Q345 so với Q355 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q345 và Q355 là hai loại thép kết cấu được Trung Quốc chỉ định, được sử dụng rộng rãi, thường được cân nhắc trong thiết kế, chế tạo và mua sắm cho các tòa nhà, cầu, bộ phận chịu áp lực và thiết bị hạng nặng. Các kỹ sư thường cân nhắc các yếu tố như độ bền so với khả năng hàn, chi phí so với biên độ an toàn và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp khi lựa chọn giữa các loại thép này.

Điểm khác biệt thực tế cốt lõi là Q355 có giới hạn chảy danh nghĩa cao hơn Q345 trong khi vẫn nằm trong cùng một nhóm thép kết cấu hợp kim thấp, cường độ cao. Do hai loại thép này có thành phần hóa học và quy trình gia công tương tự nhau, nên việc lựa chọn thường dựa trên khả năng chịu lực yêu cầu, các ràng buộc về độ dày/tiết diện, hiệu suất chịu va đập và chi phí, thay vì dựa trên sự khác biệt đáng kể về tính chất vật liệu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính của Trung Quốc: GB/T 1591 (thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao), bao gồm dòng Q345 và Q355.
• Các tiêu chuẩn liên quan khác và các họ tham chiếu chéo (tính khả dụng và tính tương đương chính xác thay đổi tùy theo khu vực và ứng dụng): EN (ví dụ: họ S355), cấp kết cấu ASTM/ASME, JIS; lưu ý rằng tính tương đương trực tiếp giữa GB và EN/ASTM không chính xác và phải được xác nhận cho từng ứng dụng.
• Phân loại: cả Q345 và Q355 đều là thép kết cấu cacbon/hợp kim vi mô HSLA (hợp kim thấp cường độ cao) (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải thép hợp kim cao).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thép dòng Q được thiết kế để đạt được giới hạn chảy cao hơn thông qua hàm lượng carbon được kiểm soát kết hợp với hợp kim vi mô và kiểm soát nhiệt cơ học của cấu trúc vi mô. Giới hạn chính xác thay đổi tùy theo nền móng (ví dụ: các biến thể Q345A/B/C/D/E); bảng dưới đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình được sử dụng để lựa chọn và so sánh kỹ thuật. Luôn tham khảo chứng chỉ và tiêu chuẩn hiện hành để biết giới hạn chính xác.

Yếu tố	Q345 điển hình (wt%)	Q355 điển hình (wt%)
C	0,12 – 0,20	0,10 – 0,20
Mn	0,80 – 1,60	0,80 – 1,60
Si	0,20 – 0,50	0,20 – 0,50
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	≤ 0,30 (nếu có)	≤ 0,30 (nếu có)
Ni	≤ 0,30 (nếu có)	≤ 0,30 (nếu có)
Mo	≤ 0,08 (thỉnh thoảng)	≤ 0,08 (thỉnh thoảng)
V	dấu vết (hợp kim vi mô)	dấu vết (hợp kim vi mô)
Lưu ý	dấu vết (hợp kim vi mô)	dấu vết (hợp kim vi mô)
Ti	dấu vết (hợp kim vi mô)	dấu vết (hợp kim vi mô)
B	dấu vết (hiếm)	dấu vết (hiếm)
N	được kiểm soát (thấp)	được kiểm soát (thấp)

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu kiểm soát độ bền thông qua quá trình gia cường bằng dung dịch rắn và ảnh hưởng đến khả năng làm cứng. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) thúc đẩy quá trình tinh luyện hạt và tăng cường kết tủa, cải thiện độ bền kéo mà không làm tăng đáng kể lượng cacbon (giúp duy trì khả năng hàn). - Hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp được chỉ định để duy trì độ dẻo dai và chất lượng mối hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Các tấm Q345 và Q355 được cán hoặc chuẩn hóa thường cho thấy ma trận ferit-pearlit với các hạt tinh chế nhờ quá trình vi hợp kim hóa và cán có kiểm soát. Các mác Q355, hướng đến năng suất cao hơn, có thể cho thấy mật độ lệch pha lớn hơn một chút và hiệu ứng kết tủa/làm cứng mạnh hơn nhờ quá trình xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát. - Cả hai loại thép này đều không được cung cấp chủ yếu dưới dạng thép tôi và thép ram; chúng được dùng làm thép kết cấu thích hợp để chế tạo ở trạng thái cán hoặc chuẩn hóa.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: cả hai cấp thép đều đáp ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách làm mịn hạt và tăng nhẹ độ bền và độ dẻo dai. Quá trình chuẩn hóa có thể được sử dụng để đồng nhất cấu trúc cho các mặt cắt dày. - Làm nguội và ram: có thể thực hiện được nhưng ít phổ biến hơn đối với các loại thép này; Q345/Q355 có thể được làm cứng đến mức cường độ cao hơn, nhưng việc đánh đổi về độ dẻo dai và độ biến dạng cũng như nhu cầu kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn khiến Q&T hiếm khi được sử dụng trong cung cấp kết cấu tiêu chuẩn. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): các tuyến sản xuất hiện đại sử dụng TMCP để tăng cường độ bền kéo trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai, một cơ chế chính mà Q355 đạt được năng suất đảm bảo cao hơn ở cùng một thành phần hóa học.

4. Tính chất cơ học

Sau đây là các phạm vi tính chất tiêu biểu được cung cấp ở trạng thái chuẩn hóa/cán bộ — tính chất cuối cùng phụ thuộc vào độ cứng, độ dày và nền đất.

Tài sản	Q345 điển hình	Q355 điển hình
Cường độ chịu kéo quy định (điển hình)	~345 MPa (mục tiêu danh nghĩa)	~355 MPa (mục tiêu danh nghĩa)
Độ bền kéo (Rm)	~470 – 630 MPa	~490 – 640 MPa
Độ giãn dài (A5, % điển hình)	20 – 26% (tùy theo độ dày)	18 – 25% (tùy theo độ dày)
Charpy Impact (V-notch)	Được chỉ định cho các lớp nền; thường là 27 J ở nhiệt độ chỉ định (thay đổi)	Yêu cầu tương tự; có thể được chỉ định ở nhiệt độ bằng hoặc thấp hơn
Độ cứng (HB)	~120 – 190 HB (thay đổi tùy theo xử lý nhiệt và độ dày)	~120 – 200 HB (có thể cao hơn một chút)

Giải thích: - Q355 được chỉ định với giới hạn chảy tối thiểu cao hơn và thường có độ bền kéo cao hơn một chút; mức tăng này khiêm tốn nhưng có ý nghĩa đối với thiết kế kết cấu (cho phép các phần nhỏ hơn hoặc ứng suất cho phép cao hơn). - Độ bền (chịu va đập) phụ thuộc nhiều hơn vào lựa chọn nền đất (A/B/C/D/E), độ dày và nhiệt độ thử nghiệm hơn là cấp độ danh nghĩa. Việc lựa chọn nền đất phù hợp là rất quan trọng đối với các ứng dụng ở nhiệt độ thấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim vi mô. Hai công thức thực nghiệm phổ biến được sử dụng để đánh giá khả năng hàn là:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Và

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả Q345 và Q355 đều được thiết kế để giữ hàm lượng carbon và lượng carbon tương đương ở mức tương đối thấp. Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) mang lại độ bền mà không làm tăng đáng kể hàm lượng carbon, giúp duy trì khả năng hàn. - Q355 có thể có độ cứng cao hơn một chút ở một số lớp nền do quá trình xử lý và tính chất hóa học hơi khác nhau; do đó, việc kiểm soát nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp có thể bảo thủ hơn một chút đối với các phần dày hơn của Q355 so với Q345. - Đối với các mối hàn quan trọng, hãy tuân theo quy trình thẩm định (WPS/PQR), tính đến độ dày và sử dụng phương pháp gia nhiệt trước/gia nhiệt sau theo $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ đã tính toán và hướng dẫn của nhà chế tạo/tiêu chuẩn áp dụng. - Kiểm soát hydro, lựa chọn chất độn phù hợp và kiểm soát lượng nhiệt đầu vào là chìa khóa để tránh nứt nguội ở cả hai loại.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q345 và Q355 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép cacbon hợp kim thấp và do đó phụ thuộc vào các chiến lược bảo vệ bề mặt.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng, mạ kẽm, lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn tĩnh điện), bảo vệ catốt và thiết kế hiệu quả để tránh bẫy nước.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ),

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

là chỉ số thép không gỉ và không áp dụng cho Q345/Q355; các chỉ số này chỉ liên quan đến thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ song pha có chứa đáng kể Cr, Mo và N. - Đối với các ứng dụng tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt (biển, hóa chất), hãy chọn hợp kim chống ăn mòn hoặc sử dụng lớp phủ chắc chắn thay vì chỉ dựa vào Q345/Q355 như hiện trạng.

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

• Cắt: cả hai loại đều cắt tốt bằng các phương pháp oxy-nhiên liệu, plasma và laser; các thông số cắt có thể được điều chỉnh theo độ dày và nhiệt lượng đầu vào để giảm thiểu tác động của HAZ.
• Tạo hình/uốn: khả năng tạo hình tốt; hàm lượng cacbon và hợp kim vi mô thấp giúp duy trì độ dẻo. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào độ dày và nền đất; sản lượng cao hơn một chút của Q355 có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn một chút cho cùng một quy trình tạo hình.
• Khả năng gia công: khả năng gia công điển hình của thép cacbon; độ bền cao hơn một chút của Q355 có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ một chút. Chọn tốc độ cắt và bước tiến dựa trên đặc tính chịu kéo và độ dày tiết diện.
• Hoàn thiện bề mặt: cả hai đều chấp nhận hàn, mài và gia công; chú ý đến ứng suất dư và biến dạng đối với các sản phẩm chế tạo có dung sai chặt chẽ.

8. Ứng dụng điển hình

Q345 — Công dụng điển hình	Q355 — Công dụng điển hình
Kết cấu thép tổng hợp: khung, giá đỡ, dầm chịu tải trung bình, cột	Các phần kết cấu nặng hơn: dầm chịu tải trọng cao, đường ray cần cẩu, các bộ phận cầu
Các thành phần chế tạo trong đó độ nhạy về chi phí là chính và năng suất 345 MPa là đủ	Các ứng dụng mà năng suất cao hơn một chút cho phép giảm tiết diện hoặc ứng suất cho phép cao hơn
Cơ sở máy móc, thành phần cấu trúc thứ cấp	Các thành phần chịu tải chính, cụm hàn chịu ứng suất cao hơn
Bình chịu áp suất hoặc bồn chứa (khi được phép theo quy định và có chứng nhận phù hợp)	Các thành phần kết cấu ở vùng lạnh có yêu cầu cường độ cao hơn (tùy thuộc vào nền đất chịu tác động)
Hàng rào, nền tảng, chế tạo chung	Thiết bị nặng, kết cấu hàng hải (có lớp phủ), khung chịu lực cao

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng Q345 khi kết cấu đạt tiêu chuẩn về cường độ và ưu tiên chi phí vật liệu thấp hơn và dễ tạo hình hơn. - Sử dụng Q355 khi thiết kế yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn để giảm kích thước tiết diện hoặc đáp ứng ứng suất thiết kế cao hơn, với điều kiện các yêu cầu về khả năng hàn và va đập tương thích.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q355 thường đắt hơn một chút so với Q345 tính theo khối lượng do các đặc tính cơ học được đảm bảo cao hơn và quy trình xử lý cần thiết để đáp ứng các yêu cầu của Q355. Mức giá chênh lệch tùy thuộc vào thị trường, nhà máy, dạng sản phẩm và giá thép toàn cầu.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi và có sẵn ở dạng tấm, cuộn và hình dạng cắt. Tính khả dụng của các loại thép nền, độ dày và báo cáo thử nghiệm được chứng nhận cụ thể phụ thuộc vào năng lực của nhà máy và chuỗi cung ứng khu vực.
• Mẹo mua sắm: ghi rõ nền đất, nhiệt độ va đập và hình dạng sản phẩm trong đơn đặt hàng để tránh không khớp và đảm bảo chứng chỉ nhà máy chính xác.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	Câu hỏi 345	Câu hỏi 355
Khả năng hàn	Tốt — phạm vi dẻo rộng; CE thấp khi hợp kim hóa vi mô	Tốt — có thể tăng độ cứng lên một chút; có thể cần gia nhiệt trước một cách thận trọng đối với các phần dày
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo dai/độ bền tốt	Năng suất cao hơn cho cùng một họ; độ dẻo dai có sự đánh đổi nhỏ ở cùng thành phần nhưng được bù đắp bởi TMCP
Trị giá	Thấp hơn (thường)	Cao hơn (thường)

Kết luận và hướng dẫn: - Chọn Q345 nếu: thiết kế của bạn yêu cầu thép kết cấu HSLA đáng tin cậy, tiết kiệm, trong đó giới hạn chảy danh nghĩa ~345 MPa đáp ứng các yêu cầu thiết kế; trong đó việc tạo hình và dễ chế tạo là ưu tiên hàng đầu; và trong đó tính nhạy cảm về chi phí và khả năng cung cấp rộng rãi là quan trọng. - Chọn Q355 nếu: bạn cần tăng cường độ chịu kéo được đảm bảo ở mức khiêm tốn nhưng hữu ích để giảm kích thước tiết diện hoặc tăng tải trọng cho phép; khi thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu rõ ràng khả năng chịu kéo cao hơn; và khi chi phí bổ sung cận biên được biện minh bằng việc tiết kiệm kết cấu hoặc trọng lượng.

Lưu ý cuối cùng: cả Q345 và Q355 đều thuộc cùng một họ thép kết cấu; lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào ứng suất thiết kế, độ dày và điều kiện hàn, yêu cầu về độ bền và tổng chi phí vòng đời. Luôn ghi rõ nền đất, nhiệt độ chịu va đập và tài liệu kiểm tra nhà máy cần thiết, đồng thời xác nhận quy trình hàn bằng các đánh giá dựa trên $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cho các kết cấu quan trọng.