09CuPCrNi so với Q355GNH – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa thép cacbon thấp chống ăn mòn truyền thống và thép chịu thời tiết kết cấu cường độ cao mới hơn khi chỉ định các thành phần cho kết cấu ngoài trời, thiết bị chịu áp lực hoặc các bộ phận tàu và cầu. Sự cân bằng thường tập trung vào khả năng chống ăn mòn so với độ bền kết cấu, khả năng hàn so với khả năng tôi, và chi phí so với tính khả dụng.

09CuPCrNi là một loại thép cacbon thấp kiểu Trung Quốc cũ được hợp kim hóa để cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, trong khi Q355GNH là một loại thép kết cấu cường độ cao hiện đại hơn trong dòng Q355, kết hợp độ bền, độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp và khả năng chống ăn mòn trong khí quyển thông qua quy trình hóa học và xử lý được kiểm soát. Các loại thép này thường được so sánh khi các bản cập nhật tiêu chuẩn quốc gia hoặc hiện đại hóa sản phẩm thay thế các loại thép cũ bằng các loại thép tương đương thuộc dòng Q355 được tối ưu hóa về hiệu suất kết cấu và cung cấp tiêu chuẩn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 09CuPCrNi: Trước đây được quy định theo tiêu chuẩn GB cũ của Trung Quốc dành cho thép cacbon thấp chống ăn mòn. Đây là loại thép cacbon thấp, hợp kim (loại chịu thời tiết) chứ không phải thép không gỉ.
• Q355GNH: Được chỉ định trong họ GB/T dành cho thép kết cấu (dòng Q355). Họ Q355 tương ứng với giới hạn chảy (355 MPa) và bao gồm nhiều quy trình sản xuất (thường hóa, cán nhiệt cơ, v.v.). Các chữ cái hậu tố (ví dụ: G, N, H) biểu thị các đặc tính/quy trình bổ sung: G thường biểu thị khả năng chống ăn mòn trong khí quyển (hợp kim Cu/P), N biểu thị khả năng thường hóa hoặc cán thường hóa, H biểu thị các đặc tính chịu va đập ở nhiệt độ thấp được đảm bảo. Q355GNH là thép HSLA/kết cấu với khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và độ bền được cải thiện.

Các tiêu chuẩn chung khác cho các lớp tương tự trong thực tiễn quốc tế: - ASTM/ASME: (thép cacbon kết cấu như A36, A572 cho các trường hợp sử dụng tương đương) - EN: S355 và các loại thép chịu thời tiết (ví dụ, họ Corten/COR‑TEN) là các loại thép tương đương về mặt chức năng ở Châu Âu - JIS: JIS G3110 và các loại thép kết cấu liên quan

Tóm tắt phân loại: - 09CuPCrNi — Thép hợp kim ít cacbon với các thành phần chịu được thời tiết (không phải thép không gỉ). - Q355GNH — Thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) có khả năng chống ăn mòn và độ bền thời tiết.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: sự hiện diện và vai trò hợp kim điển hình (các giá trị chỉ ra phạm vi điển hình được sử dụng trong thực tế; xác minh phân tích nhà máy được chứng nhận để mua sắm)

Yếu tố	09CuPCrNi (vai trò điển hình)	Q355GNH (vai trò điển hình)
C	Thấp (được biểu thị bằng "09" ≈ 0,09% C) — duy trì khả năng hàn và độ dẻo cao	Thấp đến trung bình (họ Q355 thường giới hạn C để duy trì khả năng hàn; mục tiêu giới hạn chảy cấp ≈355 MPa)
Mn	Trung bình — hỗ trợ sức mạnh và khử oxy	Kiểm soát độ bền và khả năng làm cứng ở mức trung bình đến tương đối cao (1,0–1,6%)
Si	Chất khử oxy; số lượng nhỏ phổ biến	Chất khử oxy; được kiểm soát để cải thiện độ bền và chất lượng bề mặt
P	Kiểm soát mức thấp; P nhỏ có thể hỗ trợ quá trình phong hóa	Giữ ở mức thấp (≤0,035 điển hình) để tránh giòn
S	Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo và khả năng hàn	Giữ ở mức thấp (≤0,035 điển hình)
Cr	Có mặt như hợp kim vi mô để chống ăn mòn và thụ động hóa	Có thể có mặt với số lượng nhỏ để tăng cường độ bền/khả năng chống ăn mòn trong các biến thể chịu thời tiết
Ni	Thêm một lượng nhỏ 09CuPCrNi để tăng độ bền/chống ăn mòn	Thường thấp hoặc không có trừ khi biến thể cụ thể yêu cầu
Mo	Không điển hình trong 09CuPCrNi	Không điển hình trong tiêu chuẩn Q355; có thể xuất hiện trong các biến thể đặc biệt
V, Nb, Ti	Không phải là chính trong 09CuPCrNi	Có mặt dưới dạng hợp kim vi mô trong Q355GNH (Nb, V, Ti) để tinh chỉnh hạt và cải thiện độ bền/độ dẻo dai trong TMCP
B	Không điển hình	Dấu vết B có thể được sử dụng trong một số biến thể HSLA để cải thiện khả năng làm cứng
N	Được kiểm soát; có liên quan nếu kiểm soát lượng mưa hoặc cường độ thông qua nitrua Nb/Ti được sử dụng	Được kiểm soát; có thể được sử dụng để kiểm soát cường độ thông qua các chất kết tủa hợp kim siêu nhỏ

Giải thích về chiến lược: - 09CuPCrNi dựa vào hàm lượng carbon thấp cộng với việc bổ sung Cu/P/Cr/Ni để tạo lớp gỉ bảo vệ và cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khí quyển mà không cần dùng đến các mức hợp kim thép không gỉ. - Q355GNH sử dụng hóa chất được kiểm soát (C thấp, Mn tương đối cao và các nguyên tố hợp kim vi mô như Nb, V hoặc Ti) kết hợp với quá trình xử lý nhiệt cụ thể để đạt được mục tiêu sản lượng 355 MPa, độ dẻo dai được tăng cường (đặc biệt là ở nhiệt độ thấp) và khả năng chống ăn mòn trong khí quyển được cải thiện khi được chỉ định bằng "G".

Luôn sử dụng phân tích hóa học được chứng nhận từ nhà máy cho các thiết kế quan trọng; bảng trên nhằm mục đích truyền đạt ý định hợp kim chứ không phải giới hạn thành phần theo hợp đồng.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình: - 09CuPCrNi: Sản phẩm cán hoặc ủ sẽ thể hiện cấu trúc vi mô ferit-perlit với tỷ lệ perlit thấp do hàm lượng cacbon thấp. Việc bổ sung hợp kim (Cr, Ni) làm thay đổi đôi chút độ ổn định pha và tính chất gỉ sét nhưng không tạo ra martensite đáng kể trong điều kiện chế tạo thông thường. - Q355GNH: Cấu trúc vi mô phụ thuộc vào lộ trình sản xuất cụ thể: - Thường hóa/cán chuẩn hóa (N): ferit–perlite mịn có kích thước hạt tinh tế và độ dẻo dai được cải thiện. - Xử lý bằng phương pháp kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) Q355: thành phần ferit/bainit hình kim mịn với các chất kết tủa hợp kim siêu nhỏ (Nb, V, Ti) để tăng độ bền; hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn giúp cải thiện khả năng hàn trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu về độ bền.

Tác dụng của xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai khi va đập ở cả hai cấp; Q355GNH có lợi hơn vì quy mô gia cường phụ thuộc vào hạt mịn. - Làm nguội và ram: Không điển hình đối với các cấp độ này — Q&T được sử dụng khi cần độ bền cao hơn đáng kể hoặc độ dẻo dai cụ thể nhưng sẽ đưa vật liệu ra khỏi phân loại cấp độ kết cấu thông thường. - Cán nhiệt cơ học: Cần thiết cho các biến thể Q355GNH để đạt được độ bền cao với độ dẻo dai tốt và độ dẻo dai được kiểm soát ở độ dày giảm.

4. Tính chất cơ học

Bảng: phạm vi định tính và điển hình (giá trị ảnh hưởng của độ dày, chế biến và dung sai tiêu chuẩn)

Tài sản	09CuPCrNi (điển hình)	Q355GNH (điển hình / đảm bảo)
Cường độ chịu kéo	Trung bình — thấp hơn Q355 (ví dụ, thép kết cấu có giới hạn dưới)	Đảm bảo ≈ 355 MPa (ý định thiết kế của họ Q355)
Độ bền kéo	Trung bình (phụ thuộc vào quá trình xử lý; thường thấp hơn Q355)	Thông thường trong phạm vi ~470–630 MPa tùy thuộc vào độ dày và quá trình xử lý
Độ giãn dài	Độ dẻo tốt (cao hơn thép có độ bền cao)	Độ dẻo tốt; thường ≥20% tùy thuộc vào độ dày
Độ bền va đập	Trung bình; được cải thiện bằng Ni/Cr nhưng phụ thuộc vào quá trình xử lý	Được thiết kế để có độ bền cao hơn ở nhiệt độ thấp được chỉ định (hậu tố H)
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn 09CuPCrNi do cấu trúc vi mô được tăng cường

Cái nào mạnh hơn/cứng hơn/dẻo hơn: - Độ bền: Q355GNH là vật liệu bền hơn theo thiết kế (giới hạn chảy mục tiêu ≈355 MPa). - Độ bền: Các biến thể Q355GNH với “H” và quy trình chuẩn hóa/TMCP được thiết kế để có độ bền va đập vượt trội, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. - Độ dẻo: 09CuPCrNi có thể có độ giãn dài đồng đều cao hơn trong một số điều kiện do độ bền thấp hơn và cấu trúc vi mô đơn giản hơn.

Lưu ý: Các yêu cầu cơ học chính xác phải được lấy từ tiêu chuẩn hiện hành hoặc giấy chứng nhận của nhà máy.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng carbon, lượng carbon tương đương (khả năng tôi cứng) và hợp kim vi mô.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (dự báo khả năng hàn chung): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - 09CuPCrNi: Nền cacbon thấp mang lại khả năng hàn tốt; việc bổ sung Cu/P/Cr/Ni làm tăng nhẹ CE nhưng thường vẫn nằm trong giới hạn dễ hàn. Nên gia nhiệt trước và kiểm soát lượng nhiệt đầu vào khi hàn các tiết diện dày hơn hoặc hàn nhiều lớp vì các nguyên tố vi lượng và lưu huỳnh/phốt pho có thể ảnh hưởng đến độ bền HAZ. - Q355GNH: Được thiết kế để hàn với hàm lượng C thấp và Mn được kiểm soát, nhưng cần lưu ý đến việc hợp kim hóa vi mô (Nb, V, Ti) và độ bền cao hơn. Giá trị CE được kiểm soát theo tiêu chuẩn; có thể cần kiểm soát nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn đối với các tiết diện dày để tránh hiện tượng cứng HAZ và nứt nguội. Vì Q355GNH thường có độ bền được đảm bảo, nên các quy trình hàn và yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn được quy định cụ thể trong các tài liệu tiêu chuẩn hoặc tài liệu dự án.

Lời khuyên thực tế: - Luôn xác định quy trình hàn (WPS/PQR) dựa trên hình dạng và độ dày của mối hàn. - Sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và kiểm soát quá trình gia nhiệt trước/xuyên qua cho các phần dày hoặc thiết kế mối nối tập trung ứng suất.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 09CuPCrNi và Q355GNH đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều dựa vào lớp gỉ hoặc lớp phủ bảo vệ để chống ăn mòn lâu dài.
• 09CuPCrNi: Hợp kim với Cu và P (và đôi khi là Cr/Ni) để tạo lớp gỉ đồng bám dính tốt hơn trong môi trường khí quyển — hoạt động tương tự như thép chịu thời tiết cổ điển trong một số điều kiện nhưng không phải là thép không gỉ. Các khuyến nghị xử lý bề mặt bao gồm hệ thống sơn, mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ đồng có kiểm soát nếu cần.
• Q355GNH: Khi được chỉ định với ký hiệu “G” (chịu thời tiết), nó chứa Cu và các hợp kim khác để tăng cường khả năng chống ăn mòn trong khí quyển. Đối với môi trường biển hoặc hóa chất khắc nghiệt, vẫn nên phủ lớp sơn phủ hoặc mạ kẽm.

Khi thảo luận về chỉ số ăn mòn thép không gỉ, PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Đối với hợp kim thép không gỉ, PREN là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• 09CuPCrNi: Khả năng định hình và uốn tốt nhờ độ bền thấp và hàm lượng cacbon thấp. Khả năng gia công là đặc trưng của thép mềm — tốt cho chế tạo nói chung. Tránh biến dạng quá mức có thể phá vỡ tính chất hóa học của bề mặt hợp kim bảo vệ nếu cần khả năng chống ăn mòn trong khí quyển.
• Q355GNH: Thép HSLA có khả năng định hình tốt khi được thiết kế hợp lý, nhưng cường độ cao hơn đòi hỏi lực lớn hơn khi cắt/uốn. Khả năng gia công ở mức trung bình; một số hợp kim vi mô có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công so với thép cacbon thông thường. Độ đàn hồi và độ uốn cong phải phản ánh giới hạn chảy cao hơn.

Mẹo thực tế: - Sử dụng dụng cụ và thông số quy trình được đánh giá dành cho thép có độ bền cao hơn khi làm việc với Q355GNH. - Đối với các ứng dụng nhạy cảm với lớp phủ, hãy tuân theo các quy trình chuẩn bị và xử lý bề mặt để tránh làm hỏng lớp hợp kim chống ăn mòn hoặc lớp phủ đã áp dụng.

8. Ứng dụng điển hình

09CuPCrNi (ứng dụng điển hình)	Q355GNH (công dụng điển hình)
Các bộ phận kết cấu ngoài trời cần khả năng chống ăn mòn trong khí quyển ở mức trung bình và độ dẻo cao (các bộ phận cầu cũ, các yếu tố kiến ​​trúc nhỏ)	Các thành phần kết cấu cho cầu, tòa nhà, giàn khoan ngoài khơi và container nơi cần có độ bền 355 MPa và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp được cải thiện
Các thành phần mà việc chế tạo dễ dàng và sơn/mạ kẽm là chính và không cần độ bền cao	Các kết cấu hàn nặng, cần cẩu, giá đỡ thiết bị chịu áp lực và các thành phần kết cấu chịu tải trọng cao khác
Các ứng dụng ưu tiên hành vi phong hóa kinh tế hơn cường độ cao	Thay thế các loại thép chịu thời tiết cũ khi cần các tuyến sản xuất tiêu chuẩn và đảm bảo các tính chất cơ học

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 09CuPCrNi khi thiết kế ưu tiên độ dẻo, dễ tạo hình và khả năng chống ăn mòn trong khí quyển ở mức trung bình với yêu cầu về độ bền thấp hơn và khi thông số kỹ thuật hiện có hoặc thông số kỹ thuật cũ yêu cầu phải sử dụng. - Chọn Q355GNH khi cần có giới hạn chảy cao hơn, độ dẻo dai tiêu chuẩn (bao gồm nhiệt độ thấp) và tính nhất quán của chuỗi cung ứng hiện đại.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 09CuPCrNi: Ngày nay, do tiêu chuẩn sản xuất đã thay đổi nên sản phẩm có thể ít được sản xuất rộng rãi hơn; nguồn cung có thể bị giới hạn ở các kho dự trữ cũ hoặc các nhà máy cụ thể. Giá có thể cạnh tranh đối với số lượng nhỏ, nhưng việc tìm nguồn cung ứng có thể là một vấn đề.
• Q355GNH: Là biến thể Q355 tiêu chuẩn, sản phẩm này thường dễ dàng có sẵn ở dạng tấm, cuộn và tiết diện kết cấu từ nhiều nhà máy và nhà cung cấp. Tính kinh tế theo quy mô thường giúp Q355GNH tiết kiệm chi phí cho các dự án lớn hơn.

Cân nhắc về hình thức sản phẩm: - Q355GNH thường có sẵn dưới dạng tấm kết cấu và cuộn cán nóng và dễ dàng tìm nguồn cung ứng hơn thông qua báo cáo thử nghiệm tại nhà máy được chứng nhận (MTR). - Đối với hoạt động mua sắm quan trọng, cần có chứng chỉ MTR và thử nghiệm để xác nhận sự tuân thủ về mặt hóa học và cơ học.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: so sánh nhanh

Đặc điểm	09CuPCrNi	Q355GNH
Khả năng hàn	Tốt (C thấp)	Tốt với các điều khiển (C thấp, hợp kim vi mô)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo tốt	Độ bền cao hơn (≈355 MPa), độ dẻo dai được thiết kế
Chi phí và tính khả dụng	Có thể bị giới hạn; cổ phiếu cũ	Khả năng cung cấp rộng rãi; nguồn cung chuẩn hóa

Sự giới thiệu: - Chọn 09CuPCrNi nếu bạn cần hợp kim ít carbon, dễ tạo hình với khả năng chống ăn mòn trong khí quyển tích hợp cho các ứng dụng tải trọng thấp, đặc biệt là khi kết hợp với các thành phần cũ hoặc khi có thể chấp nhận độ bền thấp hơn và độ dẻo cao hơn. - Hãy chọn Q355GNH nếu bạn cần một loại thép kết cấu hiện đại, sẵn có với giới hạn chảy đảm bảo khoảng 355 MPa, độ bền nhiệt độ thấp được cải thiện và quy trình sản xuất tiêu chuẩn hóa (tùy chọn chuẩn hóa/TMCP). Q355GNH là lựa chọn phù hợp hơn cho các kết cấu chịu lực, các cụm hàn yêu cầu độ bền được chứng nhận và khi cần tuân thủ tiêu chuẩn thép kết cấu GB/T hiện hành.

Lưu ý cuối cùng: Lựa chọn chính xác nên dựa trên thông số kỹ thuật của dự án (mục tiêu cơ học, mức độ tiếp xúc ăn mòn yêu cầu, quy trình hàn đạt chuẩn và tính khả dụng). Luôn yêu cầu chứng chỉ nhà máy và xác nhận dữ liệu hóa học và cơ học thực tế của các thành phần quan trọng.