Q215 so với Q235 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q215 và Q235 là hai loại thép cacbon/nhẹ của 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 phải đối mặt với tình thế khó xử khi lựa chọn giữa thép giá rẻ, dễ gia công và các lựa chọn thay thế có độ bền cao hơn một chút, cho phép thiết kế nhẹ hơn hoặc biên độ hiệu suất hẹp hơn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm cân bằng chi phí so với giới hạn chảy yêu cầu, lựa chọn thép cho chế tạo hàn so với tạo hình nguội, và đánh giá độ bền cho ứng dụng nhiệt độ thấp.

Sự khác biệt thực tế chủ yếu giữa hai loại thép này xuất phát từ sự khác biệt về thành phần hóa học - đáng chú ý nhất là carbon và mangan - và cách những khác biệt này chuyển thành giới hạn chảy danh nghĩa và độ nhạy gia công. Vì cả hai đều là thép carbon phi hợp kim, được sản xuất thương mại, dùng cho mục đích tạo hình, hàn và kết cấu, nên chúng thường được so sánh trong quá trình lựa chọn vật liệu, tối ưu hóa chi phí và lập kế hoạch chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB/T (Trung Quốc): Q215, Q235 (tên gọi tiêu chuẩn quốc gia chung cho thép cán nóng kết cấu).
• Tương đương ISO/EN: Không có cấp ISO trực tiếp một-một, nhưng Q235 thường có chức năng tương đương với EN S235JR trong các ứng dụng kết cấu.
• ASTM/ASME: Không có đơn vị tương đương trực tiếp; việc lựa chọn thường dựa trên các đặc tính cơ học thay vì tên gọi chính xác.
• JIS: Không có tiêu chuẩn tương đương trực tiếp; phù hợp theo tính chất chịu kéo/giới hạn chảy và giới hạn hóa học.
• Phân loại: Cả Q215 và Q235 đều là thép kết cấu cacbon thông thường (thép cacbon thấp), không phải thép hợp kim, thép dụng cụ hoặc thép không gỉ. Chúng không được coi là HSLA trừ khi được xử lý nhiệt cơ học bằng phương pháp hợp kim hóa vi mô.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hai cấp độ này được thiết kế đơn giản về mặt hóa học. Các thành phần thương mại điển hình được đưa ra dưới dạng khoảng hoặc giới hạn trên thay vì giá trị cố định chính xác. Bảng dưới đây liệt kê các giới hạn nguyên tố thường được trích dẫn hoặc khoảng điển hình cho Q215 và Q235; hãy tham khảo phân tích được chứng nhận của nhà máy cụ thể và tiêu chuẩn áp dụng (ví dụ: GB/T 700) để biết các giá trị quan trọng theo hợp đồng.

Yếu tố	Q215 (điển hình / giới hạn)	Q235 (điển hình / giới hạn)
C (cacbon)	≈ 0,10–0,18 wt% (tối đa thấp hơn Q235)	≈ 0,12–0,22 wt% (mức tối đa cao hơn một chút)
Mn (mangan)	≈ 0,30–0,60% khối lượng	≈ 0,30–0,80% khối lượng
Si (silicon)	≈ 0,02–0,30% khối lượng	≈ 0,02–0,30% khối lượng
P (phốt pho)	≤ 0,035 wt% (tối đa điển hình)	≤ 0,035 wt% (tối đa điển hình)
S (lưu huỳnh)	≤ 0,035 wt% (tối đa điển hình)	≤ 0,035 wt% (tối đa điển hình)
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	Thông thường ≤ dấu vết/ppm (không phải là sự bổ sung có chủ ý)	Thông thường ≤ dấu vết/ppm (không phải là sự bổ sung có chủ ý)

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon: Tăng độ bền và độ cứng nhưng giảm độ dẻo và khả năng hàn khi hàm lượng cacbon tăng; đồng thời cũng làm tăng khả năng tôi. - Mangan: Chất khử oxy và tăng cường; tăng vừa phải sẽ cải thiện độ bền kéo/sản lượng và chống lại hiện tượng giòn của lưu huỳnh. - Silic: Khử oxy và tăng nhẹ độ bền. - Các nguyên tố còn lại và hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) — không phổ biến trong Q215/Q235 thông thường — sẽ làm tăng cường độ thông qua quá trình gia cường kết tủa và tinh chỉnh kích thước hạt nếu có ở lượng được kiểm soát.

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

Cấu trúc vi mô điển hình cho cả hai loại sau khi cán nóng thông thường và làm mát bằng không khí là hỗn hợp ferit-perlit: - Q215: Tỷ lệ ferit mềm hơn một chút và perlit thô hơn do hàm lượng cacbon thấp hơn; có xu hướng dẻo hơn. - Q235: Thành phần perlit cao hơn một chút và khoảng cách giữa các lớp mỏng hơn nếu cacbon và Mn ở giới hạn cao hơn; thể hiện cường độ kéo và cường độ chảy cao hơn một chút.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Ủ/Chuẩn hóa: Cả hai đều phản ứng theo cách có thể dự đoán trước; chuẩn hóa làm tinh chỉnh cấu trúc hạt và có thể tăng nhẹ độ bền và độ dẻo dai so với trạng thái cán. - Làm nguội và ram: Không điển hình cho các loại thép này—vì hàm lượng cacbon thấp nên khả năng làm cứng bị hạn chế; chu kỳ làm nguội/ram nghiêm ngặt mang lại lợi ích hạn chế so với thép có hàm lượng cacbon trung bình. - Xử lý nhiệt cơ học/hợp kim hóa vi mô: Khi được xử lý bằng hợp kim hóa vi mô và nhiệt cơ học, thép trong nhóm Q2xx có thể đạt được độ bền cao hơn với độ dẻo dai vẫn được giữ nguyên, nhưng điều đó khiến vật liệu không đạt tiêu chuẩn phân loại Q215/Q235.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là bảng so sánh điển hình trong các phạm vi thường được trích dẫn. Giá trị thực tế phụ thuộc vào dạng sản phẩm (tấm, lá, cuộn), độ dày và chứng nhận nhà máy.

Tài sản	Q215 (điển hình)	Q235 (điển hình)
Giới hạn chảy (0,2 Rp)	~215 MPa (cơ sở chỉ định danh nghĩa)	~235 MPa (cơ sở chỉ định danh nghĩa)
Độ bền kéo	≈ 340–470 MPa	≈ 370–500 MPa
Độ giãn dài (A50 mm hoặc A5)	≈ 20–26%	≈ 20–28%
Độ bền va đập (khía chữ V Charpy, nếu được chỉ định)	Biến đổi; nói chung là phù hợp với dịch vụ môi trường xung quanh; thấp hơn Q235 ở mức xử lý tương đương nếu hàm lượng carbon cao hơn	Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn khi được xử lý tương tự, nhưng phụ thuộc vào độ dày và xử lý nhiệt
Độ cứng	Tương đối thấp (HB ≤ ~140 điển hình)	Tương đối thấp nhưng cao hơn một chút so với Q215

Cái nào bền hơn, cứng hơn hay dẻo hơn? - Độ bền: Q235 được chỉ định có độ bền kéo cao hơn và thường bền hơn trong hai loại. - Độ dẻo và độ bền: Q215, có hàm lượng carbon thấp hơn, có xu hướng dẻo hơn một chút và dễ tạo hình hơn; độ bền phụ thuộc nhiều vào quá trình gia công và có thể không khác biệt đáng kể đối với nhiều bộ phận chế tạo tại xưởng. - Đánh đổi: Sự khác biệt nhỏ về cacbon và mangan tạo ra sự khác biệt nhỏ (~10% lớp) về độ bền kéo và độ bền kéo; việc lựa chọn phụ thuộc vào việc biên độ đó có cho phép giảm trọng lượng hoặc tiết diện hay cần khả năng tạo hình lớn hơn hay không.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phần lớn được quyết định bởi hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim còn lại. Đối với thép cacbon thường như Q215/Q235, hàm lượng cacbon và hàm lượng mangan là những yếu tố chủ yếu. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là:

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

• Viện Hàn Quốc tế Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn với nguy cơ nứt nguội do hydro thấp hơn và yêu cầu làm nóng trước thấp hơn. - Q215 thường có khả năng hàn tốt hơn một chút so với Q235 do hàm lượng carbon thấp hơn, làm giảm khả năng tôi cứng và khả năng bị ảnh hưởng bởi các cấu trúc vi mô martensitic trong vùng HAZ (vùng chịu ảnh hưởng nhiệt). - Trên thực tế, cả hai loại đều có khả năng hàn cao bằng các quy trình hàn thông thường (SMAW, GMAW, FCAW, SAW) với điều kiện kiểm soát quá trình nung nóng trước/lọc giữa các lớp, lựa chọn vật tư tiêu hao và kiểm soát hydro thích hợp cho độ dày và mức độ hạn chế có thể gây nứt.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q215 và Q235 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn trong khí quyển tương tự nhau nhưng hạn chế. Các phương pháp bảo vệ bao gồm sơn, sơn tĩnh điện, mạ kẽm (nhúng nóng hoặc mạ điện phân), hoặc xử lý bề mặt kim loại (ví dụ, mạ kẽm dạng phiến).
• Khi xác định mạ kẽm, hãy cân nhắc độ dày và trình tự chế tạo (xử lý mối hàn trước mạ kẽm so với sau mạ kẽm).
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ được sử dụng cho thép không gỉ và không áp dụng cho Q215/Q235: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với Q215/Q235, dung sai ăn mòn trong thiết kế và lớp phủ thích hợp là các biện pháp phòng ngừa chính.

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

• Uốn/tạo hình nguội: Q215 (hàm lượng carbon thấp hơn) dễ tạo hình nguội hơn một chút và có độ giãn dài cao hơn một chút ở độ dày tương đương; Q235 có thể được tạo hình nhưng có thể cần bán kính uốn lớn hơn cho cùng độ dày.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này nhìn chung đều có thể gia công được; hàm lượng carbon và mangan cao hơn trong Q235 mang lại độ bền cao hơn một chút và có thể làm tăng độ mài mòn dụng cụ một chút. Khả năng gia công phụ thuộc nhiều hơn vào điều kiện xử lý nhiệt và hàm lượng lưu huỳnh hơn là sự khác biệt nhỏ giữa các loại thép này.
• Quy trình cắt/nhiệt: Cắt plasma, cắt oxy-nhiên liệu và cắt laser có tác dụng tương đương nhau; chú ý đến hiện tượng cứng cạnh khi làm nguội rất nhanh.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận sơn, mạ kẽm và mạ điện; vị trí hàn và xử lý sau hàn đều tương tự nhau.

8. Ứng dụng điển hình

Q215 — Công dụng điển hình	Q235 — Công dụng điển hình
Các thành phần kết cấu giá rẻ cho các trường hợp tải trọng không quan trọng, khung nhẹ, thiết bị nông nghiệp, chế tạo chung không yêu cầu độ bền tối đa	Thép kết cấu cho các tòa nhà, cầu, kết cấu thép nhẹ, các phần kết cấu hàn có lợi thế về độ bền kéo cao hơn một chút
Các phần được tạo hình nguội có nhu cầu tạo hình cao	Các bộ phận cơ khí có độ bền tăng nhỏ cho phép giảm trọng lượng
Các thành phần trang trí và sơn	Tấm kết cấu và cấu hình mục đích chung trong đó các mức độ cường độ tiêu chuẩn được chỉ định

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q215 khi ưu tiên khả năng tạo hình, chi phí thấp hơn và cường độ phù hợp cho các kết cấu không quan trọng. - Chọn Q235 khi thiết kế yêu cầu độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn để giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện, đồng thời vẫn giữ được khả năng hàn và tạo hình tốt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q215 thường rẻ hơn Q235 một chút do hàm lượng carbon/mangan thấp hơn một chút và quy trình xử lý liên quan. Chênh lệch giá không đáng kể và thường bị lu mờ bởi giá thép thị trường và hình thức sản phẩm (tấm, cuộn).
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được các nhà máy và nhà phân phối dự trữ dưới dạng tấm, tấm phẳng và cuộn. Q235 thường được quy định phổ biến hơn trong các tiêu chuẩn kỹ thuật và có thể được cung cấp rộng rãi hơn dưới dạng tấm kết cấu được chứng nhận và cán mỏng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	Câu hỏi 215	Câu hỏi 235
Khả năng hàn	Rất tốt — tốt hơn một chút do lượng carbon thấp hơn	Rất tốt — CE cao hơn một chút nếu Mn/C gần giới hạn trên
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền danh nghĩa thấp hơn, độ dẻo cao hơn một chút	Năng suất danh nghĩa và độ bền kéo cao hơn, độ dẻo dai tương đương với quá trình xử lý thích hợp
Trị giá	Thấp hơn một chút	Cao hơn một chút nhưng có sẵn rộng rãi

Khuyến nghị kết luận: - Chọn Q215 nếu ưu tiên của bạn là khả năng tạo hình tối đa, chi phí vật liệu thấp nhất có thể cho các bộ phận kết cấu không quan trọng hoặc khi quy trình chế tạo liên quan đến việc uốn và tạo hình nguội rộng rãi. - Chọn Q235 nếu thiết kế của bạn yêu cầu giới hạn chảy cao hơn để giảm kích thước hoặc trọng lượng của thành phần hoặc để đáp ứng các thông số kỹ thuật kết cấu tiêu chuẩn trong đó giới hạn chảy danh nghĩa cao hơn giúp đơn giản hóa việc tuân thủ và biên độ thiết kế.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra chứng chỉ kiểm tra nhà máy và xác nhận các đặc tính cơ học và hóa học cho lô hàng và dạng sản phẩm cụ thể. Đối với các ứng dụng hàn quan trọng, nhiệt độ thấp hoặc nhạy cảm với mỏi, hãy chỉ định các bài kiểm tra độ bền, quy trình hàn và bất kỳ quy trình xử lý nhiệt hoặc gia nhiệt trước sau hàn nào cần thiết dựa trên độ dày và mức độ hạn chế.