Q235NH so với Q355GNH – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q235NH và Q355GNH là hai loại thép kết cấu Trung Quốc phổ biến mà các kỹ sư thường so sánh khi thiết kế các cấu kiện chịu lực, hàn hoặc chịu áp lực. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm cân bằng chi phí so với cường độ chảy yêu cầu, lựa chọn vật liệu cho các yêu cầu chịu va đập ở nhiệt độ thấp và quyết định xem việc bổ sung hợp kim vi mô để tăng độ bền và độ dẻo dai có hợp lý hay không.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là Q355GNH được chỉ định và xử lý để đạt giới hạn chảy tối thiểu cao hơn và thường chứa hợp kim vi mô hoặc các quy trình kiểm soát xử lý nghiêm ngặt hơn để cải thiện độ dẻo dai và độ bền so với Q235NH. Vì cả hai đều là thép kết cấu không gỉ, thường được cung cấp trong điều kiện thường hóa hoặc xử lý nhiệt cơ, nên chúng được so sánh trực tiếp khi các kỹ sư phải cân nhắc giữa khả năng hàn, độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp, khả năng tạo hình và chi phí vật liệu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn tham chiếu chung:
• Trung Quốc: GB/T 700 (thép kết cấu cacbon thông thường); GB/T 1591 (thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao); GB/T 232 (tấm/tấm cán nóng) và các tiêu chuẩn quốc gia liên quan bao gồm các biến thể đã chuẩn hóa và đã thử nghiệm va đập.
• Tương đương quốc tế: không có giá trị tương đương ASTM/EN chính xác 1:1, nhưng Q235 ≈ thép mềm cacbon thấp (ví dụ: họ A36/A283) và Q355 ≈ thép HSLA tầm thấp hơn trong EN (họ S355) và thép kết cấu cường độ cao ASTM.
• Tiêu chuẩn JIS và EN có thể được sử dụng để thiết kế so sánh nhưng không được đổi tên cấp Q.
• Phân loại:
• Q235NH: Thép kết cấu cacbon (biến thể đã chuẩn hóa, thử nghiệm va đập).
• Q355GNH: Thép kết cấu hợp kim thấp/cường độ cao (cấp độ cường độ cao hơn, hạt mịn hoặc chế biến được kiểm soát được chỉ định bằng "G", biến thể đã chuẩn hóa, thử nghiệm va đập).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện các phạm vi thành phần điển hình thường được tham chiếu trong bảng dữ liệu của nhà cung cấp và tiêu chuẩn quốc gia. Các giá trị này chỉ mang tính chất tham khảo; luôn luôn kiểm tra lại bằng chứng nhận của nhà máy hoặc phiên bản tiêu chuẩn cụ thể.

Yếu tố	Q235NH điển hình (wt%)	Q355GNH điển hình (wt%)
C (Cacbon)	~0,12–0,20	~0,12–0,22
Mn (Mangan)	~0,30–1,40	~0,50–1,60
Si (Silic)	≤0,35 (điển hình)	≤0,50 (điển hình)
P (Phốt pho)	≤0,045 (tối đa)	≤0,035–0,045 (tối đa)
S (Lưu huỳnh)	≤0,045 (tối đa)	≤0,045 (tối đa)
Cr (Crom)	≤0,30 (nếu có)	Thường ≤0,30; có thể cao hơn một chút ở một số thông số kỹ thuật
Ni (Niken)	Không có dấu vết	Dấu vết ở mức thấp (thỉnh thoảng có)
Mo (Molypden)	Không điển hình	Theo dõi (có thể trong các biến thể cụ thể)
V, Nb, Ti (Hợp kim vi mô)	Nói chung là không có	Có thể chứa hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) trong các biến thể Q355 để tinh chỉnh hạt và tăng cường độ
N (Nitơ)	Được kiểm soát (để có độ dẻo dai)	Được kiểm soát (để có độ dẻo dai)

Ghi chú: - Q235NH về cơ bản là thép hợp kim thấp, ít cacbon được cung cấp ở điều kiện chuẩn hóa và thử nghiệm va đập; thành phần được giữ đơn giản để tối đa hóa độ dẻo và khả năng hàn. - Q355GNH thường hướng đến mục tiêu có giới hạn chảy cao hơn thông qua việc tăng nhẹ hàm lượng cacbon và mangan và/hoặc bổ sung hợp kim vi mô được kiểm soát (V, Nb, Ti) và xử lý nhiệt cơ học để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai mà không cần dùng đến hàm lượng hợp kim cao.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và độ cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo khi tăng đáng kể. - Mangan làm tăng độ cứng và độ bền kéo, hỗ trợ quá trình khử oxy. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) tạo ra các kết tủa mịn giúp định hình ranh giới hạt, tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình kết tủa và cải thiện độ dẻo dai khi được xử lý đúng cách. - Lưu huỳnh và phốt pho được giữ ở mức thấp để tránh giòn và hiệu suất mỏi/hàn kém.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Q235NH: Cấu trúc vi mô ferit-pearlit sau khi chuẩn hóa. Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt so với vật liệu cán và cải thiện độ dai đẳng hướng so với thép cán nóng chưa chuẩn hóa. - Q355GNH: Ferit hạt mịn với tỷ lệ bainit hoặc perlit nhiệt độ thấp cao hơn tùy thuộc vào quy trình chế biến. Nếu được hợp kim hóa vi mô và kiểm soát nhiệt cơ học, Q355GNH có thể tạo ra hạt ferit tinh tế hơn, đồng đều hơn với các kết tủa cacbua hoặc cacbon-nitrit mịn.

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ austenit): Cả hai loại đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa để đồng nhất cấu trúc vi mô và cải thiện độ dẻo dai — được ký hiệu bằng chữ “N” trong loại. - Cán nhiệt cơ học (cán có kiểm soát): Thường được sử dụng cho các biến thể Q355 để đạt được độ bền và độ dẻo dai cao hơn thông qua quá trình tinh luyện hạt và gia cường kết tủa mà không làm tăng đáng kể hàm lượng carbon. - Làm nguội và ram: Thông thường không áp dụng cho Q235NH; các biến thể Q355 có độ bền cao hơn có thể có trong điều kiện làm nguội và ram ở các dòng sản phẩm khác, nhưng điều đó sẽ thay đổi chỉ định cấp độ và kỳ vọng của chuỗi cung ứng.

Ý nghĩa thực tiễn: - Q235NH dễ dàng xử lý nhiệt (chuẩn hóa) và dự đoán cấu trúc vi mô (ferit–perlite). - Q355GNH đáp ứng quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và hợp kim hóa vi mô; cùng một phương pháp xử lý nhiệt có thể tạo ra năng suất cao hơn và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn nhờ các hạt tinh chế và kết tủa.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây tóm tắt các dải tính chất cơ học điển hình thường liên quan đến hai loại vật liệu này; xác nhận vật liệu theo hợp đồng bằng chứng chỉ.

Tài sản	Q235NH (điển hình)	Q355GNH (điển hình)
Giới hạn chảy tối thiểu (0,2 Rp)	~235 MPa (cơ sở đặt tên)	~355 MPa (cơ sở đặt tên)
Độ bền kéo (Rm)	~370–500 MPa	~490–630 MPa
Độ giãn dài (A)	Độ dẻo cao hơn; ví dụ, ≥20–26% (thay đổi theo độ dày)	Độ giãn dài thấp hơn Q235NH; ví dụ, ≥18–22% (thay đổi theo độ dày)
Độ bền va đập	Được chỉ định là Charpy V-notch ở nhiệt độ nhất định; được chuẩn hóa để có độ dẻo dai tốt	Thường được chỉ định cho nhiệt độ thấp hơn; độ dẻo dai được cải thiện thông qua hợp kim vi mô/kiểm soát quy trình
Độ cứng	Thấp hơn (gia công/tạo hình dễ dàng hơn)	Cao hơn (tăng cường độ; tăng độ cứng vừa phải)

Giải thích: - Độ bền: Q355GNH là vật liệu có độ bền cao hơn theo thiết kế, có giới hạn chảy tối thiểu cao hơn đáng kể và phạm vi chịu kéo lớn hơn. - Độ dẻo dai: Với quá trình xử lý và thử nghiệm va đập phù hợp, cả hai loại đều có thể đáp ứng các yêu cầu về độ dẻo dai; Q355GNH thường cần được xử lý cẩn thận hơn để đảm bảo độ dẻo dai không bị ảnh hưởng bởi độ bền cao hơn. - Độ dẻo/dễ tạo hình: Q235NH thường dẻo hơn và dễ tạo hình hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và khả năng làm cứng, cộng với hợp kim vi mô và độ dày.

Các công thức thực nghiệm hữu ích: - Cacbon tương đương (IIW) thường dùng để đánh giá khả năng hàn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số nứt nguội dự đoán $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Q235NH: Hàm lượng cacbon thấp, hợp kim hạn chế — khả năng hàn nhìn chung tuyệt vời với yêu cầu nung nóng trước thấp đối với độ dày thông thường và giảm nguy cơ nứt nguội do hydro gây ra. - Q355GNH: Hàm lượng Mn cao hơn và khả năng hợp kim hóa vi mô làm tăng khả năng tôi cứng; điều này có thể làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với Q235NH, cho thấy nhu cầu chú trọng hơn đến việc gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn và kiểm soát hydro khi hàn các tiết diện dày. Khuyến nghị sử dụng quy trình hàn phù hợp và kiểm tra chất lượng. - Hợp kim vi mô làm tăng độ bền nhưng cũng có thể làm tăng xu hướng hình thành vùng cứng cục bộ trong vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn nếu chu trình nhiệt không được kiểm soát.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q235NH và Q355GNH đều là thép cacbon (hoặc hợp kim thấp); chúng không phải là thép không gỉ và do đó cần có biện pháp bảo vệ khi tiếp xúc với môi trường bên ngoài.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, sơn lót giàu kẽm, lớp phủ epoxy hoặc polyurethane, bảo vệ catốt cho các kết cấu ngập nước và chuẩn bị bề mặt thích hợp.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Đối với hợp kim thép không gỉ, chỉ số, $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ có ý nghĩa; không liên quan đến các loại Q không có hàm lượng Cr/Mo/N đáng kể.

Lưu ý lựa chọn chống ăn mòn: - Xử lý bề mặt làm tăng chi phí nhưng có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ sử dụng; lớp phủ dày hơn hoặc mạ kẽm thường được áp dụng cho các bộ phận kết cấu tiếp xúc với thời tiết. - Đối với khu vực khí quyển hoặc khu vực bắn nước, hãy cân nhắc hệ thống mạ kẽm hoặc song công (kẽm + sơn).

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

• Cắt: Cả hai loại đều dễ dàng cắt bằng ngọn lửa hoặc plasma; cắt oxy-nhiên liệu thường được sử dụng cho tấm dày hơn. Q355GNH có thể yêu cầu năng lượng cao hơn một chút hoặc thông số cắt chậm hơn do độ cứng cao hơn.
• Tạo hình và uốn cong: Q235NH có khả năng tạo hình và đặc tính đàn hồi vượt trội; Q355GNH có thể tạo hình nhưng cần quy tắc bán kính uốn cong chặt chẽ hơn và các thông số quy trình được kiểm soát chặt chẽ hơn để tránh nứt.
• Khả năng gia công: Hàm lượng carbon thấp trong Q235NH mang lại khả năng gia công tốt. Q355GNH, có độ bền cao hơn và có thể là hợp kim vi mô, có thể gây mài mòn dụng cụ nhiều hơn và yêu cầu tốc độ cắt/bước tiến chậm hơn.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận phương pháp xử lý bề mặt thông thường; quy trình mài và hoàn thiện trước và sau khi hàn tương tự nhau, nhưng Q355GNH có thể có độ cứng cao hơn ở các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

8. Ứng dụng điển hình

Q235NH (sử dụng phổ biến)	Q355GNH (sử dụng phổ biến)
Các yếu tố cấu trúc chung (dầm, kênh) trong đó tính kinh tế và khả năng tạo hình là quan trọng	Các thành phần kết cấu yêu cầu khả năng chịu tải cao hơn hoặc độ dày tiết diện giảm (cầu, cần cẩu, khung nặng)
Hỗ trợ đường ống, các bộ phận chịu áp suất không quan trọng khi cần điều kiện chuẩn hóa và độ bền	Các kết cấu hàn tiếp xúc với tải trọng động hoặc nơi cần giảm trọng lượng (giàn khoan ngoài khơi, khung máy móc hạng nặng)
Các thành phần chế tạo với quá trình tạo hình/hàn rộng rãi	Các thành phần được chỉ định để đảm bảo năng suất tối thiểu ~355 MPa và các đặc tính va đập ở nhiệt độ thấp hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q235NH khi ưu tiên sản xuất là tạo hình, hiệu quả về chi phí và khả năng hàn tốt. - Chọn Q355GNH khi cần giảm trọng lượng kết cấu, ứng suất thiết kế cao hơn hoặc hệ số an toàn cao hơn về năng suất và khi kiểm soát sản xuất có thể đảm bảo độ bền.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q235NH thường rẻ hơn Q355GNH trên mỗi tấn do thành phần hóa học đơn giản hơn và nhu cầu xử lý thấp hơn. Q355GNH thường đắt hơn do quy trình kiểm soát nghiêm ngặt hơn, cường độ cao hơn và khả năng bổ sung hợp kim vi mô.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, cuộn và kết cấu tại các thị trường có thép Trung Quốc. Tình trạng sẵn có theo độ dày, chiều rộng và mức độ kiểm tra va đập được chứng nhận phụ thuộc vào nhà cung cấp — các biến thể Q235 thường được dự trữ rộng rãi hơn.

Mẹo mua sắm: - Chỉ định rõ ràng các thử nghiệm cơ học, nhiệt độ va đập và chứng chỉ thử nghiệm nhà máy; chênh lệch giá có thể được bù đắp bằng cách giảm chi phí chế tạo (các phần mỏng hơn) khi lựa chọn loại có độ bền cao hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Loại	Q235NH	Q355GNH
Khả năng hàn	Rất tốt (CE thấp hơn)	Tốt đến trung bình (CE cao hơn; có thể cần kiểm soát hàn nhiều hơn)
Cân bằng sức mạnh – độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai/độ bền cao	Độ bền cao hơn với độ dẻo dai được thiết kế thông qua quá trình xử lý
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn Q235NH nếu bạn cần khả năng tạo hình và hàn tuyệt vời, chi phí vật liệu thấp hơn và tải trọng thiết kế của bạn có thể đáp ứng được với vật liệu có giới hạn chảy ~235 MPa. - Chọn Q355GNH nếu thiết kế của bạn yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu cao hơn (≈355 MPa), có khả năng cho phép làm mỏng các phần để giảm trọng lượng và quy trình chế tạo của bạn có thể điều chỉnh các biện pháp kiểm soát hàn và tạo hình chặt chẽ hơn một chút để duy trì độ dẻo dai.

Lưu ý cuối cùng: Luôn luôn lấy và xem xét chứng chỉ kiểm tra nhà máy cho tấm hoặc mặt cắt được cung cấp. Ghi rõ nhiệt độ kiểm tra va đập và mức chấp nhận cần thiết trong tài liệu mua hàng, đồng thời xác nhận tiêu chuẩn quy trình hàn khi chuyển từ Q235NH sang Q355GNH trong sản xuất.