Q345 مقابل Q355 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

Q345 و Q355 هما نوعان من الفولاذ الهيكلي المعين من قبل الصين، ويستخدمان بشكل واسع في التصميم والتصنيع والتوريد للمباني والجسور وأجزاء الضغط والمعدات الثقيلة. يقوم المهندسون عادةً بموازنة عوامل مثل القوة مقابل قابلية اللحام، والتكلفة مقابل هامش الأمان، والصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة عند الاختيار بين هذين النوعين.

الفرق العملي الرئيسي هو أن Q355 يحدد قوة عائد اسمية أعلى من Q345 بينما يبقى ضمن نفس عائلة الفولاذ الهيكلي عالي القوة ومنخفض السبيكة. نظرًا لأن النوعين يشتركان في كيمياء وطرق معالجة مشابهة، فإن الاختيار غالبًا ما يعتمد على سعة العائد المطلوبة، وقيود السماكة/المقطع، وأداء الصدمات، والتكلفة بدلاً من سلوك المواد المختلف جذريًا.

1. المعايير والتسميات

• المعيار الصيني الأساسي: GB/T 1591 (الفولاذ الهيكلي عالي القوة ومنخفض السبيكة)، والذي يشمل سلسلتي Q345 و Q355.
• معايير أخرى ذات صلة وعائلات مرجعية متقاطعة (تختلف التوافر والتكافؤ الدقيق حسب المنطقة والتطبيق): EN (على سبيل المثال، عائلة S355)، درجات ASTM/ASME الهيكلية، JIS؛ لاحظ أن التكافؤ المباشر بين GB و EN/ASTM ليس دقيقًا ويجب التحقق منه لكل تطبيق.
• التصنيف: كل من Q345 و Q355 هما فولاذان هيكليان HSLA (عالي القوة ومنخفض السبيكة) من الكربون/المعالجة الدقيقة (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس فولاذ أدوات، وليس فولاذ عالي السبيكة).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

تم تصميم فولاذ Q-series لتحقيق قوة عائد أعلى من خلال التحكم في محتوى الكربون مع السبيكة الدقيقة والتحكم الحراري الميكانيكي في البنية المجهرية. تختلف الحدود الدقيقة حسب الدرجة الفرعية (على سبيل المثال، Q345A/B/C/D/E المتغيرات)؛ الجدول أدناه يعطي نطاقات التركيب النموذجية المستخدمة للاختيار الهندسي والمقارنة. استشر دائمًا الشهادة والمعيار المعمول به للحصول على حدود دقيقة.

عنصر	Q345 النموذجي (wt%)	Q355 النموذجي (wt%)
C	0.12 – 0.20	0.10 – 0.20
Mn	0.80 – 1.60	0.80 – 1.60
Si	0.20 – 0.50	0.20 – 0.50
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	≤ 0.30 (إذا كان موجودًا)	≤ 0.30 (إذا كان موجودًا)
Ni	≤ 0.30 (إذا كان موجودًا)	≤ 0.30 (إذا كان موجودًا)
Mo	≤ 0.08 (عرضي)	≤ 0.08 (عرضي)
V	أثر (سبيكة دقيقة)	أثر (سبيكة دقيقة)
Nb	أثر (سبيكة دقيقة)	أثر (سبيكة دقيقة)
Ti	أثر (سبيكة دقيقة)	أثر (سبيكة دقيقة)
B	أثر (نادر)	أثر (نادر)
N	متحكم (منخفض)	متحكم (منخفض)

كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - يتحكم الكربون والمنغنيز بشكل أساسي في القوة من خلال تقوية الحل الصلب ويؤثران على قابلية التصلب. - تعزز عناصر السبيكة الدقيقة (Nb، V، Ti) من تنقية الحبوب وتقوية الترسيب، مما يحسن من قوة العائد دون زيادات كبيرة في الكربون (مما يحافظ على قابلية اللحام). - يتم تحديد نسبة منخفضة من الكبريت والفوسفور للحفاظ على الصلابة وجودة اللحام.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - تظهر الألواح المدرفلة أو المعالجة حراريًا من Q345 و Q355 عمومًا مصفوفة من الفريت والبرليت مع حبوب مصفاة بسبب السبيكة الدقيقة والدرفلة المتحكم بها. قد تظهر درجات Q355، التي تستهدف عائدًا أعلى، كثافة انزلاقية أكبر قليلاً وتأثيرات ترسيب/تصلب أقوى من المعالجة الحرارية الميكانيكية المتحكم بها. - لا يتم تزويد أي من الدرجتين بشكل أساسي كفولاذات مروية ومقساة؛ بل تهدف إلى أن تكون فولاذات هيكلية مناسبة للتصنيع في الحالة المدرفلة أو المعالجة حراريًا.

استجابة المعالجة الحرارية: - المعالجة الحرارية: تستجيب كلتا الدرجتين للمعالجة الحرارية مع تنقية الحبوب وزيادات متواضعة في القوة والصلابة. يمكن استخدام المعالجة الحرارية لتوحيد الهيكل للأقسام الثقيلة. - التبريد والتقسية: ممكن ولكن أقل شيوعًا لهذه الفولاذات؛ يمكن تقسية Q345/Q355 إلى مستويات قوة أعلى، ولكن التنازلات في الصلابة والتشوه والحاجة إلى تحكم أكثر صرامة في التركيب تجعل Q&T نادرًا للتوريد الهيكلي القياسي. - المعالجة الحرارية الميكانيكية المتحكم بها (TMCP): تستخدم طرق الإنتاج الحديثة TMCP لزيادة قوة العائد مع الحفاظ على الصلابة، وهي آلية رئيسية من خلالها تحقق Q355 عائدًا مضمونًا أعلى عند كيمياء مشابهة.

4. الخصائص الميكانيكية

فيما يلي نطاقات الخصائص النموذجية كما يتم توفيرها في الحالة المعالجة حراريًا/المدرفلة - تعتمد الخصائص النهائية على درجة الحرارة والسماكة والدرجة الفرعية.

الخاصية	Q345 النموذجي	Q355 النموذجي
قوة العائد المحددة (نموذجية)	~345 ميغاباسكال (الهدف الاسمي)	~355 ميغاباسكال (الهدف الاسمي)
قوة الشد (Rm)	~470 – 630 ميغاباسكال	~490 – 640 ميغاباسكال
التمدد (A5، % نموذجي)	20 – 26% (حسب السماكة)	18 – 25% (حسب السماكة)
أثر شاري (V-notch)	محدد للدرجات الفرعية؛ عادةً 27 جول @ درجة حرارة محددة (تختلف)	متطلبات مشابهة؛ قد يتم تحديدها عند درجة حرارة متساوية أو أقل
الصلابة (HB)	~120 – 190 HB (تختلف مع المعالجة الحرارية والسماكة)	~120 – 200 HB (قد تكون أعلى قليلاً)

التفسير: - يتم تحديد Q355 بقوة عائد دنيا أعلى وغالبًا ما يكون له نطاق شد أعلى قليلاً؛ الزيادة متواضعة ولكنها ذات دلالة لتصميم الهيكل (مما يسمح بأقسام أصغر أو إجهادات مسموح بها أعلى). - الصلابة (الأثر) هي أكثر وظيفة لاختيار الدرجة الفرعية (A/B/C/D/E)، والسماكة، ودرجة حرارة الاختبار من الرقم الاسمي للدرجة. يعد الاختيار الصحيح للدرجة الفرعية أمرًا ضروريًا للتطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة.

5. قابلية اللحام

تتأثر قابلية اللحام بمعادل الكربون ومحتوى السبيكة الدقيقة. هناك صيغتان تجريبيتان شائعتان تستخدمان لتقييم قابلية اللحام:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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: - تم صياغة كل من Q345 و Q355 للحفاظ على محتوى الكربون ومعادلات الكربون منخفضة نسبيًا. توفر السبيكة الدقيقة (Nb، V، Ti) القوة دون زيادات كبيرة في الكربون، مما يساعد على الحفاظ على قابلية اللحام. - قد يكون لدى Q355 قابلية تصلب أعلى قليلاً في بعض الدرجات الفرعية بسبب المعالجة وكيمياء مختلفة قليلاً؛ لذلك قد يتطلب التحكم في درجة حرارة التسخين المسبق ودرجة حرارة التداخل أن يكون أكثر تحفظًا للأقسام السميكة من Q355 مقارنةً بـ Q345. - بالنسبة للحامات الحرجة، اتبع تأهيل الإجراء (WPS/PQR)، واعتبر السماكة، واستخدم التسخين المسبق/ما بعد التسخين وفقًا لمعادلة $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ وإرشادات المصنع/المعيار المعمول به. - يعد التحكم في الهيدروجين، واختيار المواد المالئة المناسبة، والتحكم في إدخال الحرارة أمرًا أساسيًا لتجنب التشققات الباردة في كلا النوعين.

6. التآكل وحماية السطح

• لا يعتبر كل من Q345 و Q355 فولاذًا مقاومًا للصدأ؛ مقاومة التآكل هي تلك الخاصة بالفولاذ الكربوني منخفض السبيكة وبالتالي تعتمد على استراتيجيات حماية السطح.
• طرق الحماية النموذجية: الغلفنة الساخنة، التغطية بالزنك، الطلاءات العضوية (الدهانات، الطلاء المسحوق)، الحماية الكاثودية، والتصميم الفعال لتجنب تجمع المياه.
• PREN (رقم مقاومة التآكل)،

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

هو مؤشر فولاذ مقاوم للصدأ وليس قابلًا للتطبيق على Q345/Q355؛ هذه المؤشرات ذات صلة فقط بالفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أو المزدوج الذي يحتوي على كميات كبيرة من Cr و Mo و N. - للتطبيقات المعرضة لبيئات عدوانية (بحرية، كيميائية)، اختر سبائك مقاومة للتآكل أو طبق طلاءات قوية بدلاً من الاعتماد على Q345/Q355 كما هي.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: كلتا الدرجتين تقطع بشكل جيد باستخدام عمليات الأكسجين والوقود، والبلازما، والليزر؛ يمكن تعديل معلمات القطع حسب السماكة وإدخال الحرارة لتقليل تأثيرات HAZ.
• التشكيل/الانحناء: قابلية التشكيل جيدة؛ يساعد انخفاض الكربون والسبيكة الدقيقة في الحفاظ على اللدونة. تعتمد الحد الأدنى من أنصاف أقطار الانحناء على السماكة والدرجة الفرعية؛ قد يتطلب Q355 ذو العائد الأعلى قليلاً أنصاف أقطار انحناء أكبر قليلاً لنفس عملية التشكيل.
• قابلية التشغيل: قابلية تشغيل فولاذ الكربون النموذجية؛ يمكن أن تزيد قوة Q355 الأعلى قليلاً من تآكل الأدوات بشكل متواضع. اختر سرعات القطع والتغذية بناءً على خصائص الشد وسماكة المقطع.
• تشطيب السطح: كلاهما يقبل اللحام، والطحن، والتشغيل؛ احذر من الضغوط المتبقية والتشوهات للتصنيع بدقة عالية.

8. التطبيقات النموذجية

Q345 — الاستخدامات النموذجية	Q355 — الاستخدامات النموذجية
الأعمال الهيكلية العامة: الإطارات، الدعامات، العوارض متوسطة الحمل، الأعمدة	الأقسام الهيكلية الأثقل: العوارض عالية الحمل، قضبان الرافعات، مكونات الجسور
المكونات المصنعة حيث تكون حساسية التكلفة هي الأولوية و 345 ميغاباسكال كافية	التطبيقات حيث يسمح العائد الأعلى قليلاً بتقليل الحجم أو زيادة الإجهاد المسموح به
أسس الآلات، الأعضاء الهيكلية الثانوية	الأعضاء الحاملة الرئيسية، التجميعات الملحومة ذات الإجهاد العالي
الأوعية أو الخزانات تحت الضغط (عندما يسمح بها القانون ومع الشهادة المناسبة)	المكونات الهيكلية في المناطق الباردة حيث يتم تحديد قوة أعلى (خاضعة لدرجة تأثير فرعية)
السياج، المنصات، التصنيع العام	المعدات الثقيلة، الهياكل البحرية (مع الطلاءات)، الإطارات عالية الإجهاد

مبررات الاختيار: - استخدم Q345 عندما تكون القوة الهيكلية القياسية كافية وتكون الأولوية هي انخفاض تكلفة المواد وسهولة التشكيل. - استخدم Q355 عندما تتطلب التصاميم قوة عائد مضمونة أعلى لتقليل حجم القسم أو تلبية إجهادات تصميم أعلى، بشرط أن تكون متطلبات قابلية اللحام والأثر متوافقة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون Q355 أغلى قليلاً لكل وحدة كتلة من Q345 بسبب الخصائص الميكانيكية المضمونة الأعلى والمعالجة المطلوبة لتلبية متطلبات Q355. يختلف السعر الإضافي حسب السوق والمطحنة وشكل المنتج وأسعار الفولاذ العالمية.
• التوافر: يتم إنتاج كلا النوعين على نطاق واسع ومتاحة في أشكال الألواح واللفائف والأقسام. يعتمد توافر الدرجات الفرعية المحددة والسماكات وتقارير الاختبار المعتمدة على قدرة المطحنة وسلاسل التوريد الإقليمية.
• نصيحة الشراء: حدد الدرجة الفرعية ودرجة حرارة التأثير وشكل المنتج بوضوح في أوامر الشراء لتجنب التباينات ولضمان الشهادات الصحيحة من المطحنة.

10. الملخص والتوصية

السمة	Q345	Q355
قابلية اللحام	جيدة — نطاق واسع من اللدونة؛ منخفض CE عند السبيكة الدقيقة	جيدة — قابلية تصلب أعلى قليلاً ممكنة؛ قد تتطلب تسخينًا مسبقًا محافظًا للأقسام السميكة
توازن القوة والصلابة	قوة معتدلة مع لدونة/صلابة جيدة	عائد أعلى لنفس العائلة؛ تنازل طفيف في اللدونة عند نفس التركيب ولكن يتم تعويضه بواسطة TMCP
التكلفة	أقل (عادةً)	أعلى (عادةً)

الخاتمة والإرشادات: - اختر Q345 إذا: كان تصميمك يتطلب فولاذ هيكلي HSLA موثوق واقتصادي حيث يلبي العائد الاسمي ~345 ميغاباسكال متطلبات التصميم؛ حيث تكون الأولوية للتشكيل وسهولة التصنيع؛ وحيث تكون حساسية التكلفة والتوافر الواسع مهمة. - اختر Q355 إذا: كنت بحاجة إلى الزيادة المتواضعة ولكن المفيدة في قوة العائد المضمونة لتقليل أحجام الأقسام أو زيادة الأحمال المسموح بها؛ عندما تتطلب مواصفات المشروع صراحة قدرة عائد أعلى؛ وعندما تكون التكلفة الإضافية الهامشية مبررة من خلال التوفير الهيكلي أو الوزن.

ملاحظة نهائية: كل من Q345 و Q355 هما جزء من نفس عائلة الفولاذ الهيكلي؛ الاختيار الصحيح يعتمد على إجهاد التصميم، والسماكة وظروف اللحام، ومتطلبات الصلابة، وتكلفة دورة الحياة الإجمالية. حدد دائمًا الدرجة الفرعية الدقيقة، ودرجة حرارة أداء التأثير، والوثائق المطلوبة للاختبار من المطحنة، وتحقق من إجراءات اللحام باستخدام تقييمات قائمة على $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ للتصنيع الحرج.