Q345 so với Q390 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa Q345 và Q390 khi chỉ định thép kết cấu cho cầu, cần cẩu, thiết bị hạng nặng và các kết cấu chịu lực. Quyết định này thường cân bằng giữa giới hạn chảy được đảm bảo cao hơn và độ dày tiết diện cho phép so với các yếu tố như khả năng hàn, độ bền ở nhiệt độ thấp, chi phí chế tạo và tính khả dụng.

Ở cấp độ tổng quát, sự khác biệt chính giữa Q345 và Q390 là giới hạn chảy tối thiểu được đảm bảo: Q345 được chỉ định ở 345 MPa và Q390 ở 390 MPa. Sự thay đổi về giới hạn chảy được đảm bảo này đạt được nhờ những điều chỉnh nhỏ về thành phần hóa học và quá trình luyện kim (vi hợp kim, cán có kiểm soát và xử lý nhiệt), từ đó ảnh hưởng đến độ cứng, độ dai và đặc tính chế tạo. Các mác thép này thường được so sánh vì chúng nằm cạnh nhau trong nhóm thép kết cấu hợp kim thấp/cường độ cao và thường có thể hoán đổi cho nhau trong các thiết kế mà các yếu tố an toàn, trọng lượng hoặc độ dày tấm thép khiến một thay đổi nhỏ về giới hạn chảy trở nên hấp dẫn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và ký hiệu chung mà các cấp độ này xuất hiện:
• GB/T (Trung Quốc): Q345 và Q390 được tham chiếu rộng rãi trong các tiêu chuẩn của Trung Quốc (ví dụ: GB/T 1591 và các thông số kỹ thuật sản phẩm liên quan dành cho thép kết cấu hợp kim thấp có độ bền cao).
• EN (Châu Âu): các tham chiếu chéo sơ bộ bao gồm thép trong phạm vi S355 đến S420 (nhưng sự tương đương trực tiếp không chính xác; luôn kiểm tra giấy chứng nhận của nhà máy).
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): vai trò tương tự được đảm nhiệm bởi các cấp ASTM A572/A709 (ví dụ: Cấp 50) nhưng phải xác nhận sự phù hợp trực tiếp về mặt hóa học và cơ học.
• Tiêu chuẩn JIS (Nhật Bản) và các tiêu chuẩn quốc gia khác: có các tiêu chuẩn tương đương tại địa phương nhưng thuật ngữ thì khác nhau.
• Phân loại: Cả Q345 và Q390 đều là thép cacbon kết cấu hợp kim thấp (HSLA) cường độ cao. Chúng không phải là thép không gỉ hay thép dụng cụ; hiệu suất của chúng phụ thuộc vào quá trình hóa học và xử lý nhiệt cơ học được kiểm soát chặt chẽ hơn là hàm lượng hợp kim cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần đại diện (điển hình) theo phần trăm trọng lượng. Đây là những phân tích thương mại mang tính chất tham khảo để minh họa sự khác biệt; hãy tham khảo tiêu chuẩn hiện hành và giấy chứng nhận nhà máy để biết giới hạn chính xác và giá trị cụ thể cho từng nền đất.

Yếu tố	Q345 (phạm vi điển hình, wt%)	Q390 (phạm vi điển hình, wt%)
C	~0,10–0,20	~0,10–0,22
Mn	~0,8–1,6	~0,9–1,8
Si	~0,20–0,50	~0,20–0,50
P	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
S	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
Cr	dấu vết–~0,30	dấu vết–~0,30
Ni	dấu vết–~0,30	dấu vết–~0,30
Mo	dấu vết–~0,08	dấu vết–~0,10 (thỉnh thoảng cao hơn)
V	vết nhỏ (hợp kim vi mô)	vết nhỏ (hợp kim vi mô)
Nb (Cb)	vết nhỏ (hợp kim vi mô)	vết nhỏ (hợp kim vi mô)
Ti	dấu vết–nhỏ (chất ổn định)	dấu vết–nhỏ
B	dấu vết (hiếm)	dấu vết (hiếm)
N (nếu được báo cáo)	thường thấp, được kiểm soát	thường thấp, được kiểm soát

Ghi chú: - Q345 và Q390 chủ yếu là thép cacbon-mangan với các chất bổ sung hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) được sử dụng trong một số quy trình sản xuất để tăng cường độ mà không cần quá nhiều cacbon. - Công thức Q390 có thể cho phép tăng nhẹ lượng cacbon, mangan hoặc bổ sung hợp kim vi mô được kiểm soát và xử lý nhiệt để đạt được yêu cầu về năng suất cao hơn. - Các chất bổ sung chính xác (ví dụ: Mo, Cr) có thể xuất hiện trong một số biến thể sản phẩm để tăng khả năng tôi cứng hoặc hiệu suất ở nhiệt độ cao, nhưng nhìn chung cả hai loại đều là thép hợp kim thấp.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon và mangan là những tác nhân chính tạo nên độ bền thông qua quá trình gia cường dung dịch rắn và quá trình gia cường chuyển đổi. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu không được bù trừ. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) tạo thành cacbua/nitrit mịn giúp tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình kết tủa và tinh chỉnh hạt mà không làm tăng đáng kể lượng cacbon tương đương. - Việc bổ sung một lượng nhỏ Cr, Mo hoặc Ni (nếu có) sẽ làm tăng khả năng tôi cứng và có thể giúp đạt được độ bền cao hơn ở các phần dày hơn nhưng có thể làm tăng lượng cacbon tương đương và ảnh hưởng đến khả năng hàn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Q345: được sản xuất bằng phương pháp cán và chuẩn hóa có kiểm soát hoặc gia công cơ nhiệt có kiểm soát (TMCP) để tạo ra ferit-pearlit hoặc ferit hạt mịn với các kết tủa hợp kim vi mô phân tán. Cấu trúc vi mô nhấn mạnh độ dai và độ dẻo ở mức cường độ trung bình.
• Câu hỏi 390: Cấu trúc vi mô nền tương tự nhưng được thiết kế để mang lại năng suất cao hơn thông qua mật độ lệch pha cao hơn một chút, độ bền kết tủa cao hơn, hoặc lượng perlit/bainit được giữ lại cao hơn một chút tùy thuộc vào quy trình. Ở các phần dày hơn, khả năng tôi luyện tăng lên sẽ thúc đẩy các cấu trúc vi mô có độ bền cao hơn sau khi làm nguội có kiểm soát.
• Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến:
• Chuẩn hóa/tinh chế: cả hai loại đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa để tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô; Q390 đôi khi được xử lý theo lịch trình TMCP mạnh hơn để đảm bảo độ bền cao đồng đều.
• Làm nguội và ram: không điển hình đối với các sản phẩm cán Q345/Q390 tiêu chuẩn (thường được cung cấp dưới dạng thép TMCP), nhưng có thể áp dụng phương pháp làm nguội và ram cho các biến thể có độ bền cao hơn với quá trình chuyển đổi có chủ đích thành martensite và ram tiếp theo—điều này làm thay đổi đáng kể độ dẻo dai và khả năng gia công.
• Xử lý nhiệt cơ học: TMCP (cán/làm nguội có kiểm soát) thường được sử dụng để đạt được độ bền cao với độ dẻo dai và khả năng hàn tốt, đặc biệt đối với Q390, trong đó quá trình xử lý bù đắp cho mục tiêu độ bền cao hơn một chút mà không có quá nhiều cacbon.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các đặc tính cơ học tiêu biểu. Các giá trị chỉ mang tính chất tham khảo và phụ thuộc vào độ dày tấm, tiêu chuẩn thử nghiệm và nền đất—hãy sử dụng chứng chỉ nhà máy để mua sắm.

Tài sản	Q345 (điển hình)	Q390 (điển hình)
Giới hạn chảy tối thiểu (0,2 Rp)	345 MPa	390 MPa
Độ bền kéo (Rm)	~470–630 MPa	~520–690 MPa
Độ giãn dài (A50mm)	≥ 20% (thay đổi theo độ dày)	≥ 18% (thay đổi theo độ dày)
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Tốt ở nhiệt độ dịch vụ thông thường; phụ thuộc vào nền đất	Tương đương nhưng có thể yêu cầu kiểm soát nền đất chặt chẽ hơn đối với dịch vụ nhiệt độ thấp
Độ cứng (HBW)	Vừa phải	Cao hơn một chút (phụ thuộc vào quá trình xử lý)

Giải thích: - Độ bền: Q390 có độ bền cao hơn so với hai loại trên theo thông số kỹ thuật (giới hạn chảy tối thiểu cao hơn), cho phép giảm độ dày tiết diện hoặc tăng khả năng chịu tải cho cùng một hình dạng. - Độ dẻo dai và độ dai: Q345 thường cho độ giãn dài tốt hơn một chút và đôi khi có độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn so với một loại hóa chất nhất định do mục tiêu cường độ thấp hơn một chút và khả năng tôi luyện thường thấp hơn. Tuy nhiên, các quy trình TMCP hiện đại cho phép Q390 đạt được độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ thử nghiệm yêu cầu—độ dày nền đất và tấm thép là rất quan trọng. - Đánh đổi: Độ bền kéo được đảm bảo tăng lên trong Q390 thường đi kèm với sự hy sinh nhỏ về độ dẻo và có thể làm tăng độ nhạy với điều kiện hàn, trừ khi quá trình hợp kim hóa vi mô và kiểm soát quy trình bù đắp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được xác định bởi hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (độ tôi), độ dày và độ kiềm chế. Các công thức dự đoán hữu ích bao gồm:

• Tương đương carbon IIW: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$

• Công thức Pcm quốc tế (chỉ số định tính): $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Giải thích định tính: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn và ít có xu hướng hình thành các cấu trúc vi mô HAZ cứng, giòn. Cả Q345 và Q390 đều được sản xuất với vật liệu và hợp kim vi mô được tối ưu hóa cho khả năng hàn; tuy nhiên: - Q345 có xu hướng có giá trị cacbon tương đương trung bình thấp hơn một chút, giúp hàn dễ dàng hơn ở các phần dày hơn mà không cần làm nóng trước. - Q390, do mục tiêu về độ bền cao hơn, có thể có hàm lượng mangan hoặc hợp kim vi mô cao hơn và do đó có hàm lượng cacbon tương đương cao hơn trên thực tế, làm tăng nhu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát đầu vào nhiệt hoặc xử lý nhiệt sau hàn ở các phần dày hơn hoặc mối nối hạn chế. - Biện pháp giảm thiểu: Việc sử dụng kim loại hàn phù hợp về độ bền và độ dai, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, gia nhiệt trước và lựa chọn vật liệu hàn và quy trình hàn phù hợp thường đảm bảo các cụm hàn có thể hàn được cho cả hai loại vật liệu. Luôn luôn thẩm định quy trình hàn dựa trên độ dày tiêu biểu và nhiệt độ thiết kế thấp nhất.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q345 và Q390 đều là thép cacbon-mangan không gỉ và không có khả năng chống ăn mòn nội tại vượt quá thép trần. Các chiến lược bảo vệ tiêu chuẩn bao gồm:
• Mạ kẽm nhúng nóng để tiếp xúc với khí quyển.
• Hệ thống sơn (lớp sơn lót + lớp sơn hoàn thiện) có chuẩn bị bề mặt (ví dụ, phun cát).
• Lớp phủ nhiệt hoặc polymer cho môi trường khắc nghiệt.
• Các chỉ số đặc trưng của thép không gỉ không áp dụng cho các cấp độ này. Do đó, công thức PREN, được sử dụng để đánh giá khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ, không liên quan ở đây: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Hướng dẫn lựa chọn: Khi cần hiệu suất chống ăn mòn (hàng hải, tiếp xúc với hóa chất), hãy chọn hợp kim chống ăn mòn hoặc chỉ định hệ thống bảo vệ. Việc lựa chọn giữa Q345 và Q390 không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống ăn mòn, trừ khi có sự khác biệt nhỏ về thành phần hợp kim bao gồm các nguyên tố ảnh hưởng đến ăn mòn (hiếm gặp).

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

• Cắt: Cắt plasma, oxy-nhiên liệu và cắt laser có đặc điểm tương tự nhau đối với cả hai loại; Q390 có thể yêu cầu đầu vào nhiệt hơi khác nhau để cắt rãnh hoặc cắt không rãnh do có độ bền cao hơn một chút.
• Khả năng gia công: Cả hai đều có khả năng gia công ở mức trung bình; Q390 có độ bền cao hơn có thể bị mài mòn dụng cụ nhiều hơn khi gia công nặng do độ bền tăng lên và có thể có các kết tủa vi mô cứng hơn.
• Tạo hình/uốn: Q345, với độ dẻo cao hơn một chút, thường dễ uốn và tạo hình nguội hơn. Q390 có thể tạo hình được nhưng có thể cần bán kính uốn lớn hơn hoặc trình tự tạo hình được kiểm soát để tránh nứt, đặc biệt là ở các tấm dày hơn hoặc ở các mặt cắt có ứng suất cao từ trước.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận các phương pháp hoàn thiện tiêu chuẩn; chú ý đến việc giảm ứng suất và kiểm soát biến dạng trong quá trình chế tạo khi làm việc với Q390 vì ứng suất dư cao hơn có thể phát triển ở mức độ bền cao hơn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình của từng cấp độ kèm theo lý do.

Q345 — Ứng dụng điển hình	Q390 — Ứng dụng điển hình
Các thành phần kết cấu chung (dầm, cột) trong các tòa nhà và cầu đòi hỏi độ bền và khả năng hàn tốt	Các thành phần kết cấu nặng hơn khi cần giảm độ dày tiết diện hoặc tăng khả năng chịu tải (ray cần cẩu, khung máy móc hạng nặng)
Tấm thép hàn cho xe tăng, xe kéo, chế tạo chung	Các phần kết cấu trong vận tải và thiết bị hạng nặng, nơi năng suất cao hơn cho phép thiết kế nhẹ hơn
Các phần được tạo hình nguội và khung chế tạo	Các thành phần chịu tải trọng tĩnh cao hơn hoặc nơi biên độ thiết kế chịu mỏi bị hạn chế
Kết cấu thép nông nghiệp và kỹ thuật nói chung (nhạy cảm với chi phí)	Các ứng dụng mà lợi ích về độ cứng/trọng lượng hoặc độ bền/trọng lượng biện minh cho chi phí vật liệu cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q345 vì dễ chế tạo, độ dẻo cao hơn và chi phí được ưu tiên và năng suất thấp hơn là đủ cho thiết kế. - Chọn Q390 khi thiết kế được hưởng lợi từ năng suất đảm bảo cao hơn (tiết diện nhỏ hơn, tiết kiệm trọng lượng), với điều kiện đáp ứng được các quy trình hàn, kiểm soát chế tạo và yêu cầu về độ bền.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q390 thường đắt hơn Q345 trên mỗi tấn do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và hàm lượng hợp kim có thể cao hơn hoặc yêu cầu lịch trình TMCP khắt khe hơn. Mức chênh lệch giá thay đổi tùy theo thị trường, độ dày và khu vực địa lý.
• Tính khả dụng: Cả hai đều là dòng sản phẩm tiêu chuẩn tại các khu vực sản xuất thép lớn; Q345 thường được cung cấp rộng rãi hơn vì đây là mác thép kết cấu thông dụng. Q390 thường được dự trữ ở nhiều thị trường, nhưng tính khả dụng của một số độ dày, kích thước tấm và cấp nền có thể hạn chế hơn—cần kiểm tra thời gian giao hàng.
• Dạng sản phẩm: Cả hai đều được cung cấp dưới dạng tấm cán nóng, cuộn, và đôi khi là tấm cán thường hóa hoặc cán nhiệt cơ. Đối với các tấm chuyên dụng (mặt cắt siêu dày hoặc nền móng được kiểm tra va đập cụ thể), thời gian giao hàng sẽ tăng lên.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh (định tính).

Hệ mét	Câu hỏi 345	Câu 390
Khả năng hàn	Tốt (dễ hơn, CE thấp hơn)	Tốt đến Khá (có thể cần làm nóng trước ở những phần dày)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng về độ dẻo dai và độ linh hoạt	Độ bền cao hơn; độ dẻo dai có thể đạt được nhờ kiểm soát quy trình phù hợp
Trị giá	Thấp hơn (nói chung)	Cao hơn (cao cấp hơn cho sức mạnh cao hơn)

Khuyến nghị: - Chọn Q345 nếu: - Thiết kế có thể chịu được ứng suất 345 MPa và ưu tiên độ dẻo cao hơn, hàn dễ hơn và chi phí vật liệu thấp hơn. - Quá trình chế tạo sẽ bao gồm việc tạo hình đáng kể hoặc gia công nguội, hoặc hàn thông thường mà không cần phải làm nóng trước nhiều. - Tính sẵn có và tính kinh tế của hàng hóa là quan trọng.

• Chọn Q390 nếu:
• Bạn cần cường độ chịu kéo cao hơn được đảm bảo (390 MPa) để giảm độ dày hoặc trọng lượng của tiết diện hoặc để đáp ứng các yêu cầu về khả năng chịu tải cụ thể.
• Quy trình chế tạo có thể đáp ứng các yêu cầu về kiểm soát hàn cao hơn một chút (làm nóng trước, WPS đủ tiêu chuẩn) và có thể đáp ứng các yêu cầu về độ bền bằng cách lựa chọn nền móng và quy trình phù hợp.
• Dự án biện minh cho chi phí vật liệu cao hơn bằng cách tiết kiệm chi phí chế tạo, vận chuyển hoặc thiết kế nhạy cảm với trọng lượng.

Lưu ý cuối cùng: Q345 và Q390 là hai lựa chọn liền kề trong dòng thép kết cấu HSLA. Lựa chọn tối ưu được quyết định bởi các yêu cầu ở cấp độ cấu kiện (giới hạn chảy, độ bền ở nhiệt độ vận hành thấp nhất), các ràng buộc chế tạo (hàn và tạo hình), chi phí vòng đời (lớp phủ và bảo trì) và tính khả dụng. Luôn kiểm tra các chứng chỉ hóa học và cơ học từ nhà cung cấp thép, xác nhận quy trình hàn trên vật liệu và độ dày tiêu biểu, và chỉ định năng lượng va đập và nhiệt độ thử nghiệm cần thiết cho các ứng dụng chịu tải trọng động hoặc vận hành ở nhiệt độ thấp.