Q345 против Q390 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между Q345 и Q390 при спецификации конструкционных сталей для мостов, кранов, тяжелого оборудования и несущих конструкций. Решение обычно балансирует между более высокой гарантированной прочностью на текучесть и допусками по толщине с такими факторами, как свариваемость, прочность при низкой температуре, стоимость изготовления и доступность.

На высоком уровне основное различие между Q345 и Q390 заключается в гарантированной минимальной прочности на текучесть: Q345 специфицируется на уровне 345 МПа, а Q390 — на уровне 390 МПа. Это изменение гарантированной прочности достигается за счет умеренных корректировок в химическом составе и металлургической обработке (микроаллоирование, контролируемая прокатка и термическая обработка), которые, в свою очередь, влияют на закаливаемость, прочность и поведение при обработке. Эти марки часто сравниваются, поскольку они занимают соседние позиции в семействе низколегированных/высокопрочных конструкционных сталей и часто взаимозаменяемы в проектах, где факторы безопасности, вес или толщина листа делают небольшое изменение в текучести привлекательным.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и обозначения, в которых встречаются эти марки:
• GB/T (Китай): Q345 и Q390 широко упоминаются в китайских стандартах (например, GB/T 1591 и связанные спецификации на продукцию для высокопрочных низколегированных конструкционных сталей).
• EN (Европа): грубые перекрестные ссылки включают стали в диапазоне S355 до S420 (но прямая эквивалентность не является точной; всегда проверяйте сертификаты завода).
• ASTM/ASME (США): аналогичную роль играют марки ASTM A572/A709 (например, Grade 50), но прямая химическая и механическая совместимость должна быть подтверждена.
• JIS (Япония) и другие национальные стандарты: существуют местные эквиваленты, но номенклатура отличается.
• Классификация: как Q345, так и Q390 являются высокопрочными, низколегированными (HSLA) конструкционными углеродными сталями. Они не являются нержавеющими или инструментальными сталями; их производительность зависит от контролируемой химии и термомеханической обработки, а не от высоких уровней легирования.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: Представительные (типичные) диапазоны состава по весовым процентам. Это индикативные коммерческие анализы для иллюстрации различий; обратитесь к применимому стандарту и сертификату завода для точных пределов и значений, специфичных для подгруппы.

Элемент	Q345 (типичный диапазон, wt%)	Q390 (типичный диапазон, wt%)
C	~0.10–0.20	~0.10–0.22
Mn	~0.8–1.6	~0.9–1.8
Si	~0.20–0.50	~0.20–0.50
P	≤ 0.035 (макс)	≤ 0.035 (макс)
S	≤ 0.035 (макс)	≤ 0.035 (макс)
Cr	следы–~0.30	следы–~0.30
Ni	следы–~0.30	следы–~0.30
Mo	следы–~0.08	следы–~0.10 (иногда выше)
V	следы–малые (микроаллоирование)	следы–малые (микроаллоирование)
Nb (Cb)	следы–малые (микроаллоирование)	следы–малые (микроаллоирование)
Ti	следы–малые (стабилизатор)	следы–малые
B	следы (редкие)	следы (редкие)
N (если указано)	обычно низкий, контролируемый	обычно низкий, контролируемый

Примечания: - Q345 и Q390 в первую очередь являются углеродно-марганцевыми сталями с добавками микроаллоирования (Nb, V, Ti), используемыми в некоторых производственных маршрутах для повышения прочности без чрезмерного углерода. - Формулы Q390 могут позволять небольшие увеличения углерода, марганца или контролируемых добавок микроаллоев и термической обработки для достижения более высокой прочности на текучесть. - Точные добавки (например, Mo, Cr) могут встречаться в некоторых вариантах продукции для повышения закаливаемости или производительности при повышенных температурах, но обе марки остаются низколегированными сталями в общем.

Как легирование влияет на производительность: - Углерод и марганец являются основными формирователями прочности за счет упрочнения твердого раствора и за счет повышения прочности при трансформации. Более высокий углерод увеличивает прочность и закаливаемость, но снижает свариваемость и прочность, если не компенсировать. - Элементы микроаллоирования (Nb, V, Ti) образуют мелкие карбиды/нитриды, которые уточняют размер зерна и увеличивают прочность на текучесть за счет осаждения и уточнения зерна без значительного увеличения углеродного эквивалента. - Небольшие добавки Cr, Mo или Ni (если присутствуют) увеличивают закаливаемость и могут помочь достичь более высокой прочности в более толстых сечениях, но могут увеличить углеродный эквивалент и повлиять на свариваемость.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

• Типичные микроструктуры:
• Q345: производится контролируемой прокаткой и нормализацией или термомеханической контролируемой обработкой (TMCP), чтобы получить мелкозернистый феррит–перлит или феррит с дисперсными осадками микроаллоев. Микроструктура подчеркивает прочность и пластичность на умеренных уровнях прочности.
• Q390: аналогичная базовая микроструктура, но спроектирована для обеспечения более высокой прочности за счет немного более высокой плотности дислокаций, большего упрочнения осаждением или немного более высокого содержания перлита/закаленного бейнита в зависимости от процесса. В более толстых сечениях повышенная закаливаемость способствует образованию микроструктур с более высокой прочностью после контролируемого охлаждения.
• Эффекты термической обработки и обработки:
• Нормализация/очистка: обе марки выигрывают от нормализации для уточнения размера зерна и гомогенизации микроструктуры; Q390 иногда получает более агрессивные графики TMCP для обеспечения равномерной высокой прочности.
• Закалка и отпуск: не типично для стандартных продуктов Q345/Q390 (они обычно поставляются как стали TMCP), но закалка и отпуск могут применяться для более высокопрочных вариантов с преднамеренной трансформацией в мартенсит и последующим отпуском — это существенно изменяет прочность и обрабатываемость.
• Термомеханическая обработка: TMCP (контролируемая прокатка/охлаждение) обычно используется для достижения высокой прочности с хорошей прочностью и свариваемостью, особенно для Q390, где обработка компенсирует умеренно более высокие целевые уровни прочности без чрезмерного углерода.

4. Механические свойства

Таблица: Представительные механические свойства. Значения являются индикативными и зависят от толщины листа, стандарта испытаний и подгруппы — используйте сертификаты завода для закупок.

Свойство	Q345 (типичный)	Q390 (типичный)
Минимальная прочность на текучесть (Rp0.2)	345 МПа	390 МПа
Прочность на разрыв (Rm)	~470–630 МПа	~520–690 МПа
Удлинение (A50mm)	≥ 20% (варьируется по толщине)	≥ 18% (варьируется по толщине)
Ударная прочность (Charpy V-notch)	Хорошая при обычных рабочих температурах; зависит от подгруппы	Сравнимая, но может требовать более строгого контроля подгруппы для работы при низких температурах
Твердость (HBW)	Умеренная	Немного выше (зависит от обработки)

Интерпретация: - Прочность: Q390 является более прочным из двух по спецификации (более высокая минимальная прочность на текучесть), что позволяет уменьшить толщину сечения или увеличить грузоподъемность для одной и той же геометрии. - Устойчивость и пластичность: Q345 обычно показывает немного лучшее удлинение и иногда лучшую прочность при низких температурах для данной химии из-за немного более низких целевых значений прочности и часто более низкой закаливаемости. Однако современные процессы TMCP позволяют Q390 достигать хорошей прочности при требуемых температурах испытаний — подгруппа и толщина листа имеют критическое значение. - Компромисс: Увеличенная гарантированная прочность на текучесть в Q390 обычно сопровождается умеренной жертвой в пластичности и может увеличить чувствительность к условиям сварки, если только микроаллоирование и контроль процесса не компенсируют.

5. Свариваемость

Свариваемость определяется содержанием углерода, углеродным эквивалентом (закаливаемостью), толщиной и ограничением. Полезные предсказательные формулы включают:

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

• Международная формула Pcm (качественный индикатор): $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Качественная интерпретация: - Более низкие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ указывают на более легкую свариваемость и меньшую склонность к образованию жестких, хрупких микроструктур в зоне термического влияния (HAZ). Обе марки Q345 и Q390 производятся с материалами и микроаллоированием, оптимизированными для свариваемости; однако: - Q345, как правило, имеет немного более низкие значения углеродного эквивалента в среднем, что делает его немного легче свариваемым в более толстых сечениях без предварительного подогрева. - Q390, из-за более высоких целевых значений прочности, может иметь более высокий марганец или микроаллоирование и, следовательно, более высокий углеродный эквивалент на практике, что увеличивает необходимость в предварительном подогреве, контролируемом тепловом вводе или термической обработке после сварки в более толстых сечениях или ограниченных соединениях. - Смягчение: Использование filler metals, соответствующих прочности и прочности, контролируемые температуры между проходами, предварительный подогрев и выбор соответствующих сварочных расходных материалов и процедур обычно обеспечивают свариваемые сборки для обеих марок. Всегда квалифицируйте сварочные процедуры на представительных толщах и для самой низкой проектной температуры.

6. Коррозия и защита поверхности

• Обе марки Q345 и Q390 являются углеродно-марганцевыми сталями, не являющимися нержавеющими, и не обеспечивают внутренней коррозионной стойкости, кроме как у голой стали. Стандартные стратегии защиты включают:
• Горячее цинкование для атмосферного воздействия.
• Покрытия краской (промышленный грунт + финишные слои) с подготовкой поверхности (например, абразивная обработка).
• Термическое распыление или полимерные покрытия для агрессивных сред.
• Индексы, специфичные для нержавеющих сталей, не применимы к этим маркам. Формула PREN, используемая для коррозионной стойкости нержавеющих сталей, поэтому здесь не актуальна: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Рекомендации по выбору: Где требуется коррозионная производительность (морские, химические воздействия), выбирайте коррозионно-стойкие сплавы или специфицируйте защитные системы. Выбор между Q345 и Q390 не влияет на коррозионную стойкость, если только незначительные различия в легировании не включают элементы, влияющие на коррозию (редкие).

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка: Плазменная, кислородно-газовая и лазерная резка ведут себя аналогично для обеих марок; Q390 может требовать немного других тепловых вводов для выемки или резки без выемки из-за немного более высокой прочности.
• Обрабатываемость: Обе марки имеют умеренную обрабатываемость; более прочный Q390 может демонстрировать несколько более высокий износ инструмента при тяжелой обработке из-за увеличенной прочности и, возможно, более твердых микроосадков.
• Формование/гиб: Q345, с немного большей пластичностью, обычно более прощает при холодном формовании и гибке. Q390 можно формовать, но может потребоваться больший радиус изгиба или контролируемые последовательности формования, чтобы избежать трещин, особенно в более толстых листах или в сечениях с высоким предшествующим напряжением.
• Финишная обработка: Обе марки принимают стандартные методы финишной обработки; обращайте внимание на снятие напряжений и контроль деформации во время обработки при работе с Q390, поскольку на более высоких уровнях прочности могут развиваться более высокие остаточные напряжения.

8. Типичные применения

Таблица: Типичные применения для каждой марки с обоснованием.

Q345 — Типичные применения	Q390 — Типичные применения
Общие конструкционные компоненты (балки, колонны) в зданиях и мостах, где требуются хорошая прочность и свариваемость	Тяжелые конструктивные элементы, где требуется уменьшение толщины сечения или увеличение грузоподъемности (рельсы кранов, рамы тяжелой техники)
Сварные стальные пластины для резервуаров, прицепов, общего производства	Конструкционные секции в транспорте и тяжелом оборудовании, где более высокая прочность позволяет более легкие конструкции
Холодноформованные секции и изготовленные рамы	Компоненты, подверженные более высоким статическим нагрузкам или где запас для проектирования на усталость ограничен
Сталевые конструкции для сельского хозяйства и общего машиностроения (чувствительные к стоимости)	Применения, где преимущества жесткости к весу или прочности к весу оправдывают более высокую стоимость материала

Обоснование выбора: - Выбирайте Q345, если приоритетами являются легкость обработки, большая пластичность и стоимость, и если более низкая прочность достаточна для проекта. - Выбирайте Q390, если проект выигрывает от более высокой гарантированной прочности (меньшее сечение, экономия веса), при условии, что соблюдены процедуры сварки, контроль обработки и требования к прочности.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: Q390 обычно дороже за тонну, чем Q345 из-за более строгих процессов контроля и потенциально более высокого содержания легирующих элементов или более строгих графиков TMCP. Ценовой премиум варьируется в зависимости от рынка, толщины и географического региона.
• Доступность: обе марки являются стандартными продуктами в основных регионах производства стали; Q345 обычно более широко доступен, поскольку это распространенная конструкционная марка. Q390 обычно имеется на складе во многих рынках, но доступность определенных толщин, размеров листов и подгрупп может быть более ограниченной — сроки поставки следует проверять.
• Формы продукции: обе марки поставляются в виде горячекатаных листов, рулонов и иногда как нормализованные или термомеханически прокатанные листы. Для специализированных листов (ультратолстые сечения или специфические подгруппы с испытаниями на удар) сроки поставки увеличиваются.

10. Резюме и рекомендации

Таблица: Быстрое сравнение (качественное).

Метрика	Q345	Q390
Свариваемость	Хорошая (легче, более низкий CE)	Хорошая до Умеренной (может потребовать предварительного подогрева на толстых сечениях)
Баланс прочности и устойчивости	Сбалансирован в сторону устойчивости и пластичности	Более высокая прочность; устойчивость достижима при правильном контроле процесса
Стоимость	Ниже (в общем)	Выше (премия за более высокую прочность)

Рекомендации: - Выбирайте Q345, если: - Проект может принять прочность на текучесть 345 МПа, и приоритетами являются большая пластичность, легкость сварки и более низкая стоимость материала. - Обработка будет включать значительное формование или холодную обработку, или где требуется рутинная сварка без обширного предварительного подогрева. - Доступность на складе и экономия важны.

• Выбирайте Q390, если:
• Вам нужна более высокая гарантированная прочность на текучесть (390 МПа), чтобы уменьшить толщину сечения или вес, или чтобы соответствовать конкретным требованиям к грузоподъемности.
• Процедуры обработки могут учитывать немного более строгие требования к сварке (предварительный подогрев, квалифицированные WPS), и требования к прочности могут быть выполнены путем выбора правильной подгруппы и процесса.
• Проект оправдывает более высокую стоимость материала за счет экономии на последующей обработке, транспортировке или проектировании, чувствительном к весу.

Заключительная заметка: Q345 и Q390 являются соседними выборами в семействе HSLA конструкционных сталей. Оптимальный выбор определяется требованиями на уровне компонентов (прочность, устойчивость при самой низкой рабочей температуре), ограничениями обработки (сварка и формование), стоимостью жизненного цикла (покрытие и обслуживание) и доступностью. Всегда проверяйте химические и механические сертификаты от поставщика стали, квалифицируйте сварочные процедуры на представительных материалах и толщине, и указывайте требуемую ударную энергию и температуру испытаний для применений, подверженных воздействию низких температур или динамических нагрузок.