Q345A مقابل Q345B – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

Q345A و Q345B هما درجتان فرعيتان شائعتان من عائلة Q345 من الفولاذ الهيكلي عالي القوة المحددة في المعايير الصينية. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل متكرر التوازنات الكامنة عند الاختيار بين هذين الخيارين: موازنة التكلفة والإمداد مع المتانة المطلوبة، وقابلية اللحام، وسلوك التصنيع في المراحل اللاحقة. تشمل سياقات القرار النموذجية الأعضاء الهيكلية حيث تكون المتانة في درجات الحرارة المنخفضة مهمة، والتصنيع الملحوم حيث يجب تقليل حساسية الشقوق، والتطبيقات التي تتطلب خصائص ميكانيكية موحدة عبر السماكات.

التمييز الفني الرئيسي بين Q345A و Q345B يكمن في مواصفات المتانة عند الصدمة - حيث يتم تحديد إحدى الدرجات الفرعية بأداء صدمة أكثر تطلبًا من الأخرى. نظرًا لأن الفولاذات تشترك في كيمياء وأهداف قوة مشابهة، يقارن المصممون عادةً بينهما عندما يتطلب التصميم الهيكلي متطلبات طاقة صدمة محددة أو عندما يمكن أن يؤدي عملية التصنيع (اللحام، التشكيل) إلى توليد هياكل دقيقة هشة.

1. المعايير والتسميات

• المعيار الأساسي: GB/T 1591 (الصين) - يحدد Q345 ودرجاته الفرعية (A، B، C، D، E) كفولاذات هيكلية عالية القوة ومنخفضة السبيكة.
• المعايير المقابلة التقريبية (للمشتريات أو المرجع المتبادل): درجات الفولاذ الهيكلي ASTM/ASME مثل ASTM A572 Grade 50 (ليس معادلة مباشرة واحدة لواحدة)، وفولاذات EN في عائلة S355 (فئة قوة مشابهة)، وفولاذات JIS الهيكلية. تحقق دائمًا من المعادلة مع شهادات المصنع وتقارير الاختبار الميكانيكية؛ يتطلب الاستبدال المباشر تحققًا دقيقًا.
• الفئة: فولاذ كربوني هيكلي منخفض السبيكة عالي القوة (غير مقاوم للصدأ). درجات Q345 هي فولاذات منخفضة السبيكة قائمة على الكربون والمنغنيز مخصصة للاستخدام الهيكلي.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

تم صياغة عائلة Q345 كفولاذات هيكلية منخفضة الكربون ومعززة بالمنغنيز، مع إضافة سبيكة دقيقة والتحكم الدقيق في العناصر الطفيلية لتحقيق توازن بين القوة والليونة والمتانة. يركز التحكم في التركيب النموذجي على كربون منخفض للحفاظ على قابلية اللحام، ومنغنيز معتدل لتطوير القوة، وعناصر سبيكة دقيقة (V، Nb، Ti) في بعض طرق الإنتاج لتحسين حجم الحبيبات وزيادة العائد.

جدول: نطاقات التركيب النموذجية (تمثيلية - استشر المعيار المعمول به أو شهادة المورد للحدود الدقيقة)

عنصر	النطاق أو الحد النموذجي (wt%) - Q345A / Q345B
C (الكربون)	~0.12–0.20 (الحد الأقصى يختلف حسب المواصفات)
Mn (المنغنيز)	~0.50–1.60
Si (السيليكون)	~0.10–0.50
P (الفوسفور)	≤ ~0.035 (مراقب)
S (الكبريت)	≤ ~0.035 (مراقب)
Cr (الكروم)	trace to ~0.30
Ni (النيكل)	trace to ~0.30
Mo (الموليبدينوم)	trace to ~0.08
V (الفاناديوم)	trace (غالبًا ≤ 0.10)
Nb (النيوبيوم)	trace (يستخدم في بعض العمليات الحرارية الميكانيكية)
Ti (التيتانيوم)	trace (إزالة الأكسدة/التثبيت)
B (البورون)	trace (يستخدم أحيانًا في المتغيرات المضافة)
N (النيتروجين)	مراقب (منخفض)

كيف تؤثر السبيكة على الخصائص - الكربون والمنغنيز هما المساهمان الرئيسيان في القوة: زيادة المنغنيز تعزز القوة ولكنها أيضًا تزيد من القابلية للتصلب ويمكن أن تؤثر على قابلية اللحام. - يعمل السيليكون كعامل إزالة الأكسدة ويمكن أن يؤثر بشكل معتدل على القوة. - يتم إدخال السبيكة الدقيقة (V، Nb، Ti) في بعض طرق الإنتاج لإنتاج حجم حبيبات فيريتي أدق وزيادة الصلابة، مما يزيد من قوة العائد دون فقد كبير في الليونة. - يتم فرض مستويات منخفضة من عناصر مثل P و S لتجنب الهشاشة والحفاظ على المتانة.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهيكل تحت التصنيع القياسي - عادةً ما تعرض درجات Q345 المدلفنة والمطبوخة ميكروهيكل فيريتي-بيرليتي مع ترسبات سبيكة دقيقة منتشرة (إذا كانت V/Nb/Ti موجودة). يؤثر حجم الحبيبات ونسبة البيرليت على القوة والمتانة وقابلية التشكيل. - يتم تحديد Q345B بمواصفات صدمة أكثر صرامة أو تطلبًا؛ يتم تحقيق ذلك عادةً من خلال التحكم الأكثر صرامة في حجم الحبيبات، ومستويات الشوائب/الملوثات المنخفضة، وأحيانًا تغييرات في العملية (معالجة حرارية ميكانيكية محكومة) التي تحسن الميكروهيكل.

المعالجة الحرارية والمعالجة الحرارية الميكانيكية - تعمل عملية التطبيع (التبريد الهوائي بعد معالجة التبلور) على تحسين حجم الحبيبات وتوحيد الميكروهيكل؛ يمكن أن تحسن المتانة في الأقسام الأكثر سمكًا عن طريق تقليل تأثيرات الانفصال. - التبريد والتسخين ليس شائعًا أو ضروريًا لتطبيقات Q345 الهيكلية القياسية ونادرًا ما يتم تطبيقه على الألواح الهيكلية الكبيرة ما لم يكن مطلوبًا مجموعة خصائص خاصة؛ يؤدي القيام بذلك إلى تحويل الميكروهيكل إلى مارتنسيت/باينيت بالإضافة إلى مراحل معالجة حرارية ويزيد من القوة على حساب معالجة إضافية وتكلفة. - يمكن استخدام معالجة التحكم الحراري الميكانيكي (TMCP) أو الدرفلة المحكومة لتحقيق قوة أعلى ومتانة أفضل في درجات الحرارة المنخفضة في Q345B من خلال تسريع التبلور وإنتاج فيريتي دقيق.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: مقارنة الخصائص الميكانيكية النموذجية (تمثيلية؛ استشر شهادات المصنع)

الخاصية	Q345A (نموذجي)	Q345B (نموذجي)
قوة العائد الاسمية	~345 ميجا باسكال (قوة التصميم)	~345 ميجا باسكال (قوة التصميم)
قوة الشد	نطاق تمثيلي (يختلف حسب السماكة/المعالجة)	نطاق مشابه؛ اختلافات طفيفة ممكنة
التمدد (A%)	ليونة كافية للتشكيل الهيكلي	مشابهة أو أعلى قليلاً بسبب المواصفات الأكثر صرامة
متانة الصدمة عند شق V من نوع تشاربي	خط الأساس (أقل صرامة)	طاقة صدمة محددة أعلى عند درجة حرارة منخفضة معينة
الصلابة	متوسطة (متوافقة مع فولاذات HSLA)	مشابهة؛ مراقبة للحفاظ على المتانة

التفسير - تستهدف كلتا الدرجتين تقريبًا نفس مستوى العائد (العائد الاسمي "345" بالميجا باسكال)، لذا يجب ألا يتوقع المصممون اختلافات كبيرة في القوة الثابتة. - الاختلاف الميكانيكي الرئيسي هو في المتانة عند الصدمة: يتم تحديد Q345B لتقديم متانة أفضل في درجات الحرارة المنخفضة أو مستويات طاقة صدمة أعلى من Q345A. وهذا يجعل Q345B مفضلًا حيث تكون مقاومة الكسر الهش تحت الصدمة أو في الخدمة في درجات الحرارة المنخفضة أمرًا حاسمًا. - الليونة والصلابة متشابهتان بشكل عام؛ تلعب طريقة المعالجة والسماكة دورًا كبيرًا في القيم الواقعية.

5. قابلية اللحام

تُقيم قابلية اللحام في الفولاذ الهيكلي عادةً من خلال النظر في محتوى الكربون، ومؤشرات الكربون المكافئة/قابلية التصلب، ووجود عناصر السبيكة الدقيقة.

معادلات قابلية اللحام المفيدة - المعادلة المكافئة للكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - مؤشر 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 النوعي - تتمتع درجات Q345 بمحتوى كربون منخفض نسبيًا وسبيكة محكومة، مما ينتج عنه قابلية تصلب متوسطة وقابلية لحام جيدة بشكل عام لطرق اللحام الهيكلية التقليدية. - يتم تحقيق متطلبات المتانة الأعلى لـ Q345B من خلال التحكم في الميكروهيكل بدلاً من زيادة الكربون بشكل كبير؛ لذلك، في العديد من الحالات، تبقى قابلية اللحام قابلة للمقارنة مع Q345A. ومع ذلك، يمكن أن يؤثر التحكم الأكثر صرامة في الشوائب وإضافة عناصر السبيكة الدقيقة في Q345B قليلاً على ممارسات التسخين المسبق/ما بعد التسخين - على سبيل المثال، قد تتطلب الأقسام الأكثر سمكًا التي يتم تحديدها لتلبية أداء الصدمة في درجات الحرارة المنخفضة تسخينًا مسبقًا أو درجات حرارة تحكم بين الطبقات لتجنب الهشاشة في منطقة التأثير الحراري. - استخدم $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ لتقدير الحاجة إلى التسخين المسبق أو إجراءات اللحام الأكثر تعقيدًا: تشير المؤشرات الأعلى إلى زيادة خطر حدوث تشققات باردة ناتجة عن الهيدروجين وحاجة أكبر للتسخين المسبق أو مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين.

6. التآكل وحماية السطح

• Q345A و Q345B هما فولاذات كربونية غير مقاومة للصدأ وبالتالي تتطلب حماية السطح في البيئات التآكلية.
• طرق الحماية الشائعة: الغلفنة بالغمس الساخن، ومركبات الطلاء الغنية بالزنك، وأنظمة الطلاء، والطلاءات المسحوقة، واحتياطات التآكل في التصميم.
• المؤشرات المقاومة للصدأ مثل PREN غير قابلة للتطبيق على فولاذ Q345 لأنها ليست سبائك مقاومة للصدأ. للمرجع، يتم استخدام PREN للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والازدواجي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• يجب أن يأخذ اختيار أنظمة الحماية في الاعتبار البيئة المتوقعة (بحرية، صناعية، جوية)، وعمر الخدمة، ونظام الصيانة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: تتمتع كلتا الدرجتين بقابلية تشكيل جيدة للتصنيع الهيكلي (الانحناء، الدرفلة). لا تقلل المتانة المحسنة لـ Q345B عمومًا من قابلية التشكيل؛ أحيانًا ترتبط المتانة المحسنة بزيادة الليونة في الفولاذات المعالجة بشكل محكم.
• قابلية التشغيل: الفولاذات الهيكلية منخفضة الكربون سهلة التشغيل باستخدام أدوات قياسية؛ تزيد السبيكة الدقيقة من القوة ويمكن أن تؤثر بشكل معتدل على قابلية التشغيل (تآكل الأدوات).
• الانحناء والتشكيل البارد: يتم تطبيق الممارسات القياسية؛ تعتمد الحد الأدنى من أنصاف أقطار الانحناء على السماكة وتاريخ المعالجة بدلاً من الدرجة الفرعية وحدها.
• التشطيب: تشبه معالجة السطح (النفخ بالرصاص، الطحن) لكلتا الدرجتين. بالنسبة للتصنيع الملحوم المخصص للطلاء أو الغلفنة، تظل النظافة والتحكم في شكل اللحام أمرًا حاسمًا.

8. التطبيقات النموذجية

جدول: الاستخدامات النموذجية حسب الدرجة

Q345A - التطبيقات النموذجية	Q345B - التطبيقات النموذجية
الأعمال الهيكلية العامة: العوارض، القنوات، الألواح حيث تكون المتانة القياسية كافية	المكونات الهيكلية المعرضة لدرجات حرارة منخفضة أو أحمال صدمية: الجسور الثقيلة، الهياكل البحرية، إطارات الدعم المحتفظة بالضغط
المكونات المصنعة، التجميعات الملحومة في بيئات غير ضارة	إطارات الرافعات، مكونات السكك الحديدية، وأجزاء أخرى حرجة للسلامة تتطلب متانة صدمة منخفضة الحرارة موثوقة
المشاريع المدفوعة بالاقتصاد حيث يتم تلبية المتانة المطلوبة بموجب الشيفرة بواسطة Q345A	المشاريع التي تتطلب مواصفات أو لوائح أداء طاقة صدمة أعلى عبر السماكات

مبررات الاختيار - اختر الدرجة الفرعية التي تلبي معايير التحكم في الكسر في التصميم: بالنسبة للعديد من الهياكل العادية، توفر Q345A خصائص ميكانيكية كافية بتكلفة أقل. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب ظروف خدمة باردة، أو تحميل ديناميكي أعلى، أو متطلبات صارمة للتحكم في الكسر، فإن المتانة المحددة الأعلى لـ Q345B تجعلها الخيار المحافظ.

9. التكلفة والتوافر

• يتم إنتاج كل من Q345A و Q345B بشكل شائع ومتاحة على نطاق واسع في المناطق التي تتمتع بصناعات فولاذية قوية؛ يعتمد التوافر في أشكال المنتجات المحددة (الألواح، الملفات، الأقسام، الأنابيب) على المصانع المحلية والمخزونات.
• التكلفة: عادةً ما تكون Q345B أغلى قليلاً من Q345A بسبب ضوابط التصنيع الأكثر صرامة، والاختبارات الإضافية (اختبار الصدمة) والخطوات المحتملة في العملية لضمان خصائص أكثر صلابة. عادةً ما تكون تكلفة الزيادة متواضعة ولكن يمكن أن تختلف حسب السماكة وظروف التسليم.
• أوقات التسليم: مشابهة لكلتا الدرجتين، على الرغم من أن الاختبارات الخاصة أو الفحص من طرف ثالث لـ Q345B قد تضيف وقتًا إداريًا.

10. الملخص والتوصية

جدول: مقارنة سريعة

السمة	Q345A	Q345B
قابلية اللحام	جيدة (فولاذ هيكلي قياسي)	جيدة؛ مشابهة ولكن تحقق من متطلبات HAZ للأقسام الثقيلة
توازن القوة–المتانة	توازن HSLA القياسي	نفس القوة الاسمية، متانة صدمة محددة أعلى
التكلفة	أقل (خط الأساس)	زيادة طفيفة من أجل المتانة والاختبار

التوصيات - اختر Q345A إذا: - كان تصميمك في بيئة معتدلة الحرارة ومنخفضة التأثير وكانت المتانة الهيكلية القياسية مقبولة. - كانت التكلفة والتوافر السريع هما المحركان الرئيسيان ولم يتطلب المشروع خصائص موثوقة لأداء الصدمة في درجات الحرارة المنخفضة. - كانت عمليات اللحام والتصنيع روتينية ولا يُتوقع أن تنتج ظروف HAZ هشة.

• اختر Q345B إذا:
• كانت الهيكل تعمل في درجات حرارة منخفضة، أو تتعرض لأحمال صدمية أو ديناميكية، أو تتطلب المواصفات أداء موثوقًا لاختبار تشاربي للصدمة.
• كانت متانة الكسر عبر السماكة وفي منطقة التأثير الحراري أولوية للسلامة أو الامتثال التنظيمي.
• كنت تفضل خيارًا محافظًا حيث يوفر هامش المتانة تأمينًا ضد الكسر الهش الناتج عن العيوب أو ظروف الخدمة.

ملاحظة ختامية كل من Q345A و Q345B هما فولاذات هيكلية HSLA مفيدة ومفهومة جيدًا. عندما تكون القوة هي المقياس الرئيسي، فإنهما قابلتان للمقارنة؛ عندما تكون المتانة - وخاصة المتانة في درجات الحرارة المنخفضة أو المتانة عند الصدمة - أمرًا حاسمًا، فإن المواصفات الأكثر صرامة لـ Q345B هي العامل الحاسم. تحقق دائمًا من شروط الاختبار الميكانيكي والصدمة المطلوبة مع الشيفرة الحاكمة وشهادة المصنع قبل اختيار المادة النهائية.