Q195 so với Q235 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q195 và Q235 là hai loại thép cacbon phổ biến theo tiêu chuẩn Trung Quốc, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kết cấu, chế tạo và kỹ thuật nói chung. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân nhắc chi phí, khả năng định hình, tính tiện lợi khi hàn và cường độ tối thiểu cần thiết. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn tấm thép giá rẻ cho các chi tiết kết cấu nhẹ, lựa chọn kim loại nền cho chế tạo nặng, hoặc xác định xem giới hạn chảy cao hơn có hợp lý với việc tăng chi phí vật liệu và điều chỉnh chế tạo hay không.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này là giới hạn chảy tối thiểu và phương pháp kiểm soát hợp kim được sử dụng để đạt được giới hạn này: Q195 là thép kết cấu có giới hạn chảy thấp hơn, dễ tạo hình hơn, được tối ưu hóa cho chế tạo tiết kiệm, trong khi Q235 là thép kết cấu thông thường có giới hạn chảy cao hơn với độ bền cao hơn một chút và thành phần hóa học tương tự nhau. Những đặc điểm này giải thích tại sao Q195 được sử dụng cho các kết cấu và linh kiện rất nhẹ, còn Q235 phổ biến hơn cho các tấm và tiết diện kết cấu thông dụng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Q195 và Q235 là các ký hiệu theo tiêu chuẩn GB của Trung Quốc (GB/T). Chúng thường được tìm thấy trong GB/T 700 (tấm, lá và dải thép cán nóng dùng cho kết cấu chung) và các tiêu chuẩn sản phẩm quốc gia liên quan.
• Tiêu chuẩn quốc tế tương đương/liên quan:
• Q235 thường được so sánh với ASTM A36 / EN S235 về mặt không gian ứng dụng (thép cacbon kết cấu), mặc dù việc trao đổi trực tiếp đòi hỏi phải xác minh cụ thể về độ dày và xử lý nhiệt.
• Q195 là loại thép cacbon kết cấu cấp thấp không có loại thép tương đương quốc tế trực tiếp nào nhưng lại tương tự như thép mềm có hàm lượng cacbon thấp được sử dụng cho các bộ phận nhẹ, không quan trọng.
• Phân loại:
• Cả Q195 và Q235 đều là thép kết cấu cacbon thông thường (không hợp kim, không gỉ, không phải HSLA theo định nghĩa hợp kim hiện đại). Chúng không phải là thép hợp kim hoặc thép dụng cụ có thể xử lý nhiệt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Cả hai loại thép đều được kiểm soát như thép cacbon thấp với hàm lượng hợp kim hạn chế. Thay vì trình bày một thành phần được chứng nhận tại nhà máy duy nhất (thay đổi tùy theo nhà sản xuất và dạng sản phẩm), bảng dưới đây tóm tắt các nguyên tố điển hình được kiểm soát và vai trò chung hoặc mức độ tương đối của từng loại. Luôn kiểm tra thành phần cuối cùng từ chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy (MTC) cho các ứng dụng quan trọng.

Yếu tố	Mức điển hình trong Q195	Mức điển hình trong Q235	Vai trò / bình luận
C (cacbon)	Rất thấp	Thấp-trung bình	Carbon kiểm soát độ bền cơ bản và khả năng làm cứng; hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo.
Mn (mangan)	Thấp	Vừa phải	Mn làm tăng độ bền và khử oxy của thép; Mn vừa phải trong Q235 hỗ trợ năng suất cao hơn.
Si (silicon)	Thấp (chất khử oxy)	Thấp (chất khử oxy)	Silic chủ yếu là chất khử oxy; giữ ở mức thấp để tránh giòn.
P (phốt pho)	Kiểm soát thấp (tạp chất)	Kiểm soát thấp (tạp chất)	P được giới hạn để tránh giòn và duy trì độ dẻo dai.
S (lưu huỳnh)	Kiểm soát thấp (tạp chất)	Kiểm soát thấp (tạp chất)	S bị hạn chế; sunfua cải thiện khả năng gia công nhưng lại làm giảm độ bền và khả năng hàn.
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Không cố ý pha trộn; dấu vết hoặc không tồn tại	Không cố ý pha trộn; dấu vết hoặc không tồn tại	Các nguyên tố hợp kim vi mô này thường không có trong tiêu chuẩn Q195/Q235; sự hiện diện của chúng cho biết cấp thép khác (HSLA hoặc thép hợp kim).
N (nitơ)	Dấu vết	Dấu vết	Nitơ có thể có ở mức thấp; ảnh hưởng đến các đặc tính trong một số quá trình nhiệt cơ học.

Chiến lược hợp kim khác nhau như thế nào: - Câu hỏi 195: Hóa chất được kiểm soát chặt chẽ để đạt được khả năng định hình tối đa và chi phí thấp. Hàm lượng carbon được giữ ở mức rất thấp để giảm thiểu nguy cơ nứt nguội và cho phép uốn và dập dễ dàng. - Q235: Carbon và mangan được kiểm soát ở mức cao hơn một chút để tăng giới hạn chảy, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng. Thành phần hóa học vẫn đơn giản, giúp quá trình sản xuất và hàn diễn ra dễ dàng.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai loại thép này, được sản xuất dưới dạng tấm hoặc lá cán nóng thông thường, chủ yếu bao gồm ferit và peclit. Do hàm lượng cacbon thấp, ferit là pha chủ yếu, với các đảo peclit tạo nên độ bền. - Q195 có hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn, có xu hướng có tỷ lệ ferit mềm cao hơn và hàm lượng perlit mịn hơn, tạo ra độ dẻo lớn hơn. - Q235 chứa nhiều perlit hơn một chút (và có thể có mật độ sai lệch cao hơn một chút khi cán), mang lại cường độ chịu kéo cao hơn.

Phản ứng với quá trình xử lý nhiệt và chế biến: - Chuẩn hóa: Hiệu ứng nhẹ; chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt và có thể tăng nhẹ độ bền và độ dẻo dai. Cả hai loại đều đáp ứng, nhưng lợi ích thường bị hạn chế vì chúng không được hợp kim hóa để tăng khả năng tôi luyện. - Ủ: Ủ hoàn toàn sẽ làm mềm cả hai loại, tăng độ dẻo nhưng lại giảm độ bền; được sử dụng khi cần tạo hình hoặc kéo sâu. - Làm nguội và ram: Không thường được áp dụng cho các loại thép này vì khả năng làm cứng thấp (do hàm lượng cacbon thấp và không có hợp kim mạnh) hạn chế khả năng làm cứng—làm nguội thường tạo ra martensite hạn chế và không hiệu quả về mặt chi phí. - Xử lý nhiệt cơ: Các quy trình kiểm soát cán tiên tiến (TMCP) được sử dụng cho thép HSLA hiện đại; thép Q195/Q235 tiêu chuẩn thường không được xử lý theo cách này, do đó việc sửa đổi cấu trúc vi mô xuyên suốt độ dày bị hạn chế.

Tóm lại: cả hai đều dễ dàng được xử lý ở trạng thái cán nóng; không loại nào được thiết kế để làm cứng bằng chu trình tôi/rau, và cả hai đều có lợi nhất khi cán có kiểm soát và chuẩn hóa khi cần điều chỉnh tính chất nhỏ.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây tập trung vào sự khác biệt về đặc tính danh nghĩa. Giá trị giới hạn chảy tối thiểu được ngụ ý bởi ký hiệu cấp thép (Q = giới hạn chảy tính bằng MPa). Các đặc tính thực tế phụ thuộc vào độ dày, lịch trình cán và xử lý nhiệt - hãy kiểm tra bằng chứng nhận của nhà máy.

Tài sản	Q195 (điển hình)	Q235 (điển hình)	Ý nghĩa thực tiễn
Cường độ chịu kéo (tối thiểu danh nghĩa)	~195 MPa	~235 MPa	Q235 có mức năng suất tối thiểu được đảm bảo cao hơn; đây là yếu tố khác biệt chính trong thiết kế kết cấu.
Độ bền kéo	Thấp hơn Q235 (tùy theo sản phẩm)	Cao hơn Q195 (tùy theo sản phẩm)	Q235 thường có độ bền kéo cao hơn do hàm lượng carbon/Mn cao hơn một chút.
Độ giãn dài (độ dẻo)	Nói chung là cao hơn	Thấp hơn một chút	Q195 thường dẻo hơn và dễ gia công hơn.
Độ bền va đập	Có thể so sánh ở nhiệt độ môi trường; Q195 có thể tốt hơn một chút trong điều kiện lạnh do hàm lượng carbon thấp hơn	Tốt; có thể kém chống gãy giòn hơn một chút trong điều kiện nhiệt độ rất thấp	Cả hai đều có thể sử dụng cho mục đích kết cấu chung; dịch vụ ở nhiệt độ thấp cần có chứng nhận cụ thể.
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn một chút	Q235 sẽ cứng hơn một chút, ảnh hưởng đôi chút đến khả năng mài mòn và gia công.

Giải thích: - Q235 bền hơn theo thiết kế (đảm bảo độ bền cao hơn), trong khi Q195 phải hy sinh một phần độ bền để có thể định hình. Độ bền ở nhiệt độ phòng thường tương đương nhau; hàm lượng carbon thấp hơn trong Q195 làm giảm khả năng tôi cứng và khả năng gãy giòn trong các mối hàn bị hạn chế hoặc ở nhiệt độ rất thấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon, cacbon tương đương (CE) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô. Đối với thép cacbon thông thường như Q195 và Q235, khả năng hàn nhìn chung tốt, nhưng hàm lượng cacbon và mangan cao hơn một chút trong Q235 làm tăng khả năng bị cứng và nứt nguội ở các tiết diện dày hoặc mối hàn bị hạn chế.

Công thức tương đương cacbon hữu ích (để giải thích định tính): - Tương đương carbon IIW (hữu ích cho việc đánh giá so sánh nhanh): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm chi tiết hơn (được sử dụng trong một số mã để dự đoán nhu cầu xử lý nhiệt trước và sau khi hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Cả hai loại thép này thường có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp so với thép hợp kim cao hơn, cho thấy khả năng hàn tốt với vật tư tiêu hao thông thường, ít nung nóng trước và quy trình đơn giản. - Đối với các tiết diện dày hơn, mối hàn cố định hoặc mối hàn nhiều lớp, Q235 có thể cần được chú ý nhiều hơn một chút (gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn) so với Q195 do hàm lượng carbon tương đương cao hơn. Tuy nhiên, đối với độ dày tấm thông thường và hàn kết cấu, các quy trình hàn tiêu chuẩn cho thép mềm thường là đủ. - Luôn sử dụng dữ liệu MTC để tính toán CE hoặc Pcm và tuân theo các quy định về quy trình hàn cụ thể của từng dự án/mã khi có nghi ngờ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q195 và Q235 đều không chống gỉ hoặc chống ăn mòn về mặt hóa học. Đối với môi trường khí quyển hoặc môi trường ăn mòn, cần phải bảo vệ:
• Mạ kẽm nhúng nóng (mạ kẽm) cho các công trình ngoài trời.
• Hệ thống sơn lót và sơn cho bề mặt kiến ​​trúc hoặc tiếp xúc với biển.
• Tiêu chuẩn về lớp phủ hoặc chống ăn mòn cho môi trường khắc nghiệt.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ áp dụng cho hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho Q195/Q235. Công thức PREN cho thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với Q195/Q235, việc lựa chọn biện pháp bảo vệ chống ăn mòn được quyết định bởi môi trường, tuổi thọ thiết kế và chiến lược bảo trì thay vì hợp kim nội tại.

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

• Khả năng định hình và uốn nguội: Q195, với hàm lượng carbon thấp hơn và độ dẻo thấp hơn, nhìn chung dễ uốn, dập và tạo hình mà không bị nứt. Q235 có thể được định hình một cách đáng tin cậy nhưng có thể cần bán kính uốn lớn hơn một chút hoặc thao tác được kiểm soát chặt chẽ hơn đối với bán kính uốn hẹp.
• Cắt và gia công: Cả cắt và gia công đều như thép cacbon thấp. Độ bền kéo cao hơn và độ cứng cao hơn một chút ở Q235 có thể làm tăng nhẹ độ mòn dụng cụ; khả năng gia công vẫn tốt cho cả hai.
• Đục lỗ và gia công nguội: Q195 dễ dàng hơn trong các hoạt động biến dạng cao; Q235 chịu được các quy trình thông thường của xưởng nhưng phải chú ý đến độ đàn hồi và độ cắt gọt ở mức dung sai chặt chẽ.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều được hoàn thiện theo tiêu chuẩn của xưởng, sơn, mạ kẽm và có thể hàn bằng vật tư tiêu hao thông thường.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng dưới đây tóm tắt những cách sử dụng phổ biến và lý do lựa chọn.

Q195 — Công dụng điển hình	Q235 — Công dụng điển hình
Các bộ phận dập và ép nhẹ, giá đỡ nhỏ, vỏ, các thành phần tấm không có cấu trúc	Tấm kết cấu chung, dầm, kênh, khung thép hàn, cầu (không quan trọng), tấm xây dựng
Các bộ phận trang trí hoặc chế tạo nhẹ có chi phí thấp và khả năng định hình là quan trọng	Khung máy móc, giá đỡ, bồn chứa (khi áp dụng biện pháp bảo vệ chống ăn mòn), tấm kỹ thuật chung
Hàng rào giá rẻ, lan can nhẹ và các thành phần có hình dạng đáng kể	Các mặt cắt và tấm kết cấu yêu cầu độ bền tối thiểu cao hơn để đảm bảo an toàn thiết kế

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q195 khi tạo hình phức tạp, chi phí vật liệu thấp, độ dẻo cao là ưu tiên và khi tải trọng thiết kế cho phép giới hạn chảy thấp hơn. - Chọn Q235 khi thiết kế yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn hoặc khi các quy định và tính toán kết cấu chỉ định giới hạn chảy tối thiểu là 235 MPa (hoặc tương đương).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q195 thường rẻ hơn một chút so với Q235 do yêu cầu hiệu suất cơ học thấp hơn và mục tiêu gia công đơn giản hơn. Biên lợi nhuận thay đổi tùy theo điều kiện thị trường và độ dày/hình dạng.
• Tính khả dụng: Q235 được dự trữ phổ biến hơn và được chỉ định cho các ứng dụng kết cấu, vì vậy nó thường có sẵn ở dạng tấm, tiết diện và cuộn tiêu chuẩn. Q195 cũng có sẵn nhưng phổ biến hơn ở dạng tấm giá rẻ và các dòng sản phẩm cụ thể.
• Dạng sản phẩm: Cả hai đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm cán nóng, tấm lá và cuộn. Đối với các sản phẩm kết cấu nặng hoặc được chứng nhận, Q235 thường được cung cấp kèm theo tài liệu kiểm định và thử nghiệm tại nhà máy được công nhận.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Diện mạo	Câu hỏi 195	Câu hỏi 235
Khả năng hàn	Rất tốt (dễ hơn do hàm lượng carbon thấp hơn)	Rất tốt (CE cao hơn một chút; theo dõi các phần dày)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Năng suất thấp hơn, độ dẻo cao hơn; độ dai tốt	Độ bền kéo cao hơn; độ dẻo kém hơn một chút nhưng độ bền chắc chắn cho mục đích sử dụng kết cấu thông thường
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm)	Trung bình (thị trường chấp nhận rộng rãi hơn)

Khuyến nghị: - Chọn Q195 nếu: - Thiết kế của bạn nhấn mạnh vào việc tạo hình, uốn cong hoặc kéo sâu và không yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu cao. - Bạn ưu tiên chi phí vật liệu và chế tạo đơn giản cho các thành phần nhẹ, không quan trọng. - Linh kiện sẽ được sử dụng trong môi trường không cần tăng cường độ bền và sẽ áp dụng biện pháp bảo vệ chống ăn mòn tiêu chuẩn.

• Chọn Q235 nếu:
• Quy định về thiết kế hoặc kết cấu chỉ định giới hạn chảy tối thiểu là ~235 MPa hoặc thép kết cấu tương đương.
• Bạn cần sự cân bằng giữa độ bền cao hơn và khả năng hàn tốt cho các ứng dụng kết cấu chung, tấm và phần.
• Bạn thích loại thép có sẵn rộng rãi với tài liệu nhà máy tiêu chuẩn để chế tạo thiết bị hoặc xây dựng.

Lưu ý cuối cùng: Q195 và Q235 có những đặc điểm chồng chéo nhưng riêng biệt trong công tác kết cấu và chế tạo. Đối với các thiết kế quan trọng về an toàn hoặc được kiểm soát theo quy chuẩn, hãy luôn xác nhận dữ liệu cơ học và hóa học từ chứng chỉ thử nghiệm nhà máy, tính toán giá trị tương đương carbon khi hàn và lựa chọn lớp phủ bảo vệ theo điều kiện sử dụng.