Q235NH so với Q295NH – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q235NH và Q295NH là các mác thép bình chịu áp lực của Trung Quốc, được sử dụng rộng rãi trong nồi hơi, bình chịu áp lực và các ứng dụng kết cấu đòi hỏi điều kiện vật liệu chuẩn hóa và độ bền đáng tin cậy. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn và độ bền khi lựa chọn giữa hai mác thép này. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các chi tiết chịu áp lực yêu cầu độ bền va đập và giới hạn chảy tối thiểu được đảm bảo so với các kết cấu có khả năng chịu tải cao hơn đòi hỏi phải tăng một chút hàm lượng hợp kim hoặc gia công.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là mức độ và mục đích của việc hợp kim hóa và kiểm soát quá trình gia công: Q295NH được chỉ định để đạt được hiệu suất tối thiểu cao hơn và thường được sản xuất với sự kiểm soát chặt chẽ hơn về việc bổ sung hợp kim và vi hợp kim để đạt được độ bền cao hơn và độ dẻo dai đồng đều, trong khi Q235NH là thép cacbon hợp kim thấp hơn, có độ bền thấp hơn, được tối ưu hóa cho mục đích tiết kiệm và chế tạo nói chung. Vì cả hai đều được chuẩn hóa ("NH"), chúng thường được so sánh với các thành phần đòi hỏi sự cân bằng giữa độ dẻo dai, khả năng tạo hình và khả năng hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính: Hệ thống GB/T của Trung Quốc (ví dụ: GB/T 3274/1591 cho thép bình chịu áp lực). Các tiêu chuẩn quốc tế tương đương không phải là một-một, nhưng thường được so sánh gần đúng với EN S235 (cho Q235) và thép kết cấu cường độ cao hơn.
• Các tiêu chuẩn khác có thể tham chiếu đến các vật liệu tương tự: ASTM/ASME (đối với thép chế tạo bình chịu áp lực), JIS (tiêu chuẩn Nhật Bản) và tiêu chuẩn EN đối với thép kết cấu.
• Phân loại theo họ thép:
• Q235NH: Thép kết cấu/bình chịu áp lực cacbon (thép cacbon hợp kim thấp ở điều kiện chuẩn hóa).
• Q295NH: Thép kết cấu/bình chịu áp suất cacbon hợp kim thấp/cường độ cao (vẫn có thành phần cacbon nhưng được hợp kim hóa hoặc hợp kim hóa vi mô một cách thận trọng hơn để có năng suất cao hơn).
• Đây không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao; chúng thuộc loại thép kết cấu cacbon/nhẹ và thép hợp kim thấp (đặc biệt được sử dụng cho bình chịu áp suất khi được cung cấp dưới dạng biến thể chuẩn hóa NH).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây trình bày sự hiện diện tương đối điển hình của các nguyên tố hợp kim phổ biến trong Q235NH và Q295NH. Giới hạn số chính xác được quy định trong các tiêu chuẩn GB/T hiện hành và bởi các nhà sản xuất; bảng này chỉ ra mức độ tương đối chứ không phải phân số khối lượng chính xác.

Yếu tố	Q235NH (mức độ tương đối)	Q295NH (mức độ tương đối)	Ghi chú
C (Cacbon)	Thấp đến trung bình	Thấp đến trung bình (tương đương)	Cả hai đều là thép có hàm lượng cacbon thấp; tên gọi chỉ ra giới hạn chảy tối thiểu chứ không phải giới hạn cacbon cao.
Mn (Mangan)	Vừa phải	Trung bình đến cao hơn một chút	Mn tăng cường độ bền và khả năng làm cứng; Q295NH thường có khả năng kiểm soát Mn cao hơn một chút.
Si (Silic)	Thấp (khử oxy)	Thấp	Chất khử oxy; mức độ tương tự.
P (Phốt pho)	Thấp (được kiểm soát)	Thấp (được kiểm soát)	Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai.
S (Lưu huỳnh)	Thấp (được kiểm soát)	Thấp (được kiểm soát)	Giữ ở mức thấp để có khả năng hàn và độ bền.
Cr (Crom)	Dấu vết / không phải là một yếu tố thiết kế	Theo dõi đến mức thấp	Không phải là hợp kim chính; đôi khi có ở dạng vết.
Ni (Niken)	Dấu vết	Dấu vết	Không phải là nguyên tố hợp kim chính có chủ đích đối với các loại này.
Mo (Molypden)	Dấu vết	Dấu vết	Không điển hình như là thành phần chính.
V (Vanadi)	Dấu vết / thường không có	Có thể có dấu vết / hợp kim vi mô	Các biến thể Q295NH có thể sử dụng hợp kim vi mô (V, Nb) để tăng năng suất thông qua việc tăng cường kết tủa.
Nb (Niobi)	Dấu vết	Dấu vết có thể có	Được sử dụng trong thép hợp kim vi mô để tinh luyện hạt và tăng độ bền.
Ti (Titan)	Dấu vết	Dấu vết	Hiếm; chủ yếu được sử dụng để khử oxy hoặc kiểm soát phân tách nếu có.
B (Bo)	Không điển hình	Không điển hình	Không có tính năng thiết kế nào ở đây.
N (Nitơ)	Dấu vết	Dấu vết	Được kiểm soát để quản lý các đặc tính; tương tác với các nguyên tố hợp kim vi mô.

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan là những thành phần chính tạo nên độ bền ở cả hai loại thép. Hàm lượng Mn và hợp kim vi mô (Nb, V) được bổ sung chặt chẽ hơn một chút trong Q295NH cho phép sản lượng cao hơn mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon, làm giảm khả năng hàn. - Hợp kim vi lượng giúp tinh chỉnh kích thước hạt và tăng năng suất thông qua cơ chế kết tủa và lão hóa ứng suất, cải thiện sự cân bằng độ bền và độ dẻo dai. - Hàm lượng P và S thấp rất quan trọng đối với độ bền va đập và khả năng hàn ở cả hai cấp.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Điều kiện chuẩn hóa (NH): cả hai loại đều được cung cấp với cấu trúc vi mô ferit-pearlit với kích thước hạt tinh tế nhờ xử lý nhiệt chuẩn hóa. Chuẩn hóa làm tăng độ dẻo dai so với sản phẩm cán bằng cách tạo ra cấu trúc vi mô đồng đều hơn. - Q235NH: ferit–perlit có thành phần perlit tương đối thô so với thép có độ bền cao hơn; cấu trúc vi mô được tối ưu hóa để có độ dẻo và khả năng định hình. - Q295NH: ferit–pearlit có kích thước hạt mịn hơn và có khả năng phân tán các kết tủa hợp kim vi mô (NbC, VC) nếu được hợp kim hóa vi mô, mang lại giới hạn chảy cao hơn và kiểm soát độ dẻo dai tốt hơn.

Phản hồi xử lý: - Chuẩn hóa: cả hai loại đều có lợi về độ dẻo dai và độ ổn định kích thước; Q295NH có thể cần làm mát có kiểm soát để duy trì mục tiêu về độ bền và độ dẻo dai. - Làm nguội và ram: không phổ biến đối với các loại thép được chỉ định theo NH; làm nguội và ram có thể tạo ra độ bền cao hơn nhiều nhưng nằm ngoài mục đích sử dụng dự kiến ​​đối với các loại thép bình chịu áp suất này. - Xử lý nhiệt cơ học: các biến thể Q295NH hợp kim vi mô có thể đạt được độ bền cao hơn thông qua quá trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh (cán nhiệt cơ học), tạo ra ferit hạt mịn và kết tủa phân tán giúp tăng năng suất mà không có quá nhiều cacbon.

4. Tính chất cơ học

Thông số cơ học quan trọng được đảm bảo trong tên mác thép là giới hạn chảy tối thiểu. Tính chất vật lý phụ thuộc vào độ dày, thành phần hóa học chính xác và quy trình chế tạo; nhà sản xuất chứng nhận tính chất sản phẩm theo các tiêu chuẩn hiện hành.

Tài sản	Q235NH (điển hình)	Q295NH (điển hình)
Cường độ chịu kéo (tối thiểu)	~235 MPa (cơ sở thiết kế)	~295 MPa (cơ sở thiết kế)
Độ bền kéo	Thấp hơn Q295NH (phạm vi điển hình phụ thuộc vào dạng sản phẩm)	Cao hơn Q235NH (phạm vi điển hình phụ thuộc vào dạng sản phẩm)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Khả năng định hình cao hơn/tốt hơn	Thấp hơn một chút so với Q235NH nhưng vẫn có độ dẻo tốt
Độ bền va đập	Được thiết kế để có độ bền tốt ở nhiệt độ quy định; nhìn chung là tốt	Được thiết kế để có độ bền tương đương hoặc tốt hơn ở cùng nhiệt độ, thường được đảm bảo bằng cách kiểm soát chặt chẽ hơn
Độ cứng	Thấp hơn (dễ gia công hơn)	Trung bình (cao hơn do sức mạnh)

Giải thích: - Q295NH bền hơn do có cấu trúc hóa học chặt chẽ hơn và có thể có quá trình hợp kim hóa/tinh chế hạt; năng suất và độ bền cuối cùng cao hơn. - Q235NH thường dẻo hơn và dễ tạo hình hơn; thường được lựa chọn khi cần tạo hình rộng rãi hoặc gia công nguội. - Cả hai loại thép ở điều kiện NH đều được chỉ định để cung cấp độ bền va đập đủ ở nhiệt độ thiết kế yêu cầu; Q295NH có thể yêu cầu quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn để đáp ứng đồng thời cả độ bền và độ dẻo dai.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và việc bổ sung hợp kim vi mô giúp tăng khả năng tôi cứng. Việc sử dụng lượng cacbon tương đương giúp dự đoán khả năng nứt nguội và nhu cầu kiểm soát quá trình nung nóng trước/gia nhiệt giữa các lớp hàn.

Các công thức thực nghiệm hữu ích: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden–O'Neill hoặc Pcm để đánh giá thận trọng hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại này thường được coi là có thể hàn được bằng các quy trình hàn thông thường (SMAW, GMAW, FCAW) khi tuân theo các quy trình thông thường và hướng dẫn về nhiệt độ nung nóng trước/nhiệt độ giữa các lần hàn. - Q235NH thường có giá trị CE thấp hơn và dễ sử dụng hơn—ít cần làm nóng trước hơn và yêu cầu kiểm soát hydro thấp hơn. - Q295NH, với hàm lượng Mn cao hơn một chút và khả năng tạo hợp kim vi mô, có thể có hàm lượng CE hoặc Pcm cao hơn; do đó, có thể yêu cầu các thông số hàn bảo thủ hơn (kiểm soát quá trình nung nóng trước, lượng tiêu hao hydro thấp hơn) để tránh nứt nguội do hydro gây ra. - Đối với các bộ phận quan trọng của bình chịu áp suất hàn, hãy tuân theo các quy trình hàn và PWHT (nếu có quy định) theo yêu cầu của quy tắc quản lý và bảng dữ liệu vật liệu; luôn sử dụng các khuyến nghị hàn do nhà sản xuất cung cấp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này là thép cacbon/hợp kim thấp không gỉ; chúng không có khả năng chống ăn mòn vốn có.
• Các phương pháp bảo vệ tiêu chuẩn: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện, sơn gốc dung môi hoặc gốc bột, lớp phủ kẽm vô cơ, hoặc hệ thống lót ứng dụng cho môi trường khắc nghiệt. Việc lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện tiếp xúc, tuổi thọ và yêu cầu của quy chuẩn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này; tuy nhiên, đối với hợp kim thép không gỉ, công thức là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Tóm lại: hành vi ăn mòn của Q235NH và Q295NH tương tự nhau và được thúc đẩy bởi xử lý bề mặt; Q295NH không mang lại khả năng chống ăn mòn nội tại đáng kể so với Q235NH.

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

• Cắt: Cả cắt bằng máy và cắt plasma đều là phương pháp cắt thông thường. Q235NH thường dễ gia công hơn một chút do độ cứng thấp hơn.
• Tạo hình/uốn: Q235NH có độ dẻo tốt hơn và giới hạn chảy thấp hơn, nên thích hợp cho uốn cong chặt hoặc uốn sâu. Q295NH sẽ yêu cầu bán kính uốn lớn hơn và có thể cần tạo hình ở nhiệt độ cao để uốn cong chặt.
• Khả năng gia công: Q235NH thường có khả năng gia công tốt hơn; độ bền cao hơn của Q295NH và khả năng kết tủa hợp kim nhỏ có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ/bước tiến.
• Lượng nhiệt đầu vào trong quá trình chế tạo: kiểm soát nhiệt để ngăn ngừa hiện tượng cứng cục bộ; quá trình gia nhiệt trước có thể được áp dụng thường xuyên hơn cho Q295NH ở các phần dày hoặc trong môi trường làm việc ở nhiệt độ thấp.

8. Ứng dụng điển hình

Q235NH – Công dụng phổ biến	Q295NH – Công dụng phổ biến
Các thành phần của bình áp suất thấp, các thành phần cấu trúc chung, giá đỡ đường ống, chế tạo tập trung vào tính kinh tế	Các bộ phận bình chịu áp suất có ứng suất cao hơn, các thành phần kết cấu chịu tải có không gian hạn chế cho mặt cắt ngang lớn hơn, các bộ phận yêu cầu biên độ thiết kế cao hơn
Các bộ phận chế tạo có quá trình tạo hình và hàn mở rộng và chi phí là mối quan tâm chính	Các thành phần yêu cầu giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện thông qua ứng suất cho phép cao hơn
Nội thất tàu phụ, phụ kiện không quan trọng	Vỏ hoặc đầu bình chịu áp suất có năng suất cao hơn mang lại lợi thế về an toàn hoặc thiết kế

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q235NH khi ưu tiên chi phí, khả năng tạo hình và khả năng hàn nói chung và ứng suất thiết kế yêu cầu nằm trong giới hạn giới hạn chảy thấp hơn. - Chọn Q295NH khi cần ứng suất cho phép cao hơn hoặc kích thước tiết diện giảm và môi trường chế tạo có thể đáp ứng các yêu cầu hàn/tạo hình khắt khe hơn một chút.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Q235NH thường rẻ hơn trên mỗi đơn vị khối lượng do kiểm soát hợp kim thấp hơn và được sử dụng phổ biến hơn. Q295NH có giá cao hơn một chút do kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn và khả năng tạo hợp kim vi mô.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: cả hai loại thép này thường có sẵn ở dạng tấm, dải và kết cấu tại các khu vực tiêu thụ thép tiêu chuẩn Trung Quốc; tính khả dụng thay đổi tùy theo khu vực và năng lực nhà máy. Thời gian giao hàng có thể bị ảnh hưởng bởi độ dày, xử lý nhiệt (cung cấp NH3) và các chứng nhận bắt buộc để sử dụng trong bình chịu áp lực.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	Q235NH	Q295NH
Khả năng hàn	Rất tốt / dễ tha thứ hơn	Tốt, nhưng có thể cần kiểm soát nhiệt độ trước/H chặt chẽ hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Năng suất thấp hơn, độ dẻo tuyệt vời	Năng suất cao hơn, độ dẻo dai được điều chỉnh với hợp kim được kiểm soát
Trị giá	Thấp hơn	Phí bảo hiểm vừa phải

Khuyến nghị: - Chọn Q235NH nếu: ứng dụng ưu tiên hiệu quả về chi phí, cần tạo hình đáng kể hoặc gia công nguội, hoặc ứng suất thiết kế tương thích với giới hạn chảy tối thiểu ~235 MPa; cũng phù hợp khi mong muốn có phạm vi khả năng hàn tối đa. - Chọn Q295NH nếu: thiết kế yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn hoặc mặt cắt ngang nhỏ hơn cho cùng một tải trọng, khi dự án có thể đáp ứng các quy trình hàn và tạo hình nghiêm ngặt hơn một chút hoặc khi người mua thích quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và độ bền nhất quán mà Q295NH thường cung cấp.

Lưu ý cuối cùng: Luôn tham khảo tiêu chuẩn vật liệu hiện hành và chứng chỉ kiểm tra nhà máy để biết dữ liệu hóa học và cơ học chính xác về nhiệt dung riêng và dạng sản phẩm. Quy trình hàn, nhiệt độ độ bền yêu cầu và các yêu cầu của quy chuẩn đối với thiết bị chịu áp lực phải là hướng dẫn cho việc lựa chọn vật liệu cuối cùng.