Q355GNH so với Q415GNH – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa Q355GNH và Q415GNH là một vấn đề nan giải thường gặp trong thiết kế và mua sắm đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất làm việc với thép kết cấu cường độ cao. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc cân bằng giữa khả năng chịu tải cao hơn và tiết diện mỏng hơn (cường độ) với khả năng hàn, độ bền ở nhiệt độ thấp và tổng chi phí. Các nhà chế tạo cũng cân nhắc những đánh đổi về tạo hình và gia công so với hiệu suất sử dụng.

Về cốt lõi, hai loại thép này chiếm các dải cường độ liền kề trong nhóm thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) vi hợp kim được sử dụng cho tấm và tiết diện kết cấu. Sự khác biệt chức năng chính là cường độ chảy được đảm bảo của Q415GNH cao hơn so với Q355GNH, điều này dẫn đến sự khác biệt về yêu cầu gia công, quản lý độ bền và cơ sở lựa chọn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các họ tiêu chuẩn chính có các loại thép tương tự: Tiêu chuẩn quốc gia Anh/Trung Quốc (cấp độ Q), EN (Châu Âu), ASTM/ASME (Hoa Kỳ) và JIS (Nhật Bản). Tên cấp độ chính xác và yêu cầu khác nhau giữa các tiêu chuẩn; bảng chuyển đổi chỉ mang tính chất tham khảo.
• Phân loại: Cả Q355GNH và Q415GNH đều là thép kết cấu HSLA vi hợp kim, hàm lượng carbon thấp, không gỉ, được thiết kế để cân bằng độ bền và độ dẻo dai tốt. Chúng không phải là thép công cụ hay thép không gỉ.
• Các dạng sản phẩm điển hình: tấm, cuộn và kết cấu hàn; các hậu tố (như GNH) thường mã hóa các đặc tính quy trình và đặc tính (ví dụ: độ bền nhiệt độ thấp được chuẩn hóa, cán nhiệt cơ học và tăng cường) trong các chương trình đặt tên của nhà sản xuất hoặc quốc gia. Kiểm tra văn bản tiêu chuẩn để biết ý nghĩa chính xác của hậu tố trong thông số kỹ thuật mua hàng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Chiến lược HSLA hợp kim vi mô cho cả hai loại là giữ hàm lượng carbon thấp để duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai, đồng thời bổ sung một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) cùng với N được kiểm soát để tinh chỉnh hạt và tăng cường độ thông qua quá trình kết tủa và tinh chỉnh hạt thay vì tăng hàm lượng carbon lớn.

Yếu tố	Q355GNH (vai trò điển hình)	Q415GNH (vai trò điển hình)
C (Cacbon)	Thấp — hạn chế khả năng tôi luyện, hỗ trợ khả năng hàn	Thấp — có thể được kiểm soát thấp hơn một chút hoặc tương tự như Q355 để duy trì độ dẻo dai
Mn (Mangan)	Trung bình — tăng cường dung dịch rắn và khử oxy	Trung bình — có thể cao hơn một chút để hỗ trợ năng suất cao hơn
Si (Silic)	Dấu vết–trung bình — chất khử oxy	Dấu vết–trung bình
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp — kiểm soát độ giòn	Giữ ở mức thấp
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp — khả năng gia công, độ sạch	Giữ ở mức thấp
Cr, Ni, Mo	Thông thường là tối thiểu hoặc dấu vết — không phải cơ chế làm cứng chính	Có thể có mặt với số lượng nhỏ trong một số biến thể để hỗ trợ độ bền/khả năng làm cứng
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Có mặt ở dạng hợp kim vi lượng để tinh chế hạt và tăng cường kết tủa	Hiện tại; có thể được tối ưu hóa để tăng cường lượng mưa cao hơn một chút
B (Bo)	Hiếm/dấu vết — nếu sử dụng, kiểm soát khả năng làm cứng	Hiếm/dấu vết
N (Nitơ)	Được kiểm soát — tạo thành cacbonitrit với kim loại hợp kim vi mô	Được kiểm soát — có thể cao hơn một chút để tăng cường khả năng kiểm soát

Lưu ý: Giới hạn hóa chất chính xác được quy định trong các tiêu chuẩn quốc gia hoặc tiêu chuẩn nhà máy có liên quan và thay đổi tùy theo hậu tố cấp độ và dạng sản phẩm. Bảng này thể hiện vai trò định tính thay vì nồng độ tuyệt đối.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Hàm lượng carbon thấp giúp duy trì khả năng hàn và độ dẻo ở mức chấp nhận được. - Mn và Si được kiểm soát mang lại khả năng gia cường và xử lý dung dịch rắn. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) tạo ra cường độ giới hạn chảy cao thông qua quá trình tinh luyện hạt và làm cứng kết tủa mà không làm tăng lượng cacbon lớn, duy trì độ dẻo dai. - Việc tăng nhẹ cường độ hợp kim hoặc xử lý để đáp ứng các yêu cầu của Q415 có thể làm tăng khả năng tôi luyện và đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ bổ sung.

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

Cấu trúc vi mô điển hình cho cả hai loại sau quá trình xử lý tiêu chuẩn là ferit hạt mịn với lượng bainite được tôi luyện hoặc ferit đa giác và kết tủa hợp kim siêu nhỏ được kiểm soát, tùy thuộc vào lộ trình nhiệt cơ học.

• Q355GNH: Được xử lý để tạo ra ma trận ferit-pearlit hoặc ferit-bainit có kiểm soát với kích thước hạt mịn thông qua quá trình chuẩn hóa hoặc cán có kiểm soát. Các kết tủa hợp kim vi mô (carbonitride Nb/Ti/V) cản trở sự phát triển của hạt và góp phần tăng cường độ bền kéo.
• Q415GNH: Để đạt được năng suất đảm bảo cao hơn, quá trình xử lý thường tăng cường độ cán nhiệt cơ học hoặc sử dụng phương pháp gia cường kết tủa mạnh hơn. Điều này có thể tạo ra tỷ lệ cấu trúc bainit cao hơn hoặc nền ferritic tinh chế hơn với kết tủa đặc hơn, tăng cường độ nhưng đòi hỏi kiểm soát nhiệt chặt chẽ hơn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa/tinh chế: Cả hai loại đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa hoặc cán có kiểm soát để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai. - Làm nguội và ram: Không điển hình đối với các loại kết cấu HSLA này trong nguồn cung cấp thông thường; sẽ thay đổi phân loại sản phẩm. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): Đặc biệt hiệu quả cho cả hai phương pháp và thường được sử dụng để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dai. Đối với Q415GNH, các thông số TMCP có thể mạnh hơn để tăng năng suất hướng đến mục tiêu cao hơn.

4. Tính chất cơ học

Một trong số ít thông tin chắc chắn về mặt định lượng là số cấp cho biết giới hạn chảy tối thiểu danh nghĩa tính bằng MPa theo quy ước chuỗi Q của Trung Quốc.

Tài sản	Q355GNH	Q415GNH
Độ bền kéo tối thiểu (MPa)	355 (tên gọi theo danh nghĩa)	415 (tên gọi danh nghĩa)
Độ bền kéo	Thông thường thấp hơn Q415; được thiết kế để duy trì hành vi gãy dẻo	Thông thường cao hơn Q355 để phù hợp với năng suất cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Nói chung dẻo hơn ở độ dày và chế biến tương đương	Độ dẻo thường giảm nhẹ ở mức cường độ cao hơn
Độ bền va đập (nhiệt độ thấp)	Được thiết kế để có độ bền tốt với TMCP và quy trình xử lý chuẩn hóa	Có thể đạt được độ dẻo dai tương đương nhưng thường đòi hỏi quá trình xử lý và thử nghiệm nghiêm ngặt hơn
Độ cứng	Thấp hơn Q415 trong quá trình xử lý tương tự	Cao hơn do cường độ và mật độ kết tủa tăng cao

Giải thích: - Q415GNH cung cấp cường độ chịu kéo cao hơn và do đó có thể tạo ra các kết cấu mỏng hơn cho cùng tải trọng, nhưng có thể kiểm soát chặt chẽ hơn về độ bền và quy trình hàn. - Q355GNH có xu hướng cung cấp khả năng định hình tốt hơn và độ giãn dài khi gãy thường cao hơn một chút đối với các tuyến xử lý tương đương.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và độ tôi. Để đánh giá định tính, hãy sử dụng các chỉ số được công nhận:

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

và toàn diện hơn:

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

Giải thích định tính: - Cả hai loại đều được thiết kế với hàm lượng carbon thấp và hợp kim vi mô HSLA để giữ $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương đối thấp so với thép tôi carbon trung bình, hỗ trợ khả năng hàn tốt. - Q415GNH có thể có giá trị CE và Pcm cao hơn một chút so với Q355GNH do hàm lượng Mn hoặc hợp kim vi mô tăng lên hoặc quá trình xử lý mạnh hơn; điều này có thể làm tăng khả năng bị cứng HAZ và nứt do hydro ở các phần dày. - Trên thực tế, Q415 thường yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn: vật tư hàn hydro thấp hơn, gia nhiệt trước hoặc kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn đối với các phần dày quan trọng hoặc dịch vụ nhiệt độ thấp. - Đối với cả hai loại, hãy tuân theo chứng chỉ của nhà máy và thực hiện thử nghiệm đủ điều kiện chung khi có nghi ngờ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đây là loại thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn chỉ giới hạn ở thép cacbon hợp kim thấp. Việc lựa chọn nên dựa trên giả định về khả năng chống ăn mòn môi trường xung quanh trừ khi được bảo vệ.
• Các lựa chọn bảo vệ bề mặt: mạ kẽm nhúng nóng, sơn lót giàu kẽm, lớp phủ công nghiệp hai thành phần, hệ thống epoxy hoặc lớp phủ kim loại khi cần thiết.
• PREN không áp dụng được vì đây không phải là hợp kim thép không gỉ. Đối với vật liệu thép không gỉ, một