Q345 против Q355 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Q345 и Q355 — два широко применяемых структурных материала по китайскому обозначению, часто используемых при проектировании, изготовлении и закупках для зданий, мостов, ответственных сосудов и тяжёлого оборудования. Инженеры обычно балансируют такие факторы, как прочность против свариваемости, стоимость против запаса прочности, а также вязкость при низких температурах, выбирая между этими марками.
Основное практическое различие в том, что Q355 задаёт более высокий номинальный предел текучести по сравнению с Q345 при сохранении принадлежности к одному семейству низколегированных высокопрочных конструкционных сталей. Поскольку обе марки имеют схожий химический состав и технологии обработки, выбор часто определяется требуемой прочностью на текучесть, ограничениями по толщине или сечению, ударной вязкостью и стоимостью, а не принципиально разным поведением материала.
1. Стандарты и обозначения
- Основной китайский стандарт: GB/T 1591 (высокопрочные низколегированные конструкционные стали), включающий серии Q345 и Q355.
- Другие смежные стандарты и семейства эквивалентов (наличие и точность соответствия зависят от региона и применения): EN (например, семейство S355), ASTM/ASME конструкционные марки, JIS; обратите внимание, что прямое соответствие между GB и EN/ASTM не является точным и должно проверяться для каждого конкретного применения.
- Классификация: и Q345, и Q355 — углеродистые/микролегированные конструкционные стали HSLA (высокопрочные низколегированные), не являются нержавеющими, инструментальными или марганцовистыми сталями.
2. Химический состав и стратегия легирования
Стали серии Q разработаны для достижения более высокого предела текучести за счёт контролируемого содержания углерода в сочетании с микролегированием и термомеханическим контролем микроструктуры. Конкретные лимиты варьируются в зависимости от подмарки (например, варианты Q345A/B/C/D/E); таблица ниже показывает типичные диапазоны состава, используемые для инженерного выбора и сравнения. Всегда обращайтесь к соответствующему сертификату и стандарту для точных значений.
| Элемент | Типичный Q345 (мас. %) | Типичный Q355 (мас. %) |
|---|---|---|
| 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 (при наличии) | ≤ 0.30 (при наличии) |
| Ni | ≤ 0.30 (при наличии) | ≤ 0.30 (при наличии) |
| Mo | ≤ 0.08 (редко) | ≤ 0.08 (редко) |
| V | следовые количества (микролегирование) | следовые количества (микролегирование) |
| Nb | следовые количества (микролегирование) | следовые количества (микролегирование) |
| Ti | следовые количества (микролегирование) | следовые количества (микролегирование) |
| B | следовые количества (редко) | следовые количества (редко) |
| N | контролируемое (низкое) | контролируемое (низкое) |
Влияние легирования на свойства:
- Углерод и марганец главным образом отвечают за прочность за счёт упрочнения твёрдым раствором и влияют на закаливаемость.
- Микролегирующие элементы (Nb, V, Ti) способствуют измельчению зерна и упрочнению за счёт выделений, повышая предел текучести без значительного увеличения содержания углерода (что сохраняет свариваемость).
- Низкое содержание серы и фосфора задаётся для обеспечения вязкости и качества сварных соединений.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры:
- Горячекатаные или нормализованные пластины Q345 и Q355 обычно имеют ферритно-перлитную структуру с измельчёнными зернами благодаря микролегированию и контролируемой прокатке. В марки Q355, ориентированные на более высокий предел текучести, может наблюдаться несколько большая плотность дислокаций и более выраженное упрочнение за счёт выделений, обусловленное контролируемым термомеханическим воздействием.
- Ни одна из марок не поставляется преимущественно в закалённо-отпущенном состоянии; они предназначены как конструкционные стали, пригодные для изготовления в состоянии горячей прокатки или нормализации.
Реакция на термообработку:
- Нормализация: обе марки положительно реагируют на нормализацию за счёт измельчения зерна и умеренного увеличения прочности и вязкости. Нормализацию можно применять для гомогенизации структуры толстолистовых сечений.
- Закалка и отпуск: возможны, но менее распространены для данных сталей; Q345/Q355 могут подвергаться закалке для получения более высокой прочности, но компромиссы по вязкости, деформациям и необходимость более строгого контроля состава делают закалку и отпуск редкой практикой для стандартной конструкционной поставки.
- Термомеханическая контрольная прокатка (TMCP): современные технологии производства используют TMCP для повышения предела текучести при сохранении вязкости — основной механизм, с помощью которого Q355 достигает более высокого гарантированного предела текучести при аналогичном составе.
4. Механические свойства
Ниже приведены ориентировочные типичные диапазоны свойств в нормализованном/прокатном состоянии — конечные свойства зависят от термообработки, толщины и подмарки.
| Свойство | Типичный Q345 | Типичный Q355 |
|---|---|---|
| Номинальный предел текучести (**, ориентировочно) | ~345 MPa | ~355 MPa |
| Временное сопротивление разрыву (Rm) | ~470 – 630 MPa | ~490 – 640 MPa |
| Относительное удлинение (A5, %, типично) | 20 – 26% (зависит от толщины) | 18 – 25% (зависит от толщины) |
| Ударная вязкость по Шарпи (V-образный надрез) | Устанавливается для подмарок; типично 27 Дж при заданной температуре (варьируется) | Требования аналогичны; могут быть заданы при равной или более низкой температуре |
| Твёрдость (HB) | ~120 – 190 HB (варьируется с термообработкой и толщиной) | ~120 – 200 HB (возможно немного выше) |
Интерпретация:
- Q355 указывается с более высоким минимальным пределом текучести и часто с немного большим пределом прочности; это увеличение скромное, но важное для конструкционного проектирования (позволяет использовать меньшие сечения или более высокий допускаемый уровень напряжений).
- Вязкость (ударная) скорее зависит от выбора подмарки (A/B/C/D/E), толщины и температуры испытания, чем от номинального обозначения марки. Правильный выбор подмарки особенно важен для эксплуатации при низких температурах.
5. Свариваемость
Свариваемость определяется эквивалентом углерода и содержанием микролегирующих элементов. Для оценки свариваемости часто используют две эмпирические формулы:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
и
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация:
- И Q345, и Q355 формулируются с целью поддерживать низкое содержание углерода и невысокие значения углеродного эквивалента. Микролегирование (Nb, V, Ti) обеспечивает упрочнение без значительного увеличения углерода, что помогает сохранять свариваемость.
- Q355 может иметь немного повышенную закаливаемость у некоторых подмарок из-за обработки и немного отличающегося химического состава; поэтому контроль преднагрева и межслойной температуры может быть немного более консервативным для толстых заготовок Q355 по сравнению с Q345.
- Для ответственных сварных соединений необходимо следовать квалификации сварочных процедур (WPS/PQR), учитывать толщину и использовать преднагрев/посленагрев в соответствии с рассчитанными значениями $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ и применимыми рекомендациями изготовителя или стандарта.
- Контроль водорода, правильный выбор сварочного материала и контроль тепловложений ключевые факторы для предотвращения холодных трещин в обеих марках.
6. Коррозионная стойкость и защитные покрытия
- Ни Q345, ни Q355 не являются нержавеющими сталями; коррозионная стойкость соответствует низколегированным углеродистым сталям и поэтому требует использования методов защиты поверхности.
- Типичные методы защиты: горячее цинкование, цинковое металлизирование, органические покрытия (краски, порошковая окраска), катодная защита и рациональная конструкция для исключения накопления влаги.
- PREN (эквивалент числа стойкости к питтинговой коррозии),
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
является индексом нержавеющей стали и не применим к Q345/Q355; этот индекс важен только для аустенитных или дуплексных нержавеющих сталей, содержащих значительные количества Cr, Mo и N. - Для применения в агрессивных средах (морская, химическая) необходимо выбирать коррозионно-стойкие сплавы или наносить надёжные покрытия, а не использовать Q345/Q355 без защиты.
7. Изготовление, обработка и формование
- Резка: обе марки хорошо режутся кислородно-газовой, плазменной и лазерной резкой; параметры резки подбираются в зависимости от толщины и тепловложений для минимизации зоны термического влияния (ЗТВ).
- Гибка/формование: пластичность хорошая; низкое содержание углерода и микролегирование помогают сохранять пластичность. Минимальный радиус гибки зависит от толщины и подмарки; более высокий предел текучести Q355 может требовать немного больших радиусов гибки при тех же условиях формования.
8. Типичные области применения
| Q345 — типичные применения | Q355 — типичные применения |
|---|---|
| Общестроительные конструкции: рамы, опоры, балки и колонны средней нагрузки | Более тяжёлые конструкционные сечения: балки под высокие нагрузки, рельсы для кранов, элементы мостов |
| Изготовленные компоненты при чувствительности к стоимости и приемлемом снижении текучести до 345 МПа | Применения, где чуть более высокий предел текучести позволяет уменьшить размер сечения или повысить допустимые нагрузки |
| Основания машин, второстепенные конструкционные элементы | Основные несущие элементы, сварные узлы с повышенными напряжениями |
| Емкости и сосуды под давлением (при соответствии нормативам и наличии сертификатов) | Конструкционные элементы для холодных регионов с повышенными требованиями к прочности (с оговоркой по ударным свойствам) |
| Ограждения, платформы, общая металлообработка | Тяжёлое оборудование, морские конструкции (с защитными покрытиями), каркасы с высокими нагрузками |
Обоснование выбора: - Используйте Q345, если стандартной строительной прочности достаточно, а приоритет — низкая стоимость материала и удобство формовки. - Используйте Q355, если конструкция требует более высокого гарантированного предела текучести для уменьшения сечения или работы при повышенных расчетных нагрузках, при условии соответствия свариваемости и требованиям по ударной вязкости.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Q355 обычно немного дороже по массе, чем Q345, за счёт более высоких гарантированных механических свойств и дополнительной обработки для соответствия требованиям Q355. Надбавка варьируется в зависимости от региона, завода, формы продукции и мировых цен на сталь.
- Доступность: обе марки широко производятся и доступны в виде листов, рулонов и профилей. Наличие конкретных подмарок, толщин и сертификатов испытаний зависит от возможностей завода и региональных цепочек поставок.
- Совет по закупкам: чётко указывайте подмарку, температуру испытаний на удар и форму изделия в заказах, чтобы избежать несоответствий и получить корректные заводские сертификаты.
10. Итоги и рекомендации
| Параметр | Q345 | Q355 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая — широкий дуктильный диапазон; низкое суммарное содержание эквивалентного углерода (CE) при микролегировании | Хорошая — возможно чуть более высокая закаливаемость; для толстых сечений может потребоваться консервативный преднагрев |
| Баланс прочность — вязкость | Умеренная прочность с хорошей пластичностью и вязкостью | Повышенный предел текучести в той же группе; незначительное снижение пластичности при аналогичном составе компенсируется TMCP |
| Стоимость | Ниже (как правило) | Выше (как правило) |
Вывод и рекомендации: - Выбирайте Q345, если: конструкция требует надёжной, экономичной высокопрочной низколегированной стали с гарантированным пределом текучести около 345 МПа; приоритеты — удобство формовки и производительности; важна чувствительность к стоимости и широкая доступность. - Выбирайте Q355, если: нужна небольшая, но полезная прибавка в гарантированном пределе текучести для уменьшения сечений или повышения допустимых нагрузок; если проектная спецификация явно требует более высоких прочностных характеристик; и если дополнительная стоимость оправдана структурными или весовыми улучшениями.
Заключительная заметка: Q345 и Q355 относятся к одной группе конструкционных сталей; правильный выбор зависит от проектных нагрузок, толщины и условий сварки, требований к вязкости и общей стоимости жизненного цикла. Всегда указывайте точную подмарку, температуру испытаний на удар и необходимые заводские сертификаты, а сварочные процедуры проверяйте на основе критериев $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ для ответственных конструкций.