Q195 so với Q215 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q195 và Q215 là hai loại thép cacbon phổ biến theo ký hiệu Trung Quốc, được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu và kỹ thuật nhẹ nói chung. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi cân nhắc chi phí, khả năng định hình, khả năng hàn và khả năng chịu tải cần thiết. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cho các chi tiết tạo hình nguội, ưu tiên độ dẻo và độ hoàn thiện bề mặt, so với các chi tiết kết cấu hàn, yêu cầu giới hạn chảy cao hơn và đặc tính chịu kéo cao hơn một chút.

Sự khác biệt thực tế chính giữa các loại thép này là Q215 được chỉ định mang lại giới hạn chảy tối thiểu cao hơn Q195, đạt được nhờ quy trình kiểm soát hóa học và xử lý hơi khác biệt. Sự khác biệt này ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học, giới hạn tạo hình, độ nhạy khả năng hàn và các ứng dụng phù hợp; do đó, hai loại thép này thường được so sánh ở giai đoạn xác định thông số kỹ thuật và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế chung có thể tìm thấy các cấp độ tương đương hoặc tương tự:
• GB/T (Trung Quốc): Q195, Q215 (thép cacbon kết cấu thông thường theo GB/T 700, v.v.)
• ASTM/ASME: không có loại tương đương trực tiếp 1:1; các loại tương đương là thép kết cấu carbon thấp (ví dụ: ASTM A36 dùng cho kết cấu chung, mặc dù tính chất hóa học và cơ học khác nhau).
• EN (Châu Âu): thép cacbon cường độ thấp tương đương dùng cho kết cấu (ví dụ: S235 trong một số trường hợp, nhưng việc lập bản đồ trực tiếp không chính xác).
• JIS (Nhật Bản): thép kết cấu carbon thấp có vai trò tương tự (không có sự phù hợp trực tiếp nào).
• Phân loại: Cả Q195 và Q215 đều là thép kết cấu cacbon thấp thông thường (thép cacbon không hợp kim), không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA). Chúng được phân loại chung là thép kết cấu cacbon dùng cho tạo hình, hàn và chế tạo nói chung.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Cả hai loại thép này đều là thép cacbon thông thường với hàm lượng hợp kim hạn chế. Thay vì trích dẫn các giới hạn số chính xác (được kiểm soát bởi tiêu chuẩn ban hành và dạng sản phẩm), sự so sánh tốt nhất nên được thể hiện bằng các thuật ngữ tương đối:

Yếu tố	Q195 (xu hướng điển hình)	Q215 (xu hướng điển hình)
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp hơn → được tối ưu hóa để có độ dẻo và khả năng định hình cao hơn	Hàm lượng carbon cao hơn một chút so với Q195 → góp phần tạo ra cường độ chịu kéo cao hơn
Mn (Mangan)	Thấp đến trung bình; chất khử oxy và tăng cường sức mạnh	Tương tự hoặc cao hơn một chút; hỗ trợ sức mạnh và khả năng làm cứng ở mức vừa phải
Si (Silic)	Một lượng nhỏ như chất khử oxy	Số lượng nhỏ tương tự
P (Phốt pho)	Kiểm soát mức độ thấp (tạp chất)	Kiểm soát mức thấp
S (Lưu huỳnh)	Kiểm soát mức độ thấp (tạp chất)	Kiểm soát mức thấp
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Nói chung không được thêm vào với số lượng có ý nghĩa (dấu vết hoặc không có)	Nói chung không được thêm vào; trong một số biến thể sản phẩm, hợp kim vi mô có thể có mặt để kiểm soát tính chất
N (Nitơ)	Theo dõi; kiểm soát tại nơi được chỉ định	Theo dõi; kiểm soát tại nơi được chỉ định

Giải thích: - Cả hai loại thép đều dựa vào carbon và mangan là những thành phần chính tạo nên độ bền. Hàm lượng carbon cao hơn một chút (và đôi khi cao hơn một chút so với Mn) trong thép Q215 giúp tăng cường độ kéo và độ bền kéo so với thép Q195. - Không có loại nào sử dụng hợp kim vi mô đáng kể làm chiến lược gia cố; nếu có các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti), chúng thường ở dạng vết và đại diện cho các biến thể sản phẩm chuyên biệt hơn là các loại tiêu chuẩn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Cả hai loại thép này thường thể hiện cấu trúc vi mô ferit-perlit sau khi cán nóng và làm nguội bằng không khí thông thường. Ferit tạo độ dẻo; perlit kiểm soát độ bền.
• Câu hỏi 195: Với hàm lượng carbon thấp hơn, cấu trúc vi mô chứa tương đối nhiều ferit và ít perlit hơn, mang lại độ dẻo và khả năng định hình tốt hơn. Việc kiểm soát kích thước hạt thông qua cán và xử lý nhiệt có thể tăng cường độ dẻo dai hơn nữa.
• Câu hỏi 215: Hàm lượng cacbon cao hơn một chút sẽ tạo ra tỷ lệ perlit hoặc cấu trúc perlit mịn hơn sau khi làm nguội, góp phần tăng năng suất và độ bền kéo.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Ủ: Cả hai đều phản ứng tốt với ủ hoàn toàn để cải thiện độ dẻo và giảm ứng suất; ủ sẽ tạo ra nhiều ferit đẳng trục và cacbua cầu hóa hơn khi cần thiết.
• Chuẩn hóa: Cải thiện độ bền và độ dẻo dai một chút bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt; cả hai loại đều có lợi, Q215 có thể cho thấy sự gia tăng độ bền tương đối lớn hơn.
• Làm nguội và ram: Đây không phải là phương pháp tiêu chuẩn cho các loại thép cacbon thấp thông thường vì khả năng tôi luyện bị hạn chế; việc tôi luyện xuyên suốt độ dày đáng kể đòi hỏi hàm lượng hợp kim cao hơn. Q215 sẽ tôi luyện nhiều hơn một chút so với Q195 nhưng không đạt được khả năng tôi luyện của thép hợp kim hoặc thép HSLA mà không cần thêm hợp kim.
• Xử lý nhiệt cơ học: Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tinh chỉnh cấu trúc vi mô; các phương pháp như vậy thường được áp dụng cho HSLA và thép có độ bền cao hơn, nhưng chúng có thể ảnh hưởng khiêm tốn đến các đặc tính của các loại thép này nếu được áp dụng.

4. Tính chất cơ học

Việc trình bày hành vi cơ học tương đối giúp tránh trích dẫn sai các giá trị chuẩn chính xác đồng thời làm rõ sự khác biệt thực tế.

Tài sản	Câu hỏi 195	Câu hỏi 215
Cường độ chịu lực tối thiểu	Thấp hơn (theo định nghĩa xung quanh tên lớp)	Cao hơn (tên lớp cho biết mức tối thiểu cao hơn)
Độ bền kéo	Thấp đến trung bình	Trung bình đến cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo cao hơn (giới hạn tạo hình tốt hơn)	Độ giãn dài giảm nhẹ so với Q195
Độ bền va đập	Nói chung tốt ở nhiệt độ phòng; tùy thuộc vào độ dày và quá trình chế biến	Có thể so sánh hoặc thấp hơn một chút ở cùng độ dày/chế biến nếu độ bền tăng
Độ cứng	Độ cứng thấp hơn (gia công/tạo hình dễ dàng hơn)	Độ cứng cao hơn một chút

Giải thích: - Số thứ tự cấp độ tương ứng với mục đích thiết kế giới hạn chảy tối thiểu (ví dụ: giới hạn chảy tối thiểu Q195 ~195 MPa so với giới hạn chảy tối thiểu Q215 ~215 MPa). Do đó, theo thông số kỹ thuật, Q215 mạnh hơn trong hai loại. - Hàm lượng cacbon cao hơn và hàm lượng perlit tăng (trong Q215) làm tăng độ bền kéo và độ bền chảy nhưng có thể làm giảm độ giãn dài và khả năng tạo hình nguội một cách không đáng kể. - Độ bền va đập chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi quá trình gia công và độ dày; cả hai loại đều có thể được chỉ định và gia công để đạt được độ bền chấp nhận được cho mục đích sử dụng kết cấu chung.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cacbon thấp thông thường nhìn chung là tốt, nhưng phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim vi mô. Các công thức đánh giá phổ biến bao gồm:

• Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Công thức dự đoán cacbon-mangan toàn diện hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Câu hỏi 195: Hàm lượng cacbon thấp hơn mang lại giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn — khả năng hàn tốt hơn, ít cần gia nhiệt trước hơn, nguy cơ nứt nguội do hydro thấp hơn. - Câu hỏi 215: Hàm lượng carbon và mangan cao hơn một chút có thể làm tăng các chỉ số tương đương carbon, khiến độ nhạy hàn tăng nhẹ. Trên thực tế, sự khác biệt là nhỏ và quy trình hàn thông thường với vật tư tiêu hao phù hợp, thiết kế mối hàn và các biện pháp xử lý trước/sau khi gia nhiệt đảm bảo mối hàn tốt. - Hợp kim vi mô (nếu có) có thể làm tăng khả năng tôi cứng và độ nhạy nứt; do đó, hãy tuân thủ quy trình hàn và cân nhắc xử lý nhiệt trước/sau khi hàn đối với các phần dày hơn hoặc mối nối bị hạn chế.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q195 và Q215 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương nhau và ở mức trung bình. Các chiến lược bảo vệ điển hình cho thép cacbon là:
• Mạ kẽm nhúng nóng (lớp phủ kẽm) cho các công trình ngoài trời hoặc công trình lộ thiên.
• Sơn, sơn tĩnh điện hoặc sơn phủ chuyển đổi để bảo vệ khỏi khí quyển.
• Lớp phủ chuyên dụng (epoxy, polyurethane) cho môi trường khắc nghiệt.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon thông thường, nhưng để tham khảo khi áp dụng cho các loại thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Sử dụng giải pháp bảo vệ chống ăn mòn theo môi trường, tuổi thọ thiết kế và kế hoạch kiểm tra/bảo trì.

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

• Tạo hình và uốn cong:
• Câu hỏi 195: Tốt hơn cho việc tạo hình nguội, kéo sâu và uốn bán kính hẹp do độ dẻo cao hơn.
• Q215: Vẫn có thể tạo hình được nhưng giới hạn tạo hình bị hạn chế phần nào; có thể cần bán kính uốn cong lớn hơn hoặc dung sai tạo hình lớn hơn.
• Cắt và gia công:
• Thép có hàm lượng cacbon thấp thường dễ gia công hơn; Q195 có thể tạo ra nhiều phoi dẻo hơn và ít mài mòn dụng cụ hơn.
• Độ bền/độ cứng cao hơn một chút của Q215 có thể làm giảm tuổi thọ của dụng cụ và yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ/bước tiến.
• Hoàn thiện: Cả hai đều đáp ứng tốt với phương pháp hoàn thiện bề mặt tiêu chuẩn (mài, phun bi, sơn).

8. Ứng dụng điển hình

Q195 — Công dụng điển hình	Q215 — Công dụng điển hình
Các thành phần tạo hình nguội, chế tạo nhẹ, kẹp, giá đỡ, khung đồ nội thất, cấu hình trang trí	Các phần kết cấu cho công trình xây dựng nhẹ đến trung bình, khung hàn, các bộ phận khung gầm, lan can
Các bộ phận dập tải trọng thấp và các sản phẩm kim loại tấm tiết kiệm	Các bộ phận yêu cầu biên độ năng suất cao hơn hoặc độ bền kéo lớn hơn một chút (giá đỡ chịu tải trung bình)
Sản phẩm thép tấm và thép dải cacbon giá rẻ đa dụng	Các mặt hàng chế tạo có mức tăng nhẹ về độ bền hợp lý với mức tăng nhỏ về chi phí

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q195 vì khả năng tạo hình tối đa, dễ hàn và chi phí vật liệu thấp nhất là ưu tiên hàng đầu. - Chọn Q215 khi cần tăng vừa phải độ bền kéo/giới hạn chảy mà không cần chuyển sang thép HSLA hoặc thép hợp kim.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Q195 thường rẻ hơn một chút so với Q215 tính theo kg do yêu cầu kiểm soát tính chất cơ học thấp hơn và nhu cầu hợp kim hóa và chế biến thấp hơn một chút. Chênh lệch giá thường không đáng kể.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép này thường có sẵn ở dạng tấm, tấm phẳng, cuộn và dạng kết cấu tại các thị trường có thép GB/T. Hình dạng sản phẩm cụ thể (độ dày, cán nguội hay cán nóng) và hàng tồn kho của nhà cung cấp sẽ quyết định thời gian giao hàng.
• Mẹo mua sắm: Nếu cần khối lượng lớn hoặc dung sai chặt chẽ, hãy tìm nhiều nhà cung cấp và xác nhận chứng chỉ nhà máy và báo cáo thử nghiệm để đảm bảo tuân thủ các yêu cầu về giới hạn chảy và tính chất kéo.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	Câu hỏi 195	Câu hỏi 215
Khả năng hàn	Rất tốt (CE thấp hơn)	Rất tốt đến tốt (CE cao hơn một chút)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo/kéo dài tốt hơn; độ bền đủ	Độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn với độ dẻo giảm nhẹ
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn một chút

Kết luận và hướng dẫn: - Chọn Q195 nếu: - Thiết kế ưu tiên khả năng tạo hình, độ uốn sâu hoặc bán kính uốn hẹp. - Khả năng hàn với nhiệt độ nung nóng tối thiểu và độ dẻo tối đa là rất quan trọng. - Cần giảm thiểu chi phí cho các tải trọng kết cấu không quan trọng. - Chọn Q215 nếu: - Linh kiện này yêu cầu biên độ giới hạn chảy tối thiểu cao hơn mà không cần nâng cấp lên thép HSLA hoặc thép hợp kim. - Cần có cường độ kéo cao hơn một chút đối với các kết cấu hàn chịu lực khi có thể chấp nhận được việc giảm khả năng tạo hình. - Các nhà thiết kế muốn tăng cường độ bền một chút trong khi vẫn giữ nguyên phương pháp chế tạo thép cacbon thông thường.

Lưu ý cuối cùng: Cả Q195 và Q215 đều là thép kết cấu carbon thấp, dùng cho mục đích kỹ thuật chung. Sự khác biệt thực tế nằm ở việc Q215 có độ bền tăng nhẹ (thông qua kiểm soát và xử lý hóa học) so với Q195 có độ dẻo cao hơn và dễ tạo hình hơn. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy luôn kiểm tra chứng nhận thử nghiệm nhà máy về thành phần hóa học và kết quả thử nghiệm cơ học, đồng thời xem xét thiết kế mối nối, lộ trình chế tạo và lớp phủ bảo vệ khi chỉ định bất kỳ mác thép nào.