Q235 so với Q255 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường lựa chọn giữa Q235 và Q255 khi chỉ định thép cacbon kết cấu cho khung, tấm và tiết diện hàn. Quyết định này thường cân bằng giữa chi phí và tính dễ chế tạo với nhu cầu về cường độ chảy cao hơn và hiệu suất vận hành (ví dụ: khả năng chịu tải cao hơn hoặc kích thước tiết diện giảm). Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các cấu kiện kết cấu hàn, chế tạo chung, và các bình chịu áp lực hoặc bình chứa tải trọng trung bình, trong đó cả độ bền và khả năng hàn đều quan trọng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa Q235 và Q255 là giới hạn chảy thiết kế của chúng: Q255 được chỉ định có giới hạn chảy tối thiểu cao hơn Q235. Mục tiêu giới hạn chảy đó tạo ra những khác biệt tinh tế trong việc kiểm soát hóa chất, xử lý và lựa chọn, khiến hai loại thép này thường được so sánh trong thiết kế và sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB (Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa): Q235, Q255 (cấp thép cacbon kết cấu quốc gia). Chúng được chỉ định là thép kết cấu cacbon.
• Các hệ thống tương đương khác (về chức năng, không giống hệt nhau): Q235 thường được so sánh với ASTM A36 / EN S235JR trong các ứng dụng kết cấu, nhưng sự tương đương trực tiếp đòi hỏi phải xem xét các thử nghiệm hóa học và cơ học.
• Phân loại: cả Q235 và Q255 đều là thép kết cấu cacbon thông thường (không hợp kim thấp), không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) theo nghĩa hiện đại—mặc dù quy trình sản xuất tại nhà máy có thể bao gồm hợp kim hóa vi mô hoặc cán có kiểm soát để đáp ứng các tính chất cơ học.

Lưu ý: Tiêu chuẩn và hình thức sản phẩm khác nhau (tấm, dải, thanh, phần); luôn ghi rõ tiêu chuẩn và hình thức sản phẩm chính xác theo yêu cầu trong đơn đặt hàng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây tóm tắt sự hiện diện tương đối của các yếu tố chính và vai trò của chúng. Các mục này mô tả thông lệ nhà máy điển hình và các mức độ tương đối thay vì các giới hạn tiêu chuẩn quy định—nên tham khảo chứng chỉ nhà máy và tiêu chuẩn áp dụng cho giá trị hợp đồng.

Yếu tố	Q235 (mức tương đối điển hình)	Q255 (mức tương đối điển hình)	Mục đích / Hiệu quả
C (Cacbon)	Thấp đến trung bình (kiểm soát sức mạnh)	Thấp đến trung bình (thường được kiểm soát để đạt năng suất cao hơn mà không có độ cứng quá mức)	Kiểm soát độ bền chính; C cao hơn làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo.
Mn (Mangan)	Trung bình (khử oxy, cường độ)	Trung bình (có thể cao hơn một chút hoặc được kiểm soát chặt chẽ về năng suất)	Tăng khả năng làm cứng và độ bền; giúp bù đắp độ C thấp để tăng độ bền.
Si (Silic)	Thấp (chất khử oxy)	Thấp (chất khử oxy)	Chất khử oxy; ảnh hưởng nhỏ đến độ bền.
P (Phốt pho)	Dấu vết (giữ ở mức thấp)	Dấu vết (giữ ở mức thấp)	Tạp chất—thừa sẽ làm giảm độ dẻo dai, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp.
S (Lưu huỳnh)	Dấu vết (giữ ở mức thấp)	Dấu vết (giữ ở mức thấp)	Tạp chất—làm giảm độ dẻo và khả năng gia công; sự kết hợp Mn-S ảnh hưởng đến hình thái sunfua.
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Thông thường theo dõi / không cố ý thêm vào	Thông thường có dấu vết / có thể bao gồm hợp kim vi mô trong một số nhà máy	Khi được thêm vào một cách có chủ đích, các thành phần này sẽ kiểm soát độ cứng, độ tinh luyện hạt và độ bền (hợp kim vi mô). Không phổ biến trong Q235/Q255 cơ bản trừ khi được chỉ định.
N (Nitơ)	Dấu vết	Dấu vết	Có thể kết hợp với Al, Ti, Nb tạo thành nitrua; ảnh hưởng đến độ dẻo dai và lão hóa.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Tăng C hoặc tăng hợp kim (Cr, Mo, V) làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu không được bù đắp bằng quá trình xử lý. - Mn là nguyên tố hợp kim chủ ý chính trong các loại thép này; nó cân bằng độ bền với khả năng tạo hình. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) có thể cho phép sản lượng cao hơn ở hàm lượng cacbon thấp hơn, cải thiện độ bền mà không làm giảm nhiều khả năng hàn—nếu có, cần phải khai báo trên tài liệu của nhà máy.

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

Cấu trúc vi mô điển hình khi cán cho cả hai loại: - Cấu trúc vi mô Ferrite-Pearlite chiếm ưu thế trong các dạng sản phẩm cán và chuẩn hóa đối với thép kết cấu cacbon. - Q255, do mục tiêu năng suất cao hơn, có thể cho thấy thành phần perlit lớn hơn một chút hoặc kích thước hạt ferit mịn hơn thông qua quá trình cán có kiểm soát hoặc hợp kim hóa vi mô, nhưng các cấu trúc vi mô cơ bản vẫn là ferit + perlit trong các quy trình thương mại thông thường.

Tác động của các tuyến xử lý chung: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh hạt và có thể tạo ra các tính chất cơ học đồng đều hơn; được sử dụng khi cần độ dẻo dai tốt hơn. - Làm nguội và ram: không điển hình cho mặt hàng Q235/Q255; tạo ra các cấu trúc vi mô martensitic hoặc bainit có độ bền cao hơn nhiều nhưng nằm ngoài phạm vi chỉ định thông thường. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): khi áp dụng, tạo ra kích thước hạt mịn hơn và cải thiện sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo dai trong khi vẫn giữ hàm lượng carbon ở mức thấp—đây là phương pháp phổ biến để tăng năng suất mà không cần hàm lượng C quá mức.

Ý nghĩa: - Đối với chế tạo thông thường, cả hai loại đều được xử lý để đảm bảo tính dẻo ferit-pearlit có thể dự đoán được. Nếu cần độ bền cao hơn mà vẫn duy trì khả năng hàn, hãy tìm phiên bản TMCP hoặc hợp kim vi mô thay vì chỉ đơn giản là tăng hàm lượng carbon.

4. Tính chất cơ học

Sự khác biệt cơ học quan trọng được đảm bảo là độ bền kéo.

Tài sản	Q235 (điển hình)	Q255 (điển hình)	Ghi chú
Cường độ chịu nén danh nghĩa (tối thiểu)	235 MPa	255 MPa	Các giá trị danh nghĩa này là điểm giới hạn chảy thiết kế được ngụ ý theo tên cấp thép.
Độ bền kéo	Trung bình; tùy thuộc vào dạng sản phẩm	Cao hơn một chút hoặc tương tự; tùy thuộc vào dạng sản phẩm	Độ bền kéo cuối cùng phụ thuộc vào độ dày, cán và xử lý nhiệt.
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt để tạo hình và hàn	Có thể so sánh được nhưng có thể thấp hơn một chút nếu sử dụng chế biến có cường độ cao hơn	Độ dẻo phụ thuộc vào tính chất hóa học và quá trình chế biến; hàm lượng carbon thấp sẽ cải thiện độ dẻo.
Độ bền va đập	Tốt với chế biến phù hợp	Có thể so sánh được nếu được xử lý để tăng độ dẻo dai; có thể bảo thủ hơn ở nhiệt độ thấp	Thử nghiệm Charpy phụ thuộc vào sản phẩm và xử lý nhiệt.
Độ cứng	Độ cứng điển hình của thép kết cấu	Cao hơn một chút ở sản phẩm có năng suất cao hơn	Độ cứng có mối tương quan với tính chất chịu kéo.

Giải thích: - Q255 mạnh hơn theo tiêu chuẩn giới hạn chảy thiết kế; tùy thuộc vào phương pháp sản xuất thép, Q255 có thể đạt được giới hạn chảy cao hơn bằng cách hợp kim hóa vi mô và kiểm soát cán thay vì tăng đáng kể hàm lượng cacbon. Khi hàm lượng cacbon được giữ ở mức thấp và sử dụng hợp kim hóa vi mô/TMCP, độ dẻo dai và khả năng hàn vẫn có thể chấp nhận được. - Độ dẻo dai và độ dai thực tế được xác định nhiều hơn bởi lịch sử xử lý và tạp chất hơn là chỉ dựa vào cấp độ.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cacbon được kiểm soát chặt chẽ bởi hàm lượng cacbon tương đương và khả năng làm cứng cục bộ.

Công thức tương đương cacbon chung (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Một chỉ số khác được sử dụng ở Châu Âu: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Độ tương đương cacbon (CE) thấp hơn cho thấy nguy cơ nứt nguội thấp hơn và giảm nhu cầu gia nhiệt trước/sau. - Q235, thường được sản xuất với hàm lượng carbon thấp, thường có khả năng hàn tuyệt vời cho các quy trình hàn thông thường (SMAW, GMAW, FCAW). - Q255, với mục tiêu hiệu suất cao hơn, có thể được sản xuất bằng cách tăng nhẹ hàm lượng carbon hoặc bằng các chiến lược khác (kiểm soát Mn, hợp kim vi mô, TMCP). Nếu nhà cung cấp đạt được hiệu suất cao hơn với hợp kim vi mô/TMCP và giữ hàm lượng carbon ở mức thấp, khả năng hàn vẫn tốt. Nếu sử dụng hàm lượng carbon cao hơn để đạt hiệu suất, CE sẽ tăng lên và việc gia nhiệt trước/sau gia nhiệt và các quy trình hàn đạt tiêu chuẩn trở nên quan trọng hơn. - Luôn yêu cầu giá trị CE hoặc Pcm trên giấy chứng nhận nhà máy và tuân thủ các thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) hiện hành. Đối với các kết cấu hàn quan trọng, hãy thực hiện các khuyến nghị về PWHT và kiểm soát hydro khi cần thiết.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này là thép cacbon thông thường (không phải thép không gỉ); khả năng chống ăn mòn chỉ giới hạn ở thép cacbon không hợp kim.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng để chống ăn mòn trong khí quyển.
• Lớp phủ hữu cơ (lớp sơn lót, sơn, lớp phủ bột) cho các hệ thống kỹ thuật.
• Lớp phủ kim loại (lớp sơn lót giàu kẽm, lớp phủ epoxy) tùy thuộc vào mức độ tiếp xúc.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) là chỉ số của thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Không áp dụng cho Q235/Q255 vì chúng không chứa đủ Cr, Mo hoặc N để được coi là thép không gỉ.
• Nếu cần khả năng chống ăn mòn ngoài thép cacbon phủ, hãy chỉ định hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn thay vì chỉ dựa vào Q235/Q255.

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

• Tạo hình/uốn cong: Q235 có khả năng tạo hình rất tốt do năng suất thấp hơn; Q255 có thể được tạo hình nhưng có thể cần bán kính uốn cong lớn hơn hoặc lực mạnh hơn tùy thuộc vào sản phẩm và độ cứng.
• Cắt: Áp dụng các phương pháp tương tự; cắt oxy, cắt laser, cắt plasma là những phương pháp thường quy. Các phương pháp cứng hơn hoặc có độ bền cao hơn có thể gây mài mòn dụng cụ nhiều hơn.
• Khả năng gia công: Thép ít cacbon có khả năng gia công ở mức trung bình; tạp chất sulfua hoặc các biến thể gia công tự do (không phải là tiêu chuẩn cho Q235/Q255) cải thiện khả năng gia công nhưng có thể làm giảm các đặc tính va đập.
• Hoàn thiện bề mặt và xử lý sau: Cả hai đều chấp nhận hàn, khoan, ren và xử lý bề mặt tiêu chuẩn; xử lý nhiệt sau hàn hiếm khi cần thiết cho mục đích sử dụng kết cấu thông thường trừ khi có chỉ định.

8. Ứng dụng điển hình

Q235 — Công dụng điển hình	Q255 — Công dụng điển hình
Các thành phần cấu trúc chung (dầm, kênh, cột)	Các thành phần kết cấu có năng suất cao hơn cho phép giảm trọng lượng hoặc tiết diện
Sản phẩm hàn (khung, giá đỡ, vỏ bọc)	Khung nặng, cần cẩu, các bộ phận nâng hạ có ứng suất thiết kế cao hơn
Tấm và tấm dùng cho sản xuất chung, bồn chứa tải trọng thấp	Các ứng dụng mà năng suất tăng nhẹ sẽ cải thiện biên lợi nhuận mà không cần thay đổi loại vật liệu
Ống và thanh định hình cho dịch vụ không quan trọng	Các bộ phận máy móc có năng suất cao hơn một chút sẽ cải thiện tuổi thọ hoặc độ cứng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q235 vì tính khả dụng rộng rãi, khả năng hàn tuyệt vời và chi phí vật liệu thấp nhất cho các thành phần kết cấu thông thường. - Chọn Q255 khi yêu cầu dự án quy định giới hạn chảy tối thiểu cao hơn để có thể giảm kích thước tiết diện, trọng lượng hoặc độ võng trong khi vẫn duy trì các quy trình sản xuất tương tự. Xác nhận xem nhà cung cấp có đạt được giới hạn chảy cao hơn thông qua hợp kim vi mô/TMCP hay không, thay vì hàm lượng carbon cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q255 thường có giá cao hơn một chút so với Q235 do yêu cầu về tính chất cao hơn hoặc quá trình xử lý bổ sung (TMCP, hợp kim vi mô). Mức giá cao hơn này thay đổi tùy theo khu vực, nhà máy và điều kiện thị trường.
• Tính khả dụng: Q235 rất phổ biến và được lưu kho rộng rãi dưới nhiều dạng sản phẩm. Q255 ít phổ biến hơn nhưng thường có sẵn tại các nhà máy lớn; tính khả dụng phụ thuộc vào dạng sản phẩm (tấm, cuộn, thanh) và sản lượng tại từng khu vực.
• Mẹo mua sắm: Xác định chứng chỉ tính chất cơ học và giới hạn hóa học; nếu nguồn cung hạn chế, hãy cân nhắc lựa chọn nhà cung cấp thay thế đủ điều kiện hoặc chấp nhận các loại HSLA tương đương có tính chất được đảm bảo tương tự.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	Câu hỏi 235	Câu hỏi 255
Khả năng hàn	Tuyệt vời (C thấp, CE thấp điển hình)	Tốt đến trung bình (phụ thuộc vào lộ trình đạt năng suất cao hơn; hợp kim vi mô/TMCP = tốt)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng cấu trúc tiêu chuẩn	Năng suất cao hơn; sự cân bằng phụ thuộc vào quá trình chế biến
Trị giá	Thấp hơn (được sản xuất rộng rãi)	Cao hơn một chút (yêu cầu năng suất cao hơn hoặc chế biến)

Khuyến nghị: - Chọn Q235 nếu bạn ưu tiên khả năng hàn tối đa, dễ chế tạo, chi phí vật liệu thấp nhất và hiệu suất kết cấu tiêu chuẩn trong đó năng suất 235 MPa đáp ứng các yêu cầu thiết kế. - Chọn Q255 nếu thiết kế yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu cao hơn (255 MPa) để giảm kích thước tiết diện hoặc tăng khả năng chịu tải và bạn đã xác minh rằng hóa chất và quy trình xử lý của nhà cung cấp đạt được giới hạn chảy này mà không có lượng cacbon dư thừa làm ảnh hưởng đến khả năng hàn hoặc độ dẻo dai.

Hướng dẫn mua sắm cuối cùng: - Luôn yêu cầu giấy chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy (thành phần hóa học và thử nghiệm cơ học), giá trị tương đương cacbon và thông tin chi tiết về bất kỳ quá trình hợp kim vi mô hoặc xử lý TMCP nào. - Đối với các cụm hàn trong dịch vụ quan trọng, hãy chỉ định yêu cầu gia nhiệt trước/sau, kiểm soát hydro và thực hiện xác nhận mối nối bằng sản phẩm của nhà cung cấp tấm/phần thực tế. - Khi cần khả năng chống ăn mòn, hoạt động ở nhiệt độ cao hơn hoặc độ dẻo dai rất cao, hãy cân nhắc các loại thép hoặc hợp kim thay thế thay vì chỉ dựa vào sự thay thế Q235/Q255.