Q235 so với Q345 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q235 và Q345 là hai trong số những loại thép kết cấu được sử dụng rộng rãi nhất tại Trung Quốc và trong các chuỗi cung ứng quốc tế, nơi các sản phẩm nhà máy Trung Quốc được chỉ định. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi cân nhắc chi phí, khả năng hàn, khả năng định hình và các yêu cầu về độ bền khi sử dụng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cho cột và dầm xây dựng, khung chịu áp lực, thiết bị nâng và kết cấu hàn, nơi cần cân nhắc các yếu tố như giới hạn chảy, độ bền ở nhiệt độ thấp và tính dễ chế tạo.

Điểm khác biệt kỹ thuật quan trọng là Q345 là thép kết cấu có độ bền cao hơn Q235 nhờ chiến lược hợp kim hóa và vi hợp kim; điều này mang lại mức giới hạn chảy thiết kế cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai và khả năng hàn chấp nhận được ở hầu hết các dạng sản phẩm. Vì cả hai loại thép đều được sử dụng cho các ứng dụng kết cấu tương tự, nên việc so sánh trực tiếp thành phần, phản ứng gia công, tính chất cơ học và hành vi chế tạo sẽ xác định loại thép nào là tối ưu cho một ứng dụng nhất định.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB/T (Trung Quốc): Q235 và Q345 được định nghĩa trong GB/T 700 (thép kết cấu thông thường) và GB/T 1591 (thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao cho các biến thể Q345).
• ASTM/ASME: Không có tên cấp độ tương đương trực tiếp; các họ tương đương bao gồm ASTM A36 (tương tự Q235 về nhiều đặc tính) và nhiều cấp độ hợp kim thấp ASTM khác nhau (đối với mức độ bền tương tự Q345).
• EN (Châu Âu): Thép kết cấu như S235JR (tương đương với Q235) và S355 (tương đương với Q345) có các loại cường độ tương tự nhau.
• JIS (Nhật Bản): Các cấp thép kết cấu JIS không tương đương nhau; cần so sánh dựa trên các yêu cầu về cơ học và hóa học thay vì tên cấp.

Phân loại: - Q235: Thép kết cấu cacbon (thép cacbon trơn hàm lượng cacbon thấp). - Q345: Thép kết cấu hợp kim thấp / HSLA (hợp kim thấp cường độ cao) có hợp kim vi mô được kiểm soát và giới hạn tạp chất chặt chẽ hơn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình và các đặc điểm hợp kim đáng chú ý. Giới hạn chính xác thay đổi tùy theo nền đất tiêu chuẩn (ví dụ: Q235A/B/C/D/E và Q345A/B/C/D/E) và độ dày sản phẩm.

Yếu tố	Q235 (trọng lượng điển hình%)	Q345 (trọng lượng điển hình%)	Ghi chú
C	0,14–0,22	0,10–0,20	Q345 thường có hàm lượng C danh nghĩa thấp hơn một chút để cải thiện khả năng hàn; độ bền đạt được thông qua Mn và hợp kim vi mô.
Mn	0,30–1,40	1,00–1,60	Hàm lượng Mn cao hơn trong Q345 làm tăng độ bền kéo và độ bền chảy và góp phần làm tăng khả năng tôi luyện.
Si	0,10–0,35	0,10–0,50	Si là chất khử oxy; có tác dụng nhỏ đến độ bền.
P	≤0,045 (điển hình)	≤0,035–0,045	P thấp hơn ở các biến thể Q345 giúp cải thiện độ bền.
S	≤0,045 (điển hình)	≤0,045	Giữ ở nhiệt độ thấp để tránh bị giòn.
Cr	dấu vết	dấu vết–nhỏ (≤0,30)	Có thể có một lượng nhỏ trong lô Q345.
Ni	dấu vết	dấu vết	Không phải là nguyên tố hợp kim cố ý trong tiêu chuẩn Q235/Q345.
Mo	dấu vết	dấu vết	Mo có thể có trong các biến thể hợp kim vi mô hoặc các lô đặc biệt.
V, Nb, Ti	dấu vết / hợp kim vi mô không điển hình trong Q235	≤0,05 (hợp kim vi mô)	Q345 thường sử dụng hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) trong một số loại đất nền để tăng năng suất thông qua quá trình tinh luyện hạt và làm cứng bằng kết tủa.
B	dấu vết	dấu vết	Rất thấp nếu có; có thể ảnh hưởng đến khả năng làm cứng ở mức ppm.
N	dấu vết	dấu vết	Được kiểm soát để tác động đến khả năng hàn và độ bền của thép hợp kim vi mô.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Tăng Mn và hợp kim vi mô được kiểm soát (Nb, V, Ti) trong Q345 làm tăng giới hạn chảy, tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai mà không làm tăng lượng cacbon theo tỷ lệ. - Hàm lượng carbon thấp ở cả hai loại đều hỗ trợ khả năng hàn, trong khi hợp kim vi mô và hàm lượng Mn cao hơn một chút trong Q345 làm tăng khả năng tôi và giới hạn chảy. - Lưu huỳnh và phốt pho đều bị hạn chế để giảm thiểu độ giòn và tăng độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình khi cán: - Câu hỏi 235: Chủ yếu là cấu trúc vi mô ferit-pearlit sau khi cán nóng. Hàm lượng cacbon thấp tạo ra nền tương đối mềm, dẻo với khả năng gia cường hạn chế từ perlit. - Q345: Ferrite-perlite có kích thước hạt mịn hơn và đôi khi có các kết tủa hợp kim vi mô phân tán (NbC, V(C,N), TiN) được gia cường bằng cách kết tủa và tinh chế hạt.

Phản ứng với quá trình xử lý nhiệt: - Ủ/chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh hạt và điều chỉnh độ bền vừa phải; Q345 có lợi hơn vì các chất kết tủa hợp kim nhỏ kiểm soát sự phát triển của hạt. - Tôi và ram: Cả hai đều có thể được tôi và ram, nhưng Q345 phù hợp hơn với độ bền cao hơn với hàm lượng carbon thấp hơn vì hợp kim vi mô và Mn làm tăng khả năng tôi cứng. Tôi sau khi tôi mang lại sự cân bằng giữa độ dẻo dai và độ bền. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): Được sử dụng rộng rãi cho Q345 để đạt được cấu trúc vi mô hạt mịn và cải thiện độ dẻo dai ở mức hợp kim thấp hơn. Q235 thường sử dụng cán nóng thông thường, ít được hưởng lợi từ TMCP về độ bền.

Ý nghĩa: Quy trình hợp kim và chế biến hiện đại của Q345 cho phép sản lượng cao hơn ở độ dẻo dai tương đương, kiểm soát tốt hơn các đặc tính theo độ dày so với Q235 thông thường.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây hiển thị các giá trị hoặc phạm vi tối thiểu điển hình; giá trị chính xác phụ thuộc vào nền đất, độ dày và xử lý nhiệt.

Tài sản	Q235 (điển hình)	Q345 (điển hình)
Giới hạn chảy (MPa)	~235 (tối thiểu được chỉ định)	~345 (tối thiểu được chỉ định)
Độ bền kéo (MPa)	~375–500	~470–630
Độ giãn dài (% tính bằng 50 mm)	≥20–26	≥18–22
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Thay đổi; phù hợp ở nhiệt độ môi trường xung quanh; độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp hạn chế trừ khi được chỉ định	Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp nói chung tốt hơn trong các biến thể TMCP/Q345; thường được chỉ định ở −20 °C
Độ cứng (HB)	Phạm vi thấp hơn, tùy thuộc vào sản phẩm	Phạm vi cao hơn nhưng vẫn ở mức vừa phải (được thiết kế để có thể hàn được)

Giải thích: - Q345 là loại thép có độ bền kéo và giới hạn chảy tối thiểu cao hơn nhờ vào chiến lược hợp kim hóa và hợp kim hóa vi mô. - Q235 thường dẻo hơn khi cán; Q345 có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng thuận lợi với độ dẻo cạnh tranh và độ dẻo dai được cải thiện khi được xử lý đúng cách. - Độ bền va đập phải được chỉ định cho dịch vụ ở nhiệt độ thấp; các biến thể Q345 do TMCP sản xuất thường có độ bền vượt trội ở nhiệt độ dưới mức môi trường xung quanh.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô. Các chỉ số hữu ích:

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

• Chỉ số dự báo quốc tế: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Q235 thường có $CE_{IIW}$ thấp hơn do hàm lượng Mn vừa phải và hàm lượng C thấp; điều này mang lại khả năng hàn tổng thể tuyệt vời với yêu cầu gia nhiệt trước thấp đối với các phần mỏng. - Q345 có hàm lượng Mn cao hơn và chứa các nguyên tố hợp kim vi mô làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ một chút, do đó việc kiểm soát nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp có thể quan trọng hơn đối với các phần dày hơn để tránh nứt nguội và nứt có sự hỗ trợ của hydro. - Các nguyên tố hợp kim vi mô trong Q345 làm tăng khả năng tôi luyện cục bộ; thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) cần tính đến độ dày, lượng nhiệt đầu vào và khả năng kiểm soát hydro. - Sử dụng điện cực có hàm lượng hydro thấp, đầu vào nhiệt được kiểm soát và xử lý nhiệt trước/sau khi hàn (PWHT) thích hợp khi cần thiết sẽ duy trì tính toàn vẹn của mối hàn cho cả hai loại.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q235 và Q345 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép cacbon thông thường hợp kim thấp.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện kẽm, lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn tĩnh điện) và dung sai ăn mòn trong thiết kế.
• Đối với môi trường tiếp xúc với hóa chất nhẹ hoặc khí quyển, mạ kẽm và sơn là phương pháp thông thường.

PREN (đối với hợp kim không gỉ) không áp dụng cho các loại thép kết cấu không phải thép không gỉ này, nhưng để đảm bảo tính đầy đủ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không có ý nghĩa đối với Q235/Q345 vì hàm lượng Cr, Mo và N quá thấp để tạo ra khả năng chống ăn mòn thụ động.

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

• Khả năng định hình: Q235 dễ định hình hơn khi uốn nguội, cán và kéo sâu nhờ độ dẻo cao hơn và năng suất thấp hơn. Đối với uốn cong bán kính hẹp hoặc tạo hình rộng, Q235 cần ít lực hơn và ít gặp vấn đề về đàn hồi.
• Khả năng gia công: Cả hai đều có khả năng gia công ở mức độ hợp lý; thép Q345 có độ bền cao hơn có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ và đòi hỏi lực cắt cao hơn một chút. Khả năng gia công cũng phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh (các cấp độ cắt tự do khác nhau).
• Cắt và đục lỗ: Q235 thường dễ cắt và đục lỗ hơn. Q345 có thể cần dụng cụ chắc chắn hơn và lực mạnh hơn nhưng vẫn có thể gia công bằng thiết bị chế tạo tiêu chuẩn.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận hoàn thiện thông thường; xử lý trước khi mạ kẽm và phủ là giống nhau.

8. Ứng dụng điển hình

Q235 Ứng dụng	Ứng dụng Q345
Các mặt cắt kết cấu chung (góc, kênh, dầm chữ I) trong các tòa nhà có tính dẻo và chi phí thấp chiếm ưu thế	Các thành phần kết cấu yêu cầu năng suất cao hơn hoặc độ dày tiết diện giảm cho cùng một tải trọng (cầu, cần cẩu, thiết bị hạng nặng)
Chế tạo nhẹ, khung, giá đỡ, tấm ốp chung	Khung chịu áp lực, kết cấu hàn nặng, giàn khoan ngoài khơi (nơi cần độ bền và độ dẻo dai cao hơn)
Ống cho hệ thống nước áp suất thấp, lan can, hàng rào	Các kết cấu hàn chịu tải trọng tĩnh hoặc động cao hơn; bệ máy và các phụ kiện nâng vật nặng
Các thành phần đòi hỏi phải tạo hình hoặc chế tạo rộng rãi và có độ nhạy về chi phí cao	Các ứng dụng tối ưu hóa trọng lượng trên độ bền hoặc nơi các phần dày hơn vẫn phải đáp ứng các tiêu chí về độ bền

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q235 cho các thành phần kết cấu đơn giản và các bộ phận chế tạo có chi phí và khả năng tạo hình là yếu tố chính. - Chọn Q345 khi cần ứng suất cho phép cao hơn, độ dày tiết diện giảm hoặc độ dẻo dai được cải thiện với chi phí bổ sung khiêm tốn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Q235 thường có giá thành tính theo tấn thấp hơn Q345 do thành phần hóa học đơn giản hơn và yêu cầu kiểm soát quá trình thấp hơn.
• Q345 có giá cao hơn do kiểm soát hóa chất chặt chẽ hơn, bổ sung hợp kim vi mô và quy trình xử lý tiên tiến hơn (TMCP) để có các đặc tính đồng nhất.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều có sẵn ở dạng tấm, cuộn, thanh và hình dạng; Q235 phổ biến trong các kết cấu hàng hóa, trong khi Q345 có thể cần thông số kỹ thuật cho một số lớp nền hoặc độ dày nhất định ở một số thị trường.
• Mẹo mua sắm: Chỉ định chính xác nền đất, phạm vi độ dày và các đặc tính cơ học/va đập cần thiết để tránh nhầm lẫn và đảm bảo giá cả và thời gian giao hàng có thể dự đoán được.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	Câu hỏi 235	Câu hỏi 345
Khả năng hàn	Tuyệt vời; nói chung là dễ tha thứ	Rất tốt nhưng có thể cần kiểm soát nhiệt độ thêm ở các phần dày
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo cao	Năng suất và độ bền kéo cao hơn với độ dẻo dai tốt (đặc biệt là TMCP)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn
Khả năng định hình	Tốt hơn cho việc tạo hình nghiêm ngặt	Đủ nhưng cần nhiều lực/dụng cụ hơn

Khuyến nghị kết luận: - Chọn Q235 nếu: thiết kế của bạn ưu tiên tính hiệu quả về chi phí và chế tạo hàn đơn giản hoặc tạo hình nguội rộng rãi cho các ứng dụng kết cấu ở nhiệt độ môi trường xung quanh, trong đó mức giới hạn chảy tiêu chuẩn (~235 MPa) là đủ. - Chọn Q345 nếu: bạn cần độ bền kéo và độ bền thiết kế cao hơn để giảm độ dày hoặc trọng lượng của tiết diện, yêu cầu độ dẻo dai được cải thiện (đặc biệt là ở nhiệt độ dưới nhiệt độ môi trường) hoặc đang chỉ định các kết cấu hàn được hưởng lợi từ hợp kim vi mô HSLA và tấm được xử lý bằng TMCP.

Lưu ý cuối cùng: Luôn tham khảo tiêu chuẩn nền móng cụ thể (ví dụ: Q235B so với Q345C) và các chứng chỉ cơ khí/tính chất cần thiết khi soạn thảo thông số kỹ thuật mua sắm. Đối với các ứng dụng hàn, dày hoặc nhiệt độ thấp, hãy bao gồm các yêu cầu cụ thể về năng lượng va đập Charpy, xử lý nhiệt và quy trình hàn để đảm bảo cấp độ đã chọn đáp ứng các yêu cầu trong quá trình sử dụng.