Q355NH so với Q355B – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q355NH và Q355B là hai loại thép kết cấu được Trung Quốc chỉ định phổ biến trong dòng thép Q355. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi chỉ định vật liệu tấm và tiết diện cho cầu, kết cấu chịu áp lực, khung máy móc hạng nặng và kết cấu hàn. Các yếu tố quyết định điển hình bao gồm sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo dai, các hạn chế về khả năng hàn và chế tạo, và khả năng bảo vệ vòng đời chống ăn mòn khí quyển so với chi phí ban đầu thấp nhất.

Mặc dù cả hai đều là thép kết cấu carbon/hợp kim thấp không gỉ, một trục so sánh thực tế phổ biến khi lựa chọn dự án là độ bền bề mặt trong môi trường ngoài trời hoặc công nghiệp. Nói cách khác: cả hai đều không phải là thép không gỉ hay thép chịu thời tiết chuyên dụng, do đó hiệu suất chống ăn mòn trong khí quyển - được quyết định bởi hóa học, cấu trúc vi mô và khả năng bảo vệ bề mặt - trở thành yếu tố quyết định trong nhiều thông số kỹ thuật. Do đó, các nhà thiết kế so sánh Q355NH và Q355B không chỉ về độ bền và độ dẻo dai mà còn về cách mỗi loại phản ứng với lớp phủ, mạ kẽm hoặc tiếp xúc với môi trường bên ngoài khi không được phủ.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính của Trung Quốc: GB/T 1591 (hoặc các văn bản kế thừa) áp dụng cho thép kết cấu dòng Q355. Giấy chứng nhận nhà máy địa phương và tiêu chuẩn giao hàng nêu rõ các yêu cầu cụ thể.
• Các tên gọi quốc tế tương đương hoặc liên quan: không có sự tương đương trực tiếp một-một với các cấp ASTM/ASME; Q355 thường được so sánh về mặt chức năng với thép HSLA như ASTM A572 Cấp 50 hoặc S355 trong EN, nhưng thành phần hóa học chính xác và chế độ thử nghiệm thì khác nhau.
• Phân loại: Cả Q355NH và Q355B đều là thép kết cấu hợp kim thấp/cường độ cao, không gỉ (thuộc nhóm HSLA). Chúng không phải là thép dụng cụ, thép không gỉ hoặc thép hợp kim cao chống ăn mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: sự hiện diện định tính của các nguyên tố hợp kim và tạp chất đối với hai loại thép. Giới hạn chính xác của nhà máy phụ thuộc vào tiêu chuẩn giải phóng và độ dày; luôn kiểm tra chứng chỉ thử nghiệm nhà máy.

Yếu tố	Q355B (kiểm soát điển hình)	Q355NH (kiểm soát điển hình)
C (cacbon)	Được kiểm soát ở mức thấp-trung bình để đảm bảo độ bền và khả năng hàn	Kiểm soát carbon tương tự; có thể được chỉ định theo giới hạn chặt chẽ hơn về độ dẻo dai
Mn (mangan)	Có mặt như là yếu tố khử oxy/sức mạnh chính	Có mặt; thường được sử dụng tương tự để kiểm soát độ bền và khả năng làm cứng
Si (silicon)	Một lượng nhỏ được kiểm soát như chất khử oxy	Số lượng nhỏ được kiểm soát
P (phốt pho)	Tạp chất hạn chế (giữ ở mức thấp)	Tạp chất hạn chế; có thể có mức tối đa nghiêm ngặt hơn
S (lưu huỳnh)	Tạp chất hạn chế (giữ ở mức thấp)	Tạp chất hạn chế; thường tương tự hoặc nghiêm ngặt hơn
Cr (crom)	Thông thường rất thấp hoặc dấu vết	Thông thường rất thấp hoặc dấu vết (không phải mức hợp kim thép không gỉ)
Ni (niken)	Thường có dấu vết/vắng mặt	Thường có dấu vết/vắng mặt
Mo, V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ trong một số tuyến sản xuất	Có thể bao gồm hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) khi độ dẻo dai được cải thiện và độ tinh xảo của hạt được chỉ định
Cu (đồng)	Thường theo dõi; không phải là một tính năng thiết kế	Có thể có mặt cố ý với số lượng nhỏ trong một số biến thể chịu được thời tiết do một số nhà máy sản xuất (kiểm tra giấy chứng nhận)
N (nitơ), B (bo)	Theo dõi; kiểm soát	Theo dõi; kiểm soát

Giải thích: - Cả hai loại thép này đều được thiết kế chủ yếu bằng cách kiểm soát C và Mn để tăng cường độ bền, đồng thời hạn chế P và S là tạp chất có hại. Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) thường được sử dụng trên các biến thể Q355 để tinh chỉnh hạt, tăng cường độ bền và duy trì độ dẻo dai mà không làm tăng đáng kể hàm lượng carbon. - Bất kỳ sự bổ sung cố ý nào nhằm cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khí quyển (ví dụ, việc bổ sung một lượng nhỏ Cu, P hoặc Cr được sử dụng trong thép chịu thời tiết) không phải là yếu tố nội tại của chỉ định Q355 cơ bản và phải được xác nhận trên giấy chứng nhận nhà máy. Trên thực tế, khả năng chống ăn mòn trong khí quyển phụ thuộc nhiều hơn vào lớp phủ bảo vệ và hợp kim được chỉ định riêng cho ứng dụng chịu thời tiết so với hóa chất Q355 tiêu chuẩn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình khi cán: cả hai loại đều được cung cấp dưới dạng tấm cán nóng với nền ferit-perlit. Tỷ lệ tương đối của ferit và perlit cùng với sự hiện diện của các cacbua mịn hoặc kết tủa hợp kim siêu nhỏ quyết định độ bền và độ dai.
• Q355B: được sản xuất cho mục đích sử dụng kết cấu chung với sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo. Hợp kim vi mô có thể ở mức tối thiểu; kích thước hạt và kiểm soát tạp chất là những đòn bẩy sản xuất điển hình.
• Q355NH: các ký hiệu “N” và “H” thường biểu thị các yêu cầu về độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp được chuẩn hóa và tăng cường trong danh pháp cấp Q tương ứng. Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ trên dải biến đổi) giúp tinh chỉnh kích thước hạt, tạo ra các vi cấu trúc ferit-pearlit mịn hơn và các đặc tính đồng đều hơn theo độ dày.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Quá trình chuẩn hóa có xu hướng làm mịn hạt và cải thiện độ bền va đập cũng như tính đồng nhất; đây là đặc điểm điển hình của thép được chỉ định là NH.
• Làm nguội và ram không phải là phương pháp xử lý thông thường đối với các tấm thép loại Q355 (đây không phải là thép được làm nguội và ram), mặc dù có thể xử lý nhiệt cục bộ sau khi hàn hoặc đối với các thành phần đặc biệt.
• Có thể sử dụng quy trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) để đạt được độ bền cao hơn và cấu trúc vi mô mịn hơn mà không cần chuẩn hóa thêm.
• Hiệu quả thực tế: Các biến thể Q355NH được xử lý theo quy trình xử lý nhiệt chặt chẽ hơn và kiểm soát kích thước hạt thường cho thấy độ dẻo dai được cải thiện (đặc biệt là ở nhiệt độ thấp hơn) và các đặc tính độ dày xuyên suốt đồng đều hơn so với Q355B được xử lý theo lịch trình cán và làm nguội tiêu chuẩn.

4. Tính chất cơ học

Bảng: các kỳ vọng về đặc tính điển hình định tính và thường được trích dẫn. Giá trị và nhiệt độ thử nghiệm phụ thuộc vào độ dày và tiêu chuẩn cụ thể: kiểm tra chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy để xác định các giá trị quan trọng của dự án.

Tài sản	Q355B (điển hình)	Q355NH (điển hình)
Sức chịu lực	Được thiết kế ở mức áp suất danh nghĩa khoảng 355 MPa (lớp năng suất được chỉ định)	Được thiết kế ở mức danh nghĩa 355 MPa; tương tự hoặc cùng loại
Độ bền kéo	Phạm vi điển hình thường được báo cáo cho các tấm Q355 (tùy thuộc vào nhà sản xuất)	Phạm vi kéo tương tự; tuyến sản xuất có thể thắt chặt phạm vi
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo vừa phải; thích hợp để tạo hình và hàn	Độ dẻo dai được duy trì bằng hoặc cao hơn một chút, đặc biệt là trong quá trình giao hàng được chuẩn hóa
Độ bền va đập	Yêu cầu chung về tác động kết cấu (có thể ở nhiệt độ phòng)	Thường được chỉ định với thử nghiệm va đập ở nhiệt độ thấp (độ dẻo dai được cải thiện ở các thử nghiệm dưới 0 độ)
Độ cứng	Độ cứng vừa phải thích hợp cho hàn và gia công	Độ cứng cục bộ tương đương hoặc thấp hơn một chút do cấu trúc vi mô được chuẩn hóa

Giải thích: - Cả hai loại đều được thiết kế với giới hạn chảy khoảng 355 MPa. Điểm khác biệt cơ học chính là độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp hơn và độ đồng đều xuyên suốt chiều dày—Q355NH thường được chỉ định khi cần cải thiện độ dẻo dai va đập (ví dụ, ở -20 °C hoặc thấp hơn) và quy trình xử lý chuẩn hóa. - Q355B là loại thép kết cấu thông thường phù hợp khi độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp không phải là yêu cầu kiểm soát.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (xu hướng tôi cứng) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô. Hai chỉ số thường được sử dụng:

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

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

Giải thích định tính cho Q355B so với Q355NH: - Cả hai loại đều được coi là có khả năng hàn hợp lý cho các quy trình hàn kết cấu tiêu chuẩn khi tuân thủ quy trình kiểm soát độ dày trước khi nung nóng/chuyển tiếp phù hợp. Hàm lượng carbon thấp đến trung bình và Mn được kiểm soát giúp duy trì hàm lượng carbon tương đương trong phạm vi phù hợp với vật liệu hàn thông dụng. - Nếu Q355NH bao gồm hợp kim vi mô có chủ đích hoặc nếu được chuẩn hóa, khả năng làm cứng vùng HAZ của nó có thể khác đôi chút so với Q355B. Cấu trúc vi mô chuẩn hóa có thể làm giảm sự mềm hóa vùng HAZ và cải thiện độ dẻo dai, điều này thường giúp hành vi sau hàn thuận lợi hơn. - Hướng dẫn thực tế: luôn tính toán lượng cacbon tương đương có liên quan cho từng mẻ và độ dày, tuân theo khuyến nghị của nhà sản xuất kim loại phụ và chỉ sử dụng các biện pháp kiểm soát nung nóng trước/chuyển tiếp và PWHT khi các phép tính hoặc kinh nghiệm cho thấy có nguy cơ nứt nguội hoặc độ dẻo dai bị giảm sút.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q355NH và Q355B đều không phải thép không gỉ; chúng không tạo thành lớp màng thụ động bảo vệ như thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ duplex. Ăn mòn tự nhiên (gỉ sét) sẽ xảy ra nếu không được bảo vệ.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình: mạ kẽm (nhúng nóng hoặc điện phân), chỉ định hệ thống sơn bảo vệ, lớp phủ polyme hoặc sử dụng anot hy sinh trong môi trường biển.
• Khi chỉ số chống ăn mòn có liên quan (đối với các loại thép không gỉ), Chỉ số tương đương chống rỗ (PREN) được sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số đó không áp dụng cho thép Q355 vì Cr, Mo và N không có ở mức bảo vệ.
• Lưu ý quan trọng: một số nhà máy có thể sản xuất các biến thể với hàm lượng đồng hoặc phốt pho bổ sung nhỏ để cải thiện khả năng chống chịu thời tiết ngắn hạn; các biến thể này không phải là Q355B/Q355NH tiêu chuẩn và phải được chỉ định và chứng nhận rõ ràng. Đối với ứng dụng ngoài trời không tráng phủ lâu dài trong môi trường công nghiệp hoặc ven biển, hãy chọn thép chịu thời tiết chuyên dụng hoặc áp dụng hệ thống giảm thiểu phù hợp.

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

• Tạo hình và uốn: cả hai loại thép đều có thể dễ dàng tạo hình nguội ở dải độ dày tấm thông thường theo tiêu chuẩn. Q355NH có thể cho phép bán kính uốn hẹp hơn một chút hoặc độ đàn hồi đồng đều hơn do cấu trúc hạt được chuẩn hóa.
• Khả năng gia công: cả hai đều là thép cacbon/HSLA điển hình; khả năng gia công ở mức trung bình. Hợp kim vi mô và độ bền cao hơn có thể làm giảm nhẹ tuổi thọ dụng cụ so với thép mềm cacbon thấp.
• Chuẩn bị và hoàn thiện bề mặt: cả hai đều chấp nhận các phương pháp xử lý bề mặt tiêu chuẩn—phun cát, sơn lót, mạ kẽm và sơn phủ. Đối với các ứng dụng quan trọng về mặt thẩm mỹ hoặc nhạy cảm với ăn mòn, việc làm sạch bề mặt và xử lý sơ bộ (ví dụ: phun cát theo tiêu chuẩn Sa) là điều cần thiết.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng hai cột liệt kê các cách sử dụng thông thường và lý do lựa chọn.

Q355B – Công dụng điển hình	Q355NH – Công dụng điển hình
Các thành phần kết cấu chung: kết cấu thép xây dựng, khung, dầm, kênh	Các thành phần cấu trúc yêu cầu độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp được cải thiện hoặc váy và giá đỡ bình chịu áp suất khi chỉ định giao hàng chuẩn hóa
Cơ sở máy móc, khung hàn, kết cấu ngoài trời không quan trọng	Các sản phẩm hàn nặng trong đó độ bền xuyên suốt chiều dày và hiệu suất HAZ là quan trọng
Các ứng dụng nhạy cảm về chi phí trong đó độ bền và khả năng hàn tiêu chuẩn là đủ	Cầu, kết cấu phụ ngoài khơi hoặc thiết bị hoạt động ở vùng khí hậu lạnh hơn khi yêu cầu khả năng chống va đập ở nhiệt độ thấp

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q355B cho mục đích sử dụng kết cấu tiêu chuẩn và nơi độ bền ở nhiệt độ thấp không được ưu tiên và chi phí là yếu tố quan trọng. - Chọn Q355NH khi thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu giao hàng chuẩn hóa, cải thiện độ bền ở nhiệt độ thấp hoặc kiểm soát chặt chẽ hơn tính chất xuyên suốt độ dày.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Q355B thường là lựa chọn có chi phí thấp hơn vì quy trình sản xuất và yêu cầu thử nghiệm của nó chuẩn hơn. Việc giao hàng Q355NH có thể có giá cao hơn nếu chúng yêu cầu chuẩn hóa, thử nghiệm va đập bổ sung ở nhiệt độ thấp hoặc kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: cả hai loại thép này thường có sẵn dưới dạng tấm cán nóng, mặt bích rộng và ống hàn—nhưng tính khả dụng khác nhau tùy theo khu vực và lượng tồn đọng của nhà máy. Hóa chất đặc biệt hoặc tấm thép chuẩn hóa được chứng nhận (Q355NH) có thể có thời gian giao hàng lâu hơn; vui lòng xác nhận tình trạng sẵn có sớm trong quá trình mua sắm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (so sánh định tính cấp cao).

Đặc điểm	Q355B	Q355NH
Khả năng hàn	Tốt cho các thủ tục tiêu chuẩn	Tốt; cấu trúc vi mô được chuẩn hóa có thể cải thiện độ bền HAZ
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Được thiết kế với năng suất khoảng 355 MPa; cân bằng tốt	Lớp năng suất tương tự; độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn và độ đồng nhất xuyên suốt chiều dày khi được chuẩn hóa
Trị giá	Thấp hơn (cấp độ kết cấu tiêu chuẩn)	Cao hơn (có thể xử lý/kiểm tra thêm)

Khuyến nghị: - Chọn Q355B nếu: dự án của bạn yêu cầu thép kết cấu thông dụng, tiết kiệm chi phí với cường độ tiêu chuẩn (≈355 MPa), trong đó nhiệt độ môi trường và yêu cầu về độ dẻo dai nằm trong phạm vi kết cấu/dân dụng thông thường và tuổi thọ sử dụng không được phủ không phải là mối quan tâm chính. - Chọn Q355NH nếu: thông số kỹ thuật yêu cầu độ bền va đập ở nhiệt độ thấp được cải thiện, quy trình xử lý chuẩn hóa hoặc kiểm soát chặt chẽ hơn tính chất xuyên suốt độ dày (đối với các tấm dày hoặc chế tạo hàn nặng) hoặc khi mã dự án nêu rõ biến thể NH cho các thành phần hàn quan trọng hoặc dịch vụ lạnh.

Ghi chú thực tế cuối cùng: - Không loại nào là vật liệu thép không gỉ hoặc vật liệu chịu thời tiết chuyên dụng; nếu cần khả năng chống ăn mòn trong khí quyển lâu dài mà không cần lớp phủ, hãy chỉ định thép chịu thời tiết hoặc hợp kim thép không gỉ, hoặc thiết kế hệ thống bảo vệ chắc chắn (mạ kẽm, sơn nhiều lớp). - Luôn kiểm tra chứng chỉ thử nghiệm nhà máy về thành phần hóa học, lịch sử xử lý nhiệt, giá trị thử nghiệm cơ học và nhiệt độ thử nghiệm va đập trước khi nghiệm thu. Đối với kết cấu hàn, hãy tính toán lượng cacbon tương đương phù hợp và tuân thủ các quy trình hàn đạt tiêu chuẩn cũng như kiểm soát quá trình gia nhiệt trước/xuyên lớp theo tính toán và kinh nghiệm.