Q345R so với Q390R – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q345R và Q390R là thép hợp kim thấp, được chỉ định cho bình chịu áp lực, được sử dụng rộng rãi trong chế tạo nồi hơi, bình chịu áp lực và bình chứa nhiệt độ cực thấp tại Trung Quốc và quốc tế. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với quyết định lựa chọn giữa hai loại thép này để cân bằng chi phí, khả năng sản xuất, khả năng hàn và hiệu suất cơ học cần thiết. Những đánh đổi điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu có chi phí thấp hơn, dễ uốn hơn so với vật liệu có độ bền cao hơn nhưng lại giảm độ dày hoặc trọng lượng tiết diện.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa Q345R và Q390R nằm ở mức độ bền thiết kế: Q390R được chỉ định cho giới hạn chảy tối thiểu cao hơn và do đó được sử dụng khi cần khả năng chịu tải cao hơn hoặc độ dày giảm. Vì cả hai đều là thép không gỉ dùng cho bình chịu áp lực với triết lý hợp kim tương tự, nên chúng thường được so sánh khi tối ưu hóa thiết kế về độ bền, độ dẻo dai và chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB (Trung Quốc): Q345R và Q390R là ký hiệu trong tiêu chuẩn GB/T của Trung Quốc dành cho thép bình chịu áp lực. Hậu tố “R” biểu thị sự phù hợp cho các tấm bình chịu áp lực hàn.
• EN / ISO: Các sản phẩm tương đương về hiệu suất thường được so sánh với EN S355 (dành cho dòng Q345) và thép kết cấu có độ bền cao hơn, nhưng các sản phẩm thay thế trực tiếp phải được kiểm tra theo các tiêu chuẩn về bình chịu áp suất.
• ASME / ASTM: Không có cấp ASME trực tiếp nào giống nhau; người dùng thường so sánh với các họ ASTM A516/A572 theo tính chất cơ học và ứng suất cho phép.
• JIS: Các tiêu chuẩn của Nhật Bản sử dụng thuật ngữ khác nhau; việc lập bản đồ đòi hỏi phải kiểm tra từng tài sản.

Phân loại: Cả Q345R và Q390R đều là thép hợp kim thấp cacbon-mangan (loại HSLA dùng cho bình chịu áp lực), không phải thép dụng cụ hoặc thép không gỉ. Chúng là biến thể bình chịu áp lực (R) với độ bền va đập cần thiết ở nhiệt độ quy định.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: sự hiện diện định tính chung của các yếu tố chung

Yếu tố	Q345R (điển hình)*	Q390R (điển hình)*	Vai trò chức năng
C	Thấp-trung bình	Thấp-trung bình (thường thấp hơn một chút)	Kiểm soát độ bền; C cao hơn làm tăng độ bền và độ cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai.
Mn	Trung bình	Trung bình-cao	Khử oxy hóa và tăng cường dung dịch rắn; hỗ trợ khả năng làm cứng.
Si	Dấu vết–trung bình	Dấu vết–trung bình	Chất khử oxy; ảnh hưởng nhỏ đến độ bền.
P	Dấu vết (kiểm soát thấp)	Dấu vết (kiểm soát thấp)	Tạp chất—giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai.
S	Dấu vết (kiểm soát thấp)	Dấu vết (kiểm soát thấp)	Tạp chất—được kiểm soát về khả năng hàn và độ dẻo dai.
Cr	Dấu vết-thấp	Dấu vết-thấp	Có thể có một lượng nhỏ để tăng độ cứng/độ dẻo dai.
Ni	Dấu vết-thấp	Dấu vết-thấp	Cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp khi có mặt.
Mo	Dấu vết-thấp	Dấu vết-thấp	Khả năng chịu lực và chống rão nếu được thêm vào.
V	Dấu vết (có thể hợp kim hóa vi mô)	Dấu vết (có nhiều khả năng là hợp kim vi mô)	Hợp kim vi mô để tăng cường kết tủa (tinh chế hạt).
Nb (Nb,V kết hợp)	Dấu vết có thể có	Dấu vết có thể có	Tinh chỉnh hạt và độ bền sau quá trình xử lý nhiệt cơ.
Ti	Dấu vết có thể có	Dấu vết có thể có	Khử oxy và kiểm soát sự phát triển của hạt.
B	Không điển hình	Không điển hình	Một số loại thép HSLA có thể sử dụng hàm lượng rất thấp để tăng khả năng tôi luyện (hiếm gặp).
N	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp	Có thể tạo thành nitrua; kiểm soát độ dẻo dai.

*“Điển hình” chỉ ra các chiến lược hợp kim chung cho các loại thép bình chịu áp suất này; tham khảo nhà sản xuất/tiêu chuẩn cụ thể để biết giới hạn thành phần được chứng nhận và chứng chỉ lô.

Tóm tắt chiến lược hợp kim: - Cả hai loại đều chủ yếu dựa vào cacbon và mangan được kiểm soát với hợp kim vi mô chọn lọc (Nb, V, Ti) và các nguyên tố vi lượng để tăng độ dẻo dai và độ bền. - Q390R thường được sản xuất để đạt được độ bền chịu nhiệt cao hơn; nhà sản xuất có thể thắt chặt kiểm soát cacbon, tăng hợp kim vi mô hoặc áp dụng quy trình xử lý nhiệt cơ học để đạt được mức độ cao hơn mà không có hàm lượng cacbon quá mức có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn hoặc độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Tình trạng cung cấp cho cả hai loại thường là tấm cán thường hóa hoặc cán có kiểm soát với cấu trúc vi mô ferit-pearlit hoặc bainit-ferit hạt mịn tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và hợp kim hóa vi mô. - Q345R, được thiết kế cho mức độ bền thấp hơn, thường thể hiện nhiều ferit và perlit đẳng trục hơn với vùng ferit lớn hơn, góp phần tạo nên độ dẻo. - Q390R hướng tới cấu trúc vi mô có hạt mịn hơn với thành phần ma trận mạnh hơn (bainit tôi luyện nhiều hơn hoặc ferit tinh chế) đạt được thông qua lịch trình cán chặt chẽ hơn hoặc kết tủa hợp kim vi mô, mang lại cường độ giới hạn chảy cao hơn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện tính đồng nhất; quá trình chuẩn hóa thường được chỉ định cho các tấm bình chịu áp suất để đảm bảo độ dẻo dai. - Làm nguội và ram: Không phải là phương pháp giao hàng tiêu chuẩn thông thường đối với các tấm bình chịu áp suất "cán sẵn" này, nhưng có thể áp dụng cho các biến thể có độ bền cao hơn theo yêu cầu; Q390R có thể được thiết kế để hưởng lợi nhiều hơn từ các tuyến làm nguội và ram nếu nhà sản xuất yêu cầu độ bền cao hơn với độ dẻo dai được giữ nguyên. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): Được sử dụng rộng rãi để sản xuất Q390R nhằm đạt được độ bền cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai và khả năng hàn chấp nhận được—các nguyên tố hợp kim vi mô kết tủa và tinh chỉnh kích thước hạt austenit trong quá trình cán.

4. Tính chất cơ học

Bảng: các thuộc tính cơ học so sánh (chất lượng với mức tối thiểu cụ thể được chỉ ra khi vốn có)

Tài sản	Q345R	Q390R	Bình luận
Cường độ chịu kéo tối thiểu được chỉ định	~345 MPa (theo chỉ định)	~390 MPa (theo chỉ định)	Sự khác biệt cốt lõi—Q390R có lợi suất theo luật định cao hơn.
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn	Q390R thường đạt được độ bền kéo cực đại cao hơn.
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo cao hơn	Độ dẻo thấp hơn một chút	Thép có độ bền cao hơn thường có độ giãn dài đồng đều thấp hơn.
Độ bền va đập	Tốt (được chỉ định ở nhiệt độ thiết kế)	Tốt nhưng có thể cần kiểm soát chặt chẽ hơn	Cả hai đều được phân loại theo khả năng chịu va đập, nhưng Q390R cần được kiểm soát quy trình để duy trì độ dẻo dai ở cường độ cao hơn.
Độ cứng	Vừa phải	Cao hơn	Độ bền cao hơn tương ứng với độ cứng tăng lên.

Giải thích: - Q390R mang lại tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao hơn và cho phép tạo ra các tiết diện mỏng hơn với cùng tải trọng. Tuy nhiên, việc đạt được cường độ cao hơn có thể làm giảm độ dẻo và khiến việc kiểm soát cấu trúc vi mô trở nên quan trọng hơn để duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp. - Đối với nhiều ứng dụng bình chịu áp suất đòi hỏi độ dẻo dai ở nhiệt độ cụ thể, cả hai loại đều được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về năng lượng va đập; nhà cung cấp xác minh thông qua thử nghiệm khía chữ V charpy ở nhiệt độ quy định.

5. Khả năng hàn

Trình điều khiển khả năng hàn: - Hàm lượng cacbon và khả năng làm cứng kết hợp quyết định khả năng nứt nguội và nhu cầu gia nhiệt trước/sau. - Hợp kim vi mô (Nb, V) có thể làm tăng khả năng tôi cứng cục bộ tại vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn (HAZ).

Chỉ số hữu ích (sử dụng định tính; không thay thế cho việc xác định quy trình): - Đương lượng cacbon, dạng IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn ngụ ý khả năng hàn dễ dàng hơn với vật tư tiêu hao tiêu chuẩn và làm nóng trước thấp hơn; khi cacbon và một số nguyên tố hợp kim tăng lên, nhu cầu làm nóng trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát và xử lý nhiệt sau khi hàn cũng tăng theo. - Q345R, với cường độ thiết kế thấp hơn và phạm vi carbon cho phép thường cao hơn một chút, thường cho thấy khả năng hàn vốn có tốt hơn Q390R khi tất cả các yếu tố khác đều như nhau. Tuy nhiên, Q390R hiện đại được sản xuất với hàm lượng carbon thấp và TMCP có thể có giá trị $CE_{IIW}/P_{cm}$ chấp nhận được tương đương với Q345R. - Việc xác nhận quy trình hàn (WPS/PQR) và kiểm soát hydro là cần thiết cho cả hai loại, đặc biệt là đối với các phần dày và hoạt động ở nhiệt độ thấp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q345R và Q390R đều không phải thép không gỉ hoặc chống ăn mòn về mặt thành phần. Khả năng chống ăn mòn đạt được nhờ:
• Lớp phủ: sơn gốc dung môi hoặc gốc nước, sơn lót epoxy và sơn phủ polyurethane.
• Bảo vệ kim loại: mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ kim loại (kẽm/nhôm) để sử dụng trong khí quyển.
• Dung sai ăn mòn: chỉ định tấm dày hơn để tính đến tốc độ ăn mòn có thể dự đoán được.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Chỉ sử dụng PREN cho hợp kim thép không gỉ; đối với Q345R/Q390R, hãy cân nhắc bảo vệ catốt, lớp phủ chắn và lựa chọn vật liệu phù hợp cho môi trường khắc nghiệt.

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

• Cắt: Cả hai loại đều dễ dàng cắt bằng ngọn lửa, cắt plasma và cắt laser. Độ bền cao hơn của Q390R có thể yêu cầu tốc độ cắt chậm hơn để kiểm soát chất lượng cạnh cắt ở các đoạn dày.
• Uốn/tạo hình: Q345R, với độ chảy thấp hơn, nhìn chung dễ uốn cong thành bán kính hẹp và tạo hình nguội mà không bị đàn hồi hoặc nứt. Q390R, bền hơn, có độ đàn hồi cao hơn và cửa sổ uốn cong bị thu hẹp—cần xem xét lại thiết kế khuôn và điều chỉnh dung sai bản vẽ.
• Khả năng gia công: Cả hai đều có thể gia công bằng thép cacbon tiêu chuẩn. Độ bền và độ cứng cao hơn của Q390R có thể làm giảm nhẹ tuổi thọ dụng cụ; hãy lựa chọn vật liệu và tốc độ cắt cho phù hợp.
• Hoàn thiện bề mặt: Quá trình mài và phun bi diễn ra tương tự nhau; nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hàn hoặc gia công nặng có thể làm thay đổi tính chất cục bộ và cần được xem xét trong trình tự chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

Q345R – Công dụng điển hình	Q390R – Công dụng điển hình
Nồi hơi và bình chịu áp suất thấp đến trung bình, nơi tối ưu hóa trọng lượng không quan trọng; các phần kết cấu và chế tạo hàn yêu cầu độ dẻo dai và độ bền tốt	Bình chịu áp suất, bồn chứa và các cấu trúc ưu tiên giảm độ dày thành hoặc giảm trọng lượng; bình xử lý và các bộ phận chịu tải nặng hơn dưới tải trọng tĩnh cao hơn
Đường ống và các thành phần có yêu cầu độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp đòi hỏi độ dẻo dai cao hơn một chút	Các chế tạo trong điều kiện ứng suất cho phép hoặc quy định thiết kế cho phép sẽ được hưởng lợi từ năng suất cao hơn (ví dụ, để giảm độ dày của tấm)
Bồn chứa và thiết bị chế tạo đa năng, trong đó yếu tố dễ hàn và chi phí là mối quan tâm hàng đầu	Các ứng dụng mà độ bền cơ học là yếu tố quan trọng trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của mối hàn—với quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q345R khi tính dễ chế tạo, khả năng định hình và hạn chế tối thiểu về hàn quan trọng hơn nhu cầu giảm thiểu trọng lượng. - Chọn Q390R khi tối ưu hóa cấu trúc, tiết kiệm trọng lượng hoặc áp suất thiết kế cao hơn yêu cầu giới hạn chảy cao hơn—với điều kiện kiểm soát chất lượng đảm bảo độ bền.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Q390R thường có giá cao hơn Q345R do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn, khả năng pha tạp vi mô và chứng nhận độ bền cao hơn. Mức giá cao hơn thay đổi tùy theo thị trường và lô hàng.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều được sản xuất phổ biến, nhưng tính khả dụng phụ thuộc vào độ dày, chiều rộng tấm và yêu cầu về khả năng chịu nhiệt độ va đập. Q345R có thể được cung cấp rộng rãi hơn với nhiều kích cỡ; Q390R có thể thay đổi nhiều hơn đối với các tấm dày hơn hoặc các lô được chứng nhận chịu nhiệt độ rất thấp.
• Mua sắm: Xác định các đặc tính cơ học cần thiết, nhiệt độ va đập và khả năng tương thích của vật tư tiêu hao liên quan đến mối hàn. Yêu cầu chứng chỉ kiểm tra nhà máy (MTC) và số hiệu nhiệt để đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	Q345R	Q390R
Khả năng hàn	Tốt	Tốt–Trung bình (cần kiểm soát quy trình)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo dai/độ bền tốt	Độ bền cao hơn; độ dẻo dai có thể đạt được nhờ khả năng kiểm soát chặt chẽ hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn Q345R nếu: - Ưu tiên hàng đầu là chế tạo đơn giản, độ dẻo cao và chi phí vật liệu thấp. - Thiết kế không yêu cầu giới hạn chảy cao hơn và giảm độ dày. - Việc hàn và tạo hình dễ dàng quan trọng hơn việc giảm thiểu trọng lượng.

• Chọn Q390R nếu:
• Cần có cường độ chịu kéo thiết kế cao hơn để giảm độ dày hoặc trọng lượng của thành.
• Tính kinh tế của dự án ưu tiên các phần mỏng hơn mặc dù chi phí vật liệu trên một đơn vị cao hơn.
• Nhà sản xuất có thể cung cấp vật liệu được chứng nhận đáp ứng các yêu cầu về độ bền và quy trình xử lý được kiểm soát (TMCP, C thấp, hợp kim vi mô) để quản lý khả năng hàn và các đặc tính HAZ.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra chính xác các giới hạn hóa học và cơ học từ chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp và xác nhận quy trình hàn cho độ dày tấm và nhiệt độ làm việc cụ thể. Đối với công việc liên quan đến bình chịu áp lực, hãy tuân thủ quy chuẩn hoặc tiêu chuẩn hiện hành và ghi lại các chế độ thử nghiệm va đập và các yêu cầu kiểm tra không phá hủy khi lựa chọn giữa Q345R và Q390R.