Q235NH so với Q355NH – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q235NH và Q355NH là hai loại thép kết cấu Trung Quốc được chỉ định rộng rãi, được sử dụng trong bình chịu áp lực, nồi hơi và các ứng dụng kết cấu chung đòi hỏi xử lý nhiệt chuẩn hóa (N) và đôi khi là hiệu suất chịu va đập (H) được cải thiện. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các cấp thép này khi cân bằng chi phí, khả năng hàn và nhu cầu về độ bền cao hơn hoặc độ dẻo dai được cải thiện. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc ưu tiên chi phí vật liệu thấp hơn và chế tạo dễ dàng hơn (ưu tiên cấp thép có độ bền thấp hơn) hay giảm độ dày và trọng lượng tiết diện bằng vật liệu có độ bền cao hơn (ưu tiên cấp thép có độ bền cao hơn).

Sự khác biệt thực tế giữa hai loại thép này chủ yếu nằm ở sự đánh đổi về hiệu suất: Q355NH cung cấp giới hạn chảy được đảm bảo cao hơn Q235NH, nhưng cũng ảnh hưởng đến các yêu cầu về độ dày, trọng lượng và độ bền. Vì cả hai đều là thép carbon (không phải thép không gỉ) với quy trình chuẩn hóa trong quá trình gia công, chúng thường được so sánh cho các ứng dụng đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ bền khía và đặc tính chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung về sự xuất hiện của các loại thép này:
• GB/T (Trung Quốc): Q235NH và Q355NH là các tên gọi trong tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc dành cho thép chế tạo bình chịu áp lực/kết cấu.
• EN (Châu Âu): Tương đương với các loại thép S235 và S355 (thép kết cấu), nhưng việc thay thế trực tiếp đòi hỏi phải xem xét lại tất cả các yêu cầu về đặc tính.
• ASTM/ASME: Các cấp độ ASME/ASTM tương đương không phải là sự kết hợp trực tiếp một-một; thép bình chịu áp suất ASME như SA-516 Cấp 70 là các thông số kỹ thuật riêng biệt với các yêu cầu về hóa học và độ dẻo dai khác nhau.

• JIS: Các cấp độ của Nhật Bản khác nhau; cần phải xác minh sự thay thế.

• Phân loại:

• Cả Q235NH và Q355NH đều là thép cacbon/hợp kim thấp (không phải thép không gỉ), thường được phân loại là thép kết cấu hoặc thép bình chịu áp lực thay vì thép công cụ hoặc thép không gỉ. Q355NH thường được coi là thép kết cấu/loại HSLA có độ bền cao hơn (mức hiệu suất cao hơn trong nhóm thép kết cấu).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Q235NH (kiểm soát điển hình)	Q355NH (kiểm soát điển hình)
C (Cacbon)	Thấp (kiểm soát khả năng hàn và độ dẻo)	Thấp đến trung bình (tiềm năng carbon cao hơn một chút để đạt được độ bền cao hơn)
Mn (Mangan)	Trung bình (khử oxy, cường độ)	Trung bình đến cao hơn (góp phần tăng cường độ bền và khả năng làm cứng)
Si (Silic)	Thấp (chất khử oxy)	Thấp (chất khử oxy; có thể cao hơn một chút)
P (Phốt pho)	Hạn chế nghiêm ngặt (tạp chất)	Hạn chế nghiêm ngặt (tạp chất)
S (Lưu huỳnh)	Hạn chế nghiêm ngặt (tạp chất)	Hạn chế nghiêm ngặt (tạp chất)
Cr, Ni, Mo	Thông thường không được thêm vào một cách có chủ ý (mức độ vết)	Có thể chứa một lượng nhỏ hoặc kiểm soát chặt chẽ hơn; nhìn chung vẫn có hàm lượng hợp kim thấp
V, Nb, Ti	Thông thường không được thêm vào với số lượng đáng kể (có thể có hợp kim vi lượng)	Có thể bao gồm hợp kim vi mô trong một số biến thể Q355 để kiểm soát độ bền (nhưng bản thân Q355NH thường đạt được bằng quá trình xử lý hóa học + nhiệt cơ)
B, N	Chỉ theo dõi; N được kiểm soát về độ dẻo dai	Chỉ theo dõi; N được kiểm soát về độ dẻo dai

Ghi chú: - Hậu tố “NH” biểu thị trạng thái chuẩn hóa và yêu cầu về độ bền va đập hoặc các đặc tính xử lý nhiệt khác, thay vì bổ sung hợp kim lớn. Chiến lược hợp kim hóa cho cả hai loại thép đều nhấn mạnh việc điều chỉnh hàm lượng cacbon và mangan, cũng như giới hạn tạp chất nghiêm ngặt (P, S) để đảm bảo độ bền và khả năng hàn. Q355NH đạt được giới hạn chảy cao hơn chủ yếu nhờ thành phần và quy trình xử lý được kiểm soát, thay vì hợp kim hóa nặng.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan là những yếu tố chính tạo nên độ bền: C và Mn cao hơn làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng lại làm giảm khả năng hàn và độ dẻo nếu không được kiểm soát. - Silic là chất khử oxy và có tác dụng tăng cường vừa phải. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti), ngay cả khi có ở mức ppm thấp, cũng làm tăng cường độ bền bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt và kết tủa cacbua/nitrit, cải thiện độ bền mà không làm giảm độ dẻo dai theo tỷ lệ. - Các tạp chất (P và S) làm giòn và giảm độ dẻo dai nên bị hạn chế chặt chẽ trong các loại bình chịu áp suất/kết cấu này.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Điều kiện chuẩn hóa (N): Cả hai loại đều thường được chuẩn hóa (nung nóng thành austenit, sau đó làm nguội bằng không khí) để tạo ra cấu trúc vi mô ferit-perlit mịn, tương đối đồng đều. - Q235NH: Quá trình thường hóa tạo ra cấu trúc ferit-perlit với hàm lượng perlit tương đối thô so với thép có độ bền cao hơn. Cấu trúc vi mô này hỗ trợ độ dẻo tốt và độ dai chấp nhận được ở nhiệt độ trung bình. - Q355NH: Chuẩn hóa kết hợp với thành phần hóa học hơi khác biệt và có thể là quá trình cán/tinh chế được kiểm soát tạo ra ferit-perlite hạt mịn hơn với mật độ lệch cao hơn và đôi khi tạo ra kết tủa hợp kim siêu nhỏ. Điều này mang lại hiệu suất và độ bền kéo cao hơn trong khi vẫn duy trì được độ dẻo dai.

Các phương pháp xử lý nhiệt và phản ứng: - Chuẩn hóa (tiêu chuẩn cho ký hiệu “N”): Cải thiện độ dẻo dai bằng cách tinh chỉnh hạt và mang lại các đặc tính cơ học đồng nhất. Hiệu quả cho cả hai cấp, đặc biệt khi độ dẻo dai va đập ở nhiệt độ thấp là yếu tố quan trọng. - Làm nguội và ram (Q&T): Không thường được áp dụng cho các cấp độ này trong thông lệ tiêu chuẩn đối với thép bình chịu áp suất; Q&T sẽ làm tăng đáng kể độ bền nhưng cũng làm thay đổi độ dẻo dai và là một loại vật liệu khác. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): Thường được sử dụng cho thép loại Q355 để đạt được độ bền cao hơn với độ dẻo dai tốt bằng cách kết hợp cán có kiểm soát và làm nguội nhanh; đây là một phương pháp sản xuất thay vì xử lý nhiệt tại xưởng và giúp đạt được mục tiêu độ bền cao hơn theo yêu cầu mà không cần hợp kim hóa quá mức.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	Q235NH (điển hình)	Q355NH (điển hình)
Cường độ chịu kéo tối thiểu (MPa)	235 (giá trị thiết kế danh nghĩa)	355 (giá trị thiết kế danh nghĩa)
Độ bền kéo (MPa)	Phạm vi điển hình—thấp hơn Q355NH (tùy thuộc vào hình dạng và độ dày của sản phẩm)	Phạm vi điển hình—cao hơn Q235NH
Độ giãn dài (%)	Nói chung là cao hơn (độ dẻo tốt hơn)	Nói chung thấp hơn Q235NH nhưng vẫn đủ để sử dụng cho kết cấu
Độ bền va đập	Tốt trong điều kiện chuẩn hóa; được thiết kế để có độ bền khía chấp nhận được	Thường bằng hoặc tốt hơn trong các chế độ va đập được chỉ định do kiểm soát và xử lý chặt chẽ hơn; tùy thuộc vào yêu cầu về độ dày và nhiệt độ
Độ cứng	Tương đối thấp (dễ gia công/mạ hơn)	Cao hơn Q235NH nhưng không nằm trong phạm vi thép công cụ; vẫn có thể gia công được

Giải thích: - Q355NH là loại thép có độ bền cao hơn theo thiết kế: giới hạn chảy tối thiểu cao hơn và độ bền kéo điển hình cao hơn cho phép tạo ra các tiết diện mỏng hơn với cùng tải trọng kết cấu. Tuy nhiên, bù lại là độ dẻo thấp hơn một chút và khả năng nhạy cảm cao hơn với các cấu trúc vi mô cứng có nguồn gốc từ mối hàn, trừ khi sử dụng đúng quy trình hàn. - Độ bền phụ thuộc vào độ dày, quá trình xử lý chuẩn hóa và kiểm soát chất lượng. Khi được chuẩn hóa và sản xuất theo thông số kỹ thuật, cả hai loại thép đều có thể đáp ứng các yêu cầu về độ bền va đập; Q355NH thường được kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn để đáp ứng các kết hợp độ bền + độ bền cao hơn.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn: - Hàm lượng cacbon và khả năng làm cứng kết hợp quyết định các yêu cầu về nung nóng trước, nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). - Hàm lượng hợp kim vi mô và mangan ảnh hưởng đến khả năng tôi cứng và nguy cơ nứt nguội ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Chỉ số hợp kim và tương đương cacbon hữu ích (giải thích; áp dụng cho đánh giá định tính): - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (đối với khả năng nứt lạnh, giải thích theo hướng định tính): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Cả hai loại thép này đều nhắm đến các giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ từ thấp đến trung bình so với thép tôi, do đó chúng thường được coi là có thể hàn được bằng vật tư tiêu hao tiêu chuẩn và các biện pháp gia nhiệt trước. - Q235NH, thường có độ bền thấp hơn và hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn một chút, thường dễ hàn hơn—ít phải gia nhiệt trước hơn và ít có nguy cơ nứt vùng HAZ hơn. - Q355NH, mặc dù được thiết kế để hàn, có thể yêu cầu thực hành hàn thận trọng hơn (đầu vào nhiệt được kiểm soát, có thể gia nhiệt trước cho các phần dày hơn và vật liệu hàn phù hợp) vì độ bền cao hơn và khả năng tôi luyện tăng nhẹ có thể làm tăng khả năng hình thành các cấu trúc vi mô cứng trong vùng HAZ nếu hàn không đúng cách.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q235NH và Q355NH đều là thép cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại bị hạn chế.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng (để chống ăn mòn trong khí quyển).
• Sơn, sơn lót và lớp phủ (hệ thống epoxy, polyurethane) cho môi trường khắc nghiệt.
• Bảo vệ catốt và lớp phủ (ví dụ, lớp phủ thép không gỉ) cho dịch vụ hóa chất nơi khả năng chống ăn mòn là rất quan trọng.
• Công thức PREN (số tương đương khả năng chống rỗ): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• PREN là chỉ số ăn mòn thép không gỉ và không áp dụng cho Q235NH/Q355NH vì đây không phải là hợp kim thép không gỉ và không dựa vào màng thụ động gốc Cr/Mo/N.
• Làm rõ: Đối với các ứng dụng bình chịu áp suất hoặc hóa chất yêu cầu khả năng chống ăn mòn, hãy cân nhắc lớp lót, lớp bọc hoặc lựa chọn hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn thay vì dựa vào Q235NH/Q355NH.

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

• Cắt: Cả hai loại đều được cắt bằng phương pháp oxy-nhiên liệu, plasma hoặc laser tiêu chuẩn; Q355NH có thể cần điều chỉnh một chút thông số do có độ bền và độ cứng cao hơn.
• Khả năng gia công: Q235NH thường dễ gia công hơn do độ bền và độ cứng thấp hơn. Q355NH có thể gia công được nhưng độ mòn dụng cụ có thể cao hơn; lựa chọn dụng cụ và cấp liệu nên tính đến độ bền kéo/độ cứng cao hơn.
• Khả năng định hình/uốn cong: Q235NH có khả năng định hình tốt hơn và bán kính uốn cong lớn hơn ở cùng độ dày. Q355NH có thể được định hình nhưng có thể cần bán kính uốn cong lớn hơn hoặc các thông số định hình được kiểm soát để tránh nứt, đặc biệt nếu hợp kim vi mô làm tăng độ bền.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều được sơn, mạ kẽm và phủ lớp phủ sau khi đã chuẩn bị bề mặt phù hợp.

8. Ứng dụng điển hình

Q235NH (sử dụng phổ biến)	Q355NH (sử dụng phổ biến)
Các thành phần kết cấu chung (dầm, kênh) có chi phí thấp và độ dẻo tốt là ưu tiên hàng đầu	Các thành phần kết cấu chịu lực nặng hơn khi cần giảm trọng lượng hoặc ứng suất cho phép cao hơn
Vỏ bình chịu áp suất thấp đến trung bình, nơi độ bền và chuẩn hóa tiêu chuẩn là đủ	Bình chịu áp suất, nồi hơi và thiết bị khí/dầu yêu cầu độ bền cao hơn với độ dẻo dai được giữ nguyên
Khung máy móc nhẹ, giá đỡ và các cụm hàn không quan trọng	Các thành phần cần cẩu, khung nặng và các ứng dụng mà quy định thiết kế cho phép ứng suất cho phép cao hơn
Các thành phần có yêu cầu tạo hình/uốn cong rộng rãi	Các thành phần có độ dày giảm (và do đó trọng lượng thấp hơn) là quan trọng trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu về tải trọng kết cấu

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q235NH khi yếu tố chính là độ nhạy về chi phí, độ dẻo cao và dễ chế tạo/hàn. - Chọn Q355NH khi cường độ chịu kéo cao hơn cho phép giảm độ dày của mặt cắt, tiết kiệm trọng lượng và vật liệu hoặc khi mã/thiết kế yêu cầu mức hiệu suất cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Q235NH thường rẻ hơn