Q235NH против Q355NH – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Q235NH и Q355NH — это два широко используемых китайских конструкционных стали, применяемых вPressure vessels, boilers, and general structural applications that require normalized (N) heat treatment and sometimes enhanced impact performance (H). Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между этими марками, балансируя стоимость, свариваемость и необходимость в более высокой прочности или улучшенной ударной вязкости. Типичные контексты принятия решений включают в себя приоритет более низкой стоимости материала и более легкой обработки (в пользу стали с более низкой прочностью) или уменьшение толщины и веса за счет более прочного материала (в пользу стали с более высокой прочностью).

Практическое различие между двумя марками в основном заключается в компромиссе по уровню производительности: Q355NH обеспечивает более высокую гарантированную предельную прочность по сравнению с Q235NH, что сказывается на требованиях к толщине, весу и вязкости. Поскольку обе марки являются углеродными (не нержавеющими) сталями с нормализацией в их процессах обработки, их часто сравнивают для применения, где необходимо сбалансировать прочность, ударную вязкость и поведение при обработке.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты, в которых встречаются эти стали:
• GB/T (Китай): Q235NH и Q355NH — это обозначения в китайских национальных стандартах для сталей для сосудов под давлением/конструкционных сталей.
• EN (Европа): Примерно сопоставимы с семействами S235 и S355 (конструкционные стали), но прямая замена требует проверки всех требований к свойствам.
• ASTM/ASME: Эквивалентные марки ASME/ASTM не являются прямыми аналогами; стали для сосудов под давлением ASME, такие как SA-516 Grade 70, являются отдельными спецификациями с различной химией и требованиями к вязкости.

• JIS: Японские марки отличаются; замена требует проверки.

• Классификация:

• Обе марки Q235NH и Q355NH являются углеродными/мягкими низколегированными сталями (не нержавеющими), обычно классифицируемыми как конструкционные или стали для сосудов под давлением, а не как инструментальные или нержавеющие стали. Q355NH обычно рассматривается как конструкционная сталь более высокой прочности/HSLA (более высокий уровень производительности в рамках конструкционного семейства).

2. Химический состав и стратегия легирования

Примечания: - Суффикс “NH” указывает на нормализованное состояние и требование к ударной вязкости или другую характеристику термической обработки, а не на большие добавки легирующих элементов. Стратегия легирования для обеих марок акцентирует внимание на корректировках углерода и марганца и строгих ограничениях по примесям (P, S), чтобы обеспечить вязкость и свариваемость. Q355NH достигает более высокой предельной прочности в основном за счет состава и контролируемой обработки, а не за счет тяжелого легирования.

Как легирование влияет на свойства: - Углерод и марганец являются основными факторами прочности: более высокий C и Mn увеличивают прочность и закаливаемость, но снижают свариваемость и пластичность, если не контролируются. - Кремний является обезуглероживателем и имеет умеренный укрепляющий эффект. - Микроаллегирующие элементы (V, Nb, Ti), даже в низких уровнях ppm, увеличивают предельную прочность, уточняя размер зерна и осаждая карбиды/нитриды, улучшая прочность без пропорционального ухудшения вязкости. - Примеси (P и S) хрупкие и снижают вязкость, поэтому они строго ограничены в этих марках для сосудов под давлением/конструкционных сталей.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Типичные микроструктуры: - В нормализованном (N) состоянии: Обе марки обычно нормализуются (нагреваются до аустенита, затем охлаждаются на воздухе) для формирования тонкой, относительно однородной микроструктуры феррит-перлита. - Q235NH: Нормализация приводит к образованию феррит-перлитной структуры с относительно крупным содержанием перлита по сравнению с более прочными сталями. Микроструктура поддерживает хорошую пластичность и приемлемую вязкость при умеренных температурах. - Q355NH: Нормализация в сочетании с немного другой химией и, возможно, контролируемой прокаткой/очисткой дает более мелкозернистый феррит-перлит с более высокой плотностью дислокаций и иногда микроаллегирующими осадками. Это приводит к более высокой предельной и прочности на разрыв, сохраняя вязкость.

Маршруты термической обработки и реакции: - Нормализация (стандарт для обозначения “N”): Улучшает вязкость за счет уточнения зерна и обеспечивает стабильные механические свойства. Эффективно для обеих марок, особенно там, где важна ударная вязкость при низких температурах. - Закалка и отпуск (Q&T): Обычно не применяются к этим маркам в стандартной практике для сталей для сосудов под давлением; Q&T значительно повышает прочность, но также изменяет вязкость и относится к другому классу материалов. - Термомеханическая контролируемая обработка (TMCP): Часто используется для сталей класса Q355 для достижения более высокой прочности с хорошей вязкостью, сочетая контролируемую прокатку и ускоренное охлаждение; это производственный маршрут, а не термическая обработка в цехе, и помогает достичь необходимых целей по прочности без чрезмерного легирования.

4. Механические свойства

Объяснение: - Q355NH является более прочной маркой по замыслу: более высокая минимальная предельная прочность и более высокая типичная прочность на разрыв позволяют использовать более тонкие сечения для той же конструкционной нагрузки. Компромисс заключается в умеренно более низкой пластичности и потенциально большей чувствительности к жестким микроструктурам, возникающим при сварке, если не используются правильные процедуры сварки. - Вязкость зависит от толщины, нормализованной обработки и контроля качества. Когда нормализованы и произведены по спецификации, обе марки могут соответствовать требованиям к ударной вязкости; Q355NH часто имеет более строгий контроль процесса, чтобы соответствовать сочетаниям более высокой прочности + вязкости.

5. Свариваемость

Соображения по свариваемости: - Содержание углерода и комбинированная закаливаемость определяют требования к предварительному нагреву, температуре между проходами и термической обработке после сварки (PWHT). - Микроаллегирование и содержание марганца влияют на закаливаемость и риск холодного растрескивания в зоне термического влияния.

Полезные индексы углеродного эквивалента и легирования (интерпретационные; применяются для качественной оценки): - Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (для оценки восприимчивости к холодному растрескиванию, интерпретируется качественно): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация (качественная): - Обе марки нацелены на низкие до умеренные значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с закаленными сталями, поэтому они обычно считаются свариваемыми с использованием стандартных расходных материалов и практик предварительного нагрева. - Q235NH, с типично более низкой прочностью и несколько более низким углеродным эквивалентом, обычно более прощает в сварке — меньше предварительного нагрева и меньший риск растрескивания в зоне термического влияния. - Q355NH, хотя и разработан для свариваемости, может требовать более консервативной практики сварки (контролируемый тепловой ввод, возможный предварительный нагрев для более толстых сечений и соответствующие filler materials), поскольку его более высокая прочность и небольшое увеличение закаливаемости могут увеличить восприимчивость к жестким микроструктурам в зоне термического влияния при неправильной сварке.

6. Коррозия и защита поверхности

• Обе марки Q235NH и Q355NH являются не нержавеющими углеродными сталями; их коррозионная стойкость ограничена.
• Типичные методы защиты:
• Горячее цинкование (для защиты от атмосферной коррозии).
• Краски, грунтовки и покрытия (эпоксидные, полиуретановые системы) для агрессивных сред.
• Катодная защита и обшивка (например, нержавеющая обшивка) для химической службы, где коррозионная стойкость критична.
• Формула PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• PREN является индексом коррозии нержавеющей стали и не применим к Q235NH/Q355NH, поскольку это не нержавеющие сплавы и не полагаются на пассивные пленки на основе Cr/Mo/N.
• Уточнение: Для сосудов под давлением или химических применений, требующих коррозионной стойкости, рассмотрите возможность использования облицовок, обшивок или выбора нержавеющих или коррозионно-стойких сплавов, а не полагайтесь на Q235NH/Q355NH.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка: Обе марки резаются стандартными методами кислородно-газовой, плазменной или лазерной резки; Q355NH может потребовать немного скорректированных параметров из-за более высокой прочности и твердости.
• Обрабатываемость: Q235NH обычно обрабатывается легче из-за более низкой прочности и твердости. Q355NH обрабатывается приемлемо, но износ инструмента может быть выше; выбор инструмента и подач должен учитывать более высокую прочность/твердость.
• Формуемость/гибкость: Q235NH предлагает лучшую формуемость и большие радиусы изгиба при данной толщине. Q355NH можно формовать, но могут потребоваться большие радиусы изгиба или контролируемые параметры формовки, чтобы избежать растрескивания, особенно если микроаллегирование увеличивает прочность.
• Обработка поверхности: Обе марки хорошо принимают покраску, оцинковку и покрытие после соответствующей подготовки поверхности.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте Q235NH, когда чувствительность к стоимости, высокая пластичность и легкость обработки/сварки являются основными факторами. - Выбирайте Q355NH, когда более высокая предельная прочность позволяет уменьшить толщину сечения, обеспечивая экономию веса и материала, или когда код/проект требует более высокого уровня производительности.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: Q235NH обычно дешевле