Q355 против Q390 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Q355 и Q390 — это высокопрочные конструкционные стали, широко используемые в строительстве, тяжелом оборудовании и общем производстве. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто взвешивают компромиссы между стоимостью материала, свариваемостью, прочностью и минимальным проектным пределом прочности при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают выбор более дешевой марки для сварных конструктивных рам против выбора более прочной марки для уменьшения размера или веса при одинаковых нагрузках.
Основное различие между ними заключается в их обозначении прочности: Q390 имеет более высокий минимальный предел текучести, чем Q355, что приводит к различиям в обработке, стратегии микроаллоирования, контроле прочности и практике производства. Эти стали обычно сравниваются, поскольку они занимают соседние уровни прочности в линейках конструкционной стали и часто конкурируют по соотношению производительности и стоимости для сварных и формованных конструкций.
1. Стандарты и обозначения
- Основные стандарты, в которых эти марки встречаются или имеют близкие эквиваленты:
- GB/T (Китай): Q355, Q390 (конструкционные стали).
- EN (Европа): сопоставимые прочности встречаются в сериях S355 и S420, но химические и механические требования различаются.
- ASTM/ASME (США): нет точных прямых эквивалентов; ближайшие общие марки включают ASTM A572 (марки 50/60) и A656 (нормализованные), но эквивалентность должна быть подтверждена химическими и механическими данными.
-
JIS (Япония): существуют аналогичные высокопрочные конструкционные стали, но снова прямая перекрестная ссылка требует подтверждения.
-
Классификация:
- Обе марки Q355 и Q390 являются высокопрочными, низколегированными конструкционными углеродными сталями (семейство HSLA). Они не являются нержавеющими или инструментальными сталями. Обычно они полагаются на контролируемое содержание углерода плюс микроаллоирование (Nb, V, Ti) и термомеханическую обработку для достижения баланса прочности и вязкости.
2. Химический состав и стратегия легирования
Примечание: Химический состав варьируется в зависимости от поставщика, формы продукта и конкретного подтипа (например, Q355A/B/C/D/E). Таблица ниже дает ориентировочное содержание и типичные диапазоны, обычно встречающиеся в коммерческих сталях Q355 и Q390; проверьте фактические значения по сертификату испытаний завода (MTC) и применимому стандарту перед проектированием или сваркой.
| Элемент | Q355 (типично, ориентировочно) | Q390 (типично, ориентировочно) | Роль / Эффект |
|---|---|---|---|
| C (углерод) | Низкое до умеренного (примерно 0.05–0.22%) | Низкое до умеренного (примерно 0.06–0.22%) | Увеличивает прочность и твердость, снижает свариваемость и вязкость с увеличением содержания. |
| Mn (марганец) | 0.6–1.6% | 0.6–1.6% (часто немного выше для закаляемости) | Укрепляющее вещество, деоксидант; увеличивает закаляемость и прочность на растяжение. |
| Si (кремний) | 0.02–0.5% | 0.02–0.5% | Деоксидант; небольшое влияние на прочность. |
| P (фосфор) | ≤0.035% (контролируемый) | ≤0.035% | Примесь; высокий P снижает вязкость — должен быть низким. |
| S (сера) | ≤0.035% (контролируемый) | ≤0.035% | Примесь; снижает пластичность и обрабатываемость при высоком содержании. |
| Cr (хром) | следы–низкое (если присутствует) | следы–низкое (если присутствует) | Улучшает закаляемость и прочность при наличии. |
| Ni (никель) | следы–низкое | следы–низкое | Вязкость и прочность при низких температурах при добавлении. |
| Mo (молибден) | ≤0.1% (иногда добавляется) | ≤0.1% (иногда добавляется) | Улучшает закаляемость и стойкость к ползучести. |
| V (ванадий) | микроаллоированная (ppm–0.1%) | микроаллоированная (ppm–0.1%) | Препятствует образованию карбидов/нитридов для укрепления; улучшает измельчение зерна. |
| Nb (ниобий) | микроаллоированная (ppm–0.05%) | микроаллоированная (ppm–0.05%) | Контролирует рекристаллизацию в TMCP, увеличивает предел текучести за счет осаждения. |
| Ti (титан) | возможное микроаллоирование (ppm) | возможное микроаллоирование (ppm) | Контролирует N, улучшает зерно. |
| B (бор) | следы (если используется) | следы (если используется) | Очень небольшие добавки увеличивают закаляемость. |
| N (азот) | контролируемый (ppm) | контролируемый (ppm) | Влияет на осаждение; в сочетании с Ti/Nb образует нитриды для прочности. |
Резюме стратегии легирования: - Q355 обычно производится с умеренным содержанием углерода и Mn и полагается на контролируемую прокатку и/или нормализацию для достижения баланса предела текучести, пластичности и вязкости. - Q390 часто использует аналогичную базовую химию, но может включать более высокое микроаллоирование или немного скорректированное содержание Mn/закаляемости для достижения более высокого минимального предела текучести при сохранении вязкости — обычно достигается за счет термомеханической контролируемой обработки (TMCP) и осаждения микроаллоидов, а не за счет значительного увеличения углерода.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Типичные микроструктуры:
- Q355: матрица феррит–перлит для обычных горячекатаных или нормализованных продуктов; более тонкий феррит и дисперсия осадков микроаллоидов при использовании TMCP.
-
Q390: феррит с более мелким зерном с контролируемой долей бейнита в некоторых продуктах TMCP; более контролируемое осаждение для повышения прочности от Nb/V/Ti обычно встречается для повышения предела текучести без ущерба для вязкости.
-
Эффекты термообработки и обработки:
- Нормализация улучшает размер зерна, повышает вязкость и гомогенизирует структуру — используется, когда требуются улучшенные ударные свойства.
- Закалка и отпуск не являются типичными для стандартных форм конструкционных продуктов Q355/Q390, но могут использоваться для плит или индивидуальных компонентов для достижения более высокой прочности и адаптированной вязкости.
-
TMCP (термомеханическая контролируемая обработка) распространена для обеих марок для достижения высокой прочности и хорошей вязкости при низких температурах за счет контролируемой прокатки, ускоренного охлаждения и осаждения микроаллоидов — особенно эффективно для Q390 для достижения более высоких целевых пределов текучести без значительного увеличения углерода.
-
Практическое примечание: Обе марки предназначены для условий как прокатанных, так и нормализованных; полные термообработки закалки обычно не требуются и могут ухудшить свариваемость и пластичность без точного контроля процесса.
4. Механические свойства
Следующая таблица представляет собой диапазоны механических свойств, обычно встречающиеся в коммерческих продуктах из плит и рулонов. Значения зависят от толщины, подтипа (A/B/C/D/E) и обработки — всегда проверяйте с сертификатами испытаний поставщика.
| Свойство | Q355 (типично, ориентировочно) | Q390 (типично, ориентировочно) |
|---|---|---|
| Минимальная прочность на текучесть (МПа) | ~355 МПа | ~390 МПа |
| Прочность на растяжение (МПа) | ~470–630 МПа (варьируется в зависимости от состояния и толщины) | ~490–650+ МПа (варьируется в зависимости от состояния и толщины) |
| Удлинение (A%) | Более высокий диапазон пластичности; например, типично 20%+ для более тонких плит | Немного снижено по сравнению с Q355; например, часто низкие до средних десятков до 20% в зависимости от продукта |
| Ударная вязкость по Шарпи | Хорошая (если указана и произведена с подходящей TMCP/нормализацией) | Требует большего внимания к обработке для соответствия тем же спецификациям удара — возможно, но должно быть подтверждено |
| Твердость (HB/HRB) | Умеренная | Как правило, немного выше для достижения прочности |
Интерпретация: - Q390 является более прочной маркой (более высокий предел текучести и часто более высокая прочность на растяжение) по спецификации. Достижение этого требует контроля микроструктуры, который может немного снизить пластичность и, если не контролировать, может повлиять на ударную вязкость — особенно для более толстых сечений или при более низких температурах эксплуатации. - Q355, как правило, более пластична и прощает в обработке, с более легким достижением заданной вязкости для более толстых сечений.
5. Свариваемость
Ключевые факторы: содержание углерода, эквивалент углерода, толщина и наличие микроаллоидных элементов.
Полезные эмпирические индексы (интерпретируйте и используйте качественно; рассчитывайте с фактической химией для квалификации сварочной процедуры): - Международный институт сварки эквивалент углерода: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm для оценки свариваемости: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Обе марки Q355 и Q390 предназначены для хорошей свариваемости по сравнению с высокоуглеродными инструментальными сталями; однако более высокая целевая прочность Q390 часто означает немного более высокую закаляемость (из-за Mn или микроаллоирования), что может повысить $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с Q355. - Практические последствия: - Температуры предварительного нагрева и межпроходные температуры могут потребовать быть выше для толстых сечений Q390, чтобы избежать холодных трещин. - Выбор сварочных материалов и процедур (соответствующих прочности, подходящей вязкости filler metal) должен определяться квалификацией процедуры с использованием фактических значений MTC. - Постсварочная термообработка редко требуется для тонких сечений, но может быть необходима для толстых сварных соединений или в условиях критической эксплуатации.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни Q355, ни Q390 не являются нержавеющими сталями; коррозионная стойкость типична для углеродных сталей.
- Общие методы защиты:
- Горячее цинкование для долгосрочной атмосферной защиты.
- Системы покраски, грунтовки и покрытия, адаптированные к окружающей среде (морская, промышленная, сельская).
- Облицовка или металлизация для суровых условий.
- Если требуются нержавеющие или коррозионно-стойкие свойства, выберите соответствующий нержавеющий сплав; PREN не применим к Q355/Q390. Для справки, PREN для нержавеющих сплавов: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Уточнение: PREN не имеет значения для обычных углеродных сталей HSLA — используйте стратегии покрытия или коррозионно-стойкие сплавы вместо этого.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Резка: Обе марки легко поддаются резке кислородно-газовым, плазменным и лазерным способом; качество кромки и образование окалины зависят от толщины и метода резки.
- Формование/гиб: Q355 обычно имеет лучшую формуемость (больший минимальный радиус изгиба) из-за более низкого номинального предела текучести. Q390 можно формовать, но требуется больший радиус изгиба или инкрементальные практики формования, чтобы избежать трещин; пружинный эффект увеличивается с прочностью.
- Обрабатываемость: Более высокая прочность (и связанное микроаллоирование) в Q390 может немного снизить обрабатываемость по сравнению с Q355; выбирайте инструменты и скорости соответственно.
- Обработка поверхности: Обе марки принимают обычные обработки поверхности (пескоструйная обработка, грунтовка, покраска); сварка и обработка могут локально изменять свойства и требуют внимания к контролю деформации.
8. Типичные применения
| Q355 — Общие применения | Q390 — Общие применения |
|---|---|
| Конструктивные балки, колонны, мосты со стандартными требованиями прочности | Структуры, где требуется снижение веса за счет более тонких сечений при более высоком пределе текучести |
| Общая стальная обработка, рамы, опоры, резервуары (непод давлением) | Рамы тяжелой техники, где желательна высокая прочность на вес |
| Сварные конструкции, где приоритетом являются высокая вязкость и хорошая свариваемость | Рельсы кранов, компоненты шасси с высокой нагрузкой и конструкции, оптимизирующие момент инерции сечения |
| Трубы и профили для общего строительства (при указании) | Применения, требующие повышения предела текучести с контролируемой вязкостью через TMCP |
Обоснование выбора: - Используйте Q355, когда пластичность, свариваемость и стоимость являются доминирующими факторами, и проектные нагрузки удовлетворяются пределом текучести 355 МПа. - Используйте Q390, когда более высокий минимальный предел текучести позволяет уменьшить размер или вес сечения и когда процесс обработки и сварочные процедуры контролируются для обеспечения вязкости и предотвращения трещин.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Q390 обычно несколько дороже за тонну, чем Q355 из-за более строгого контроля обработки и потенциального дополнительного микроаллоирования. Ценовой премиум варьируется в зависимости от рынка, поставщика и формы продукта.
- Доступность: Q355 чаще всего имеется в наличии и доступен в более широком диапазоне форм и толщин продукта. Доступность Q390 зависит от регионального производства на заводе и спроса со стороны клиентов; могут возникать длительные сроки поставки для редких толщин или марок плит с жесткими допусками.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | Q355 | Q390 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Очень хорошая (более прощающая) | Хорошая, но требует большего внимания (больший потенциал закаляемости) |
| Баланс прочности и вязкости | Хорошая пластичность и вязкость для многих применений | Более высокая прочность, требует контроля процесса для соответствия вязкости |
| Стоимость | Ниже (в общем) | Выше (в общем) |
Рекомендация: - Выберите Q355, если вам нужна экономически эффективная конструкционная сталь с надежной свариваемостью, высокой пластичностью и широким доступом — идеально, когда проектные пределы допускают минимум 355 МПа и важна легкость обработки. - Выберите Q390, если вам нужен более высокий минимальный предел текучести для уменьшения размера или веса сечения и вы готовы контролировать обработку, сварочные процедуры и, возможно, условия предварительного нагрева/межпроходные условия для поддержания необходимой вязкости — идеально для высоконагруженных конструкций, где прочность материала обеспечивает явные преимущества в проектировании или весе.
Заключительное практическое примечание: Всегда подтверждайте точный химический состав и механические свойства по сертификату испытаний завода и убедитесь, что сварочные процедуры квалифицированы для фактической партии материала, толщины и предполагаемых условий эксплуатации.