q345D وتأهيلها لتقديم صلابة تأثير أعلى عند درجات الحرارة المنخفضة؛ لذلك من غير المرجح أن تتعرض للكسر الهش في البيئات الباردة. - اللدونة: قابلة للمقارنة بين الاثنين عند اختبارها عند درجات حرارة التأهيل الخاصة بها؛ تهدف استراتيجيات التقوية إلى الاحتفاظ باللدونة في Q345D.
5. قابلية اللحام
تتحكم قابلية اللحام إلى حد كبير في محتوى الكربون، والمعادل الكربوني (قابلية التصلب)، والميكروسبائك.
الصيغ الشائعة لقابلية اللحام (مفيدة للمقارنة النوعية): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ و $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - كل من Q345B و Q345D لهما محتوى كربون منخفض نسبيًا ومنغنيز معتدل، مما يمنح عمومًا قابلية لحام جيدة للتطبيقات الهيكلية. - قد يتم إنتاج Q345D مع تحكم أكثر دقة في الكربون ومع تحسين الميكروسبائك/حجم الحبيبات لتلبية متطلبات الصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة، مما يمكن أن يساعد فعليًا في صلابة ما بعد اللحام إذا كانت إجراءات اللحام تتحكم في إدخال الحرارة ومتطلبات التسخين المسبق. - عادةً ما تكون قيم المعادل الكربوني لكلا الدرجتين منخفضة إلى معتدلة، مما يعني أن إجراءات التسخين المسبق/ما بعد التسخين القياسية والمواد الاستهلاكية الشائعة تكفي في معظم الحالات؛ ومع ذلك، يمكن أن تتطلب الأقسام الأكثر سمكًا، والقيود، وتصميم الوصلات التسخين المسبق وإدخال الحرارة المتحكم فيه. - استمد دائمًا توصيات PWHT (المعالجة الحرارية بعد اللحام) والتسخين المسبق من تأهيل إجراء اللحام الذي يستخدم CE الفعلي أو $P_{cm}$ للحرارة.
6. التآكل وحماية السطح
- لا Q345B ولا Q345D غير قابلين للصدأ؛ كلاهما فولاذ هيكلي منخفض السبيكة غير قابل للصدأ وسيتعرضان للتآكل في البيئات العدوانية.
- استراتيجيات الحماية النموذجية: الغلفنة بالغمس الساخن، أنظمة الطلاء بالزنك أو الإيبوكسي، الطلاءات المقاومة للعوامل الجوية (إذا كان تركيب السبيكة يدعم ذلك)، الحماية الكاثودية في البيئات المغمورة، أو استخدام الطلاءات التضحية.
- لاستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ أو المقاوم للتآكل: لا ينطبق PREN على هذه الفولاذيات غير القابلة للصدأ. تذكير بصيغة PREN للسياقات المقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- في الممارسة العملية، اختر حماية السطح وفقًا لفئة التعرض (جوية، بحرية، كيميائية) بدلاً من الاختلافات التركيبية الصغيرة بين Q345B و Q345D.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل: تظهر كلا الدرجتين خصائص جيدة في التشكيل البارد والانحناء النموذجية لفولاذيات HSLA عندما تكون ضمن السماكات المحددة وعندما تتوافق أنصاف أقطار الانحناء مع الحد الأدنى الموصى به. لا تؤثر صلابة Q345D المحسنة عند درجات الحرارة المنخفضة بشكل كبير على قابلية التشكيل.
- قابلية التشغيل: كلاهما معتدل في قابلية التشغيل - حالة المادة (الميكروسبائك، مستوى القوة) تؤثر على عمر الأداة. تنطبق الاحتياطات النموذجية للمعالجة على الفولاذيات عالية القوة (استخدام إعدادات صلبة، تبريد كافٍ، ومعلمات قطع صحيحة).
- القطع واللحام: تعمل تقنيات القطع بالأكسجين والغاز، والبلازما، والليزر بشكل مشابه لكليهما. يتم اختيار المواد الاستهلاكية للحام لتتناسب مع متطلبات الخصائص الميكانيكية؛ عندما تكون الصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة مطلوبة في منطقة اللحام، استخدم مواد استهلاكية متطابقة وإجراءات مؤهلة.
8. التطبيقات النموذجية
| Q345B (الاستخدامات النموذجية) | Q345D (الاستخدامات النموذجية) |
|---|---|
| أعضاء هيكلية عامة: عوارض، أعمدة، عوارض لوحية ملحومة للمناخات القياسية | أعضاء هيكلية للمناخات الباردة: أسطح بحرية، إطارات تخزين مبردة، جسور في المناطق الباردة |
| رافعات، رافعات، وتصنيع عام حيث تنطبق الخدمة المحيطة أو الخدمة تحت المحيط قليلاً | مكونات معرضة لدرجات حرارة محيطية أقل أو درجات حرارة تحت الصفر العابرة، أو حيث تتطلب صلابة الكسر عند −20 °م |
| إطارات الآلات، فولاذ التصنيع، لوح للاستخدام العام | أعمال فولاذية ملحومة ثقيلة مع معايير خدمة عند درجات الحرارة المنخفضة، معدات ضغط معينة حيث يتم تحديد صلابة درجات الحرارة المنخفضة |
| وصلات الأنابيب والشفة للخدمة غير التآكلية | نفس Q345B حيث يتم فرض أداء تأثير منخفض الحرارة إضافي |
مبررات الاختيار: - اختر Q345B للمشاريع الحساسة من حيث التكلفة التي تعمل عند أو فوق درجات حرارة الخدمة المحيطة القياسية. - اختر Q345D حيث تتطلب الأكواد أو مواصفات العملاء أو تقييمات المخاطر صلابة تأثير موثقة عند درجات حرارة منخفضة معتدلة (على سبيل المثال، −20 °م).
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: Q345B عمومًا أقل تكلفة قليلاً من Q345D لأن D عادةً ما تتطلب تحكمًا أكثر دقة في العمليات أو اختبارات إضافية للتحقق من صلابة درجات الحرارة المنخفضة. الفارق في السعر متواضع لمعظم الألواح/الملفات التجارية ولكن يمكن أن يرتفع مع السماكة وأوقات التسليم الضيقة.
- التوافر: يتم إنتاج Q345B على نطاق واسع ومتاحة في العديد من أشكال المنتجات (لوح، ملف، عارضة). Q345D متاحة أيضًا بشكل شائع ولكن قد يكون لديها أوقات تسليم أطول أو يتم إنتاجها حسب الطلب في بعض المصانع، خاصةً للأقسام الأكثر سمكًا أو عندما تكون المعالجات الحرارية المحددة مطلوبة.
- تؤثر شكل المنتج على العرض: الألواح والأشكال الهيكلية في الأحجام الشائعة متاحة بسهولة؛ يمكن أن تؤدي الأبعاد المتخصصة، أو سماكات الألواح الثقيلة، أو التسامحات السطحية غير العادية إلى إطالة أوقات التسليم.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص
| السمة | Q345B | Q345D |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة جدًا (كربون منخفض، CE معتدل) | جيدة جدًا؛ قد تحتاج إلى نفس ضوابط اللحام؛ غالبًا ما تكون سلوك PWHT مشابه أو أفضل قليلاً بسبب التحكم في العملية |
| توازن القوة–الصلابة | توازن جيد عام عند درجات الحرارة المحيطة | صلابة أفضل عند درجات الحرارة المنخفضة لقوة قابلة للمقارنة |
| التكلفة | أقل (نموذجي) | أعلى قليلاً (نموذجي) |
التوصيات: - اختر Q345B إذا كانت الهيكل ستعمل بشكل أساسي عند درجات حرارة محيطة أو باردة قليلاً، وكانت السيطرة على التكلفة مهمة، وكان من المقرر استخدام إجراءات اللحام/التصنيع القياسية. - اختر Q345D إذا كانت التطبيق تعرض المادة لبيئات تحت الصفر المستدامة أو الصدمات الباردة، أو إذا كان التصميم أو الكود يتطلب طاقة تأثير موثقة عند درجات حرارة أقل (على سبيل المثال، −20 °م)، أو إذا كانت تقييمات المخاطر تشير إلى التحكم في الكسر الهش عند درجات حرارة الخدمة المنخفضة.
ملاحظة نهائية: كلا من Q345B و Q345D هما فولاذيات هيكلية HSLA فعالة بنفس قوة الخضوع الاسمية. العامل المميز العملي هو صلابة الكسر الموثقة عند درجات الحرارة المنخفضة وضوابط المعالجة المستخدمة لتحقيق ذلك. حدد دائمًا قيم درجة حرارة التأثير والطاقة المطلوبة بشكل صريح في مستندات الشراء، واطلب شهادات اختبار المصنع ونتائج شاربى V-notch للحرارات المسلمة لضمان أن الدرجة المختارة تلبي احتياجات المشروع من صلابة الكسر والتصنيع.