Q390 so với Q420 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q390 và Q420 là thép kết cấu cường độ cao thường được chỉ định tại Trung Quốc và các thị trường liên quan cho các ứng dụng chịu lực, yêu cầu giới hạn chảy cao hơn thép mềm thông thường. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cần cân nhắc giữa hai loại thép này khi cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn, khả năng tạo hình và chi phí. Các bối cảnh lựa chọn điển hình bao gồm chế tạo nặng (cầu, cần cẩu và kết cấu chân đế ngoài khơi), khung chịu áp lực và các cấu kiện kết cấu phải đáp ứng các mục tiêu giới hạn chảy hoặc giảm trọng lượng nghiêm ngặt hơn.

Điểm khác biệt cốt lõi về mặt thực tế là Q420 được chỉ định cung cấp giới hạn chảy tối thiểu cao hơn Q390, điều này ảnh hưởng đến cách sản xuất thép (hợp kim hóa, gia công cơ nhiệt hoặc xử lý nhiệt) và do đó ảnh hưởng đến độ dai, khả năng hàn và đặc tính tạo hình. Vì cả hai đều được phân loại là thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) chứ không phải thép không gỉ hoặc thép dụng cụ, nên các so sánh tập trung vào sự đánh đổi giữa độ dai và độ bền, các hạn chế trong chế tạo và các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế chung khi tham chiếu đến các cấp độ tương đương:
• GB/T (Trung Quốc): Thép loại Q (ví dụ: Q390, Q420) được định nghĩa trong thông số kỹ thuật của Trung Quốc dành cho thép kết cấu.
• EN (Châu Âu): các loại vật liệu tương đương gần nhất là loại kết cấu S như S355 hoặc S420 tùy thuộc vào đặc tính.
• JIS (Nhật Bản): không có sự so sánh trực tiếp một-một; các cấp độ JIS tập trung vào các tên gọi khác.
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): không có bản đồ tiêu chuẩn đơn lẻ trực tiếp — sử dụng kết hợp cơ học/tính chất (ví dụ: ASTM A572 cho thép kết cấu cường độ cao).
• Phân loại: Cả Q390 và Q420 đều là thép cacbon HSLA (hợp kim thấp cường độ cao) được tối ưu hóa cho các ứng dụng kết cấu. Chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim đặc biệt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Xu hướng thành phần điển hình của thép dòng Q-HSLA tập trung vào hàm lượng carbon thấp cùng với việc bổ sung một lượng nhỏ mangan, silic và các nguyên tố hợp kim vi lượng được kiểm soát để đạt được độ bền trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai và khả năng hàn. Bảng dưới đây cung cấp phạm vi điển hình mang tính tham khảo (% khối lượng). Luôn kiểm tra thành phần chính xác trên giấy chứng nhận nhà máy hoặc tiêu chuẩn áp dụng cho vật liệu đã mua.

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%) — chỉ mang tính chất tham khảo; tham khảo thông số kỹ thuật hoặc giấy chứng nhận của nhà máy để biết số liệu chính xác

Yếu tố	Q390 (phạm vi điển hình, wt%)	Q420 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,06 – 0,18	0,06 – 0,16
Mn	0,40 – 1,60	0,50 – 1,60
Si	0,10 – 0,50	0,10 – 0,50
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0 – 0,50	0 – 0,50
Ni	0 – 0,30	0 – 0,30
Mo	0 – 0,10	0 – 0,10
V (hợp kim siêu nhỏ)	0 – 0,12	0 – 0,12
Nb (hợp kim siêu nhỏ)	0 – 0,08	0 – 0,08
Ti	0 – 0,02	0 – 0,02
B	0 – 0,002	0 – 0,002
N	0,005 – 0,020	0,005 – 0,020

Giải thích - Carbon: Giữ ở mức thấp đến trung bình để hạn chế khả năng tôi luyện và duy trì khả năng hàn; đôi khi hàm lượng carbon thấp hơn một chút được sử dụng trong các loại có độ bền cao hơn kết hợp với hợp kim vi mô hoặc cán nhiệt cơ học. - Mangan và silic: Chất tăng cường và khử oxy; Mn góp phần làm tăng độ cứng và độ bền kéo. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti, B): Việc bổ sung một lượng nhỏ cho phép tăng cường kết tủa và tinh chỉnh hạt, tạo ra cường độ giới hạn chảy cao hơn mà không làm tăng đáng kể lượng cacbon hoặc các nguyên tố hợp kim khác có thể gây hại cho khả năng hàn. - Hợp kim phụ (Cr, Ni, Mo): Chỉ sử dụng khi cần độ cứng hoặc khả năng chống chịu môi trường cụ thể.

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

Cấu trúc vi mô cho cả Q390 và Q420 thường là hỗn hợp ferit-pearlit hoặc ferit-bainit mịn, tùy thuộc vào quy trình xử lý: - Cán/chuẩn hóa: Ma trận ferritic mịn với perlit phân tán là phổ biến; chuẩn hóa sẽ tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai. - Xử lý nhiệt cơ học (TMCP): Cán có kiểm soát và làm mát nhanh tạo ra ferit và bainit đa giác mịn, cho phép sản lượng cao hơn ở hàm lượng hợp kim thấp hơn — một phương pháp phổ biến cho Q420. - Làm nguội và ram: Không điển hình cho các loại thép Q-grade kết cấu thông thường, nhưng được sử dụng khi cần sự kết hợp phù hợp giữa độ bền và độ dẻo dai cao; tạo ra martensite hoặc bainit ram và độ cứng cao hơn. - Kết tủa hợp kim nhỏ: Nb, V và Ti kết tủa ranh giới hạt và ức chế quá trình kết tinh lại, mang lại độ bền thông qua quá trình tinh luyện hạt và tăng cường kết tủa với lượng cacbon tăng tối thiểu.

Hiệu ứng của quá trình xử lý - Q420 thường dựa nhiều hơn vào TMCP và hợp kim vi mô để đạt được năng suất đảm bảo cao hơn trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai; điều này có thể tạo ra tỷ lệ vi cấu trúc bainit cao hơn một chút so với Q390 trong quá trình xử lý tương đương. - Xử lý nhiệt (thường hóa so với làm nguội và ram) có thể thay đổi đáng kể độ dẻo dai và độ cứng; các phần dày hơn sẽ nguội chậm hơn và do đó có cấu trúc vi mô thô hơn và độ dẻo dai thấp hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình (mang tính chỉ dẫn; phụ thuộc vào độ dày, chế biến và tiêu chuẩn)

Tài sản	Q390 (điển hình)	Q420 (điển hình)
Giới hạn chảy tối thiểu (Rp0.2)	≈ 390 MPa (đã chỉ định)	≈ 420 MPa (đã chỉ định)
Độ bền kéo (Rm)	~ 470 – 630 MPa	~ 520 – 680 MPa
Độ giãn dài (A, % trên 50 mm)	~ 20 – 26%	~ 17 – 22%
Độ bền va đập (Charpy V‑notch, J)	Tùy thuộc vào ứng dụng/cấp độ; thường được chỉ định ở 0°C đến −20°C; điển hình là 27 – 47 J	Phạm vi tương tự nhưng có xu hướng thấp hơn trung bình ở cùng độ dày/chế biến
Độ cứng (HB)	Thông thường thấp hơn Q420 cho cùng một quá trình xử lý	Cao hơn một chút, phản ánh sức mạnh cao hơn

Diễn giải - Độ bền: Q420 cung cấp giới hạn chảy tối thiểu cao hơn theo thông số kỹ thuật. Để đạt được độ bền đó mà không ảnh hưởng đến độ dẻo dai, thép Q420 thường dựa vào TMCP và hợp kim vi mô thay vì tăng đáng kể hàm lượng carbon. - Độ dẻo dai so với độ dai: Đối với cùng một quá trình xử lý, Q420 có thể kém dẻo hơn một chút và có thể cho thấy năng lượng va đập thấp hơn Q390; cần kiểm soát cẩn thận quá trình cán và làm nguội để duy trì độ dẻo dai chấp nhận được ở các phần dày hơn. - Ý nghĩa thiết kế: Sử dụng Q420 khi cần biên độ chảy dẻo hoặc giảm trọng lượng. Sử dụng Q390 khi cần độ dẻo dai hoặc độ bền va đập tốt hơn một chút với chi phí thấp hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu được xác định bởi hàm lượng cacbon, hợp kim kết hợp (độ tôi) và hợp kim vi mô. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là tương đương cacbon IIW và công thức Pcm:

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

• Công thức Pcm (để ước tính khả năng nứt nguội): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính - Cả Q390 và Q420 đều được thiết kế với hàm lượng carbon tương đối thấp để hỗ trợ khả năng hàn tốt. Tuy nhiên, Q420 có thể có khả năng tôi cứng hiệu quả cao hơn một chút do hợp kim hóa vi mô và cấu trúc vi mô do TMCP gây ra — làm tăng nguy cơ hình thành martensite trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) đối với mối hàn có nhiệt độ đầu vào cao hoặc các tiết diện dày hơn. - Sử dụng điện cực tiêu hao hydro thấp, nhiệt độ liên thông được kiểm soát và gia nhiệt trước cho các tấm hoặc mối hàn dày hơn có giá trị Pcm/CE cao hơn. Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) có thể được yêu cầu cho các ứng dụng quan trọng. - Đối với hàn thông thường trong xưởng có độ dày từ mỏng đến trung bình, cả hai loại đều có thể hàn dễ dàng bằng các quy trình thích hợp; Q420 thường đòi hỏi phải chú ý nhiều hơn đến thiết kế mối nối và kiểm soát nhiệt.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q390 và Q420 đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều có thể bị ăn mòn bởi khí quyển và hóa chất như hầu hết các loại thép cacbon.
• Các chiến lược bảo vệ tiêu chuẩn: mạ kẽm nhúng nóng, lớp phủ kẽm dạng phiến, hệ thống sơn epoxy/urethane, bảo vệ catốt cho môi trường biển/ngoài khơi và các chi tiết thiết kế chống ăn mòn (thoát nước, phân tách các kim loại khác nhau).
• PREN không áp dụng: Đối với thép không gỉ, Số tương đương khả năng chống rỗ có liên quan: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không được sử dụng cho thép carbon/HSLA; do đó không nên áp dụng PREN cho Q390/Q420.

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

• Khả năng định hình: Thép Q390 có độ bền thấp hơn thường có khả năng định hình nguội (uốn cong, ép) tốt hơn thép Q420 ở cùng độ dày do độ dẻo cao hơn. Thép Q420 có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn hoặc lực định hình cao hơn.
• Khả năng gia công: Cả hai loại đều tương tự nhau; khả năng gia công ở mức chấp nhận được nhưng độ bền giảm dần. Độ bền cao hơn (Q420) thường làm tăng độ mòn dụng cụ và đòi hỏi các thông số gia công và cắt gọt mạnh mẽ hơn.
• Dung sai cắt/hàn: Q420 có thể nhạy cảm hơn với độ phẳng và độ đàn hồi do có giới hạn chảy cao hơn; dung sai chế tạo phải tính đến điều đó.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều được sơn và mạ kẽm tốt; xử lý sơ bộ và chuẩn bị bề mặt là tiêu chuẩn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình theo từng loại

Q390 (sử dụng điển hình)	Q420 (sử dụng điển hình)
Dầm, cột và khung kết cấu chung ưu tiên hiệu quả về chi phí và độ dẻo tốt	Các thành phần cần cẩu, dầm nặng và các thành phần cầu nơi năng suất cao làm giảm kích thước và trọng lượng của tiết diện
Khung gầm và khung xe hạng trung	Các thành phần áo khoác ngoài khơi và các thành phần giàn khoan nơi có độ bền trên trọng lượng cao là rất quan trọng (có khả năng chống ăn mòn)
Thiết bị nông nghiệp và xây dựng	Các thành phần kết cấu chịu tải trọng cao (tời, tời, máy móc hạng nặng) có biên độ so với độ dẻo hẹp hơn
Bồn chứa và vỏ kết cấu không chịu áp suất (có biện pháp bảo vệ phù hợp)	Các thành phần chế tạo được thiết kế để giảm trọng lượng trong các cấu trúc vận chuyển

Cơ sở lựa chọn - Chọn Q420 khi thiết kế yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn để giảm trọng lượng, tiết diện nhỏ hơn hoặc đáp ứng yêu cầu tải trọng kết cấu cao hơn. Q420 được ưu tiên khi xưởng chế tạo có thể kiểm soát quy trình hàn và ván khuôn cho vật liệu có cường độ cao hơn. - Chọn Q390 khi độ dẻo tốt hơn một chút, dễ tạo hình hơn và chi phí/rủi ro cung ứng thấp hơn là ưu tiên hàng đầu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q420 thường đắt hơn Q390 tính theo tấn do yêu cầu xử lý cao hơn (TMCP, kiểm soát hợp kim vi mô) và đảm bảo tính chất chặt chẽ hơn. Chênh lệch giá thay đổi tùy theo nhà máy, khu vực và hình dạng sản phẩm (tấm, cuộn, tiết diện).
• Tính khả dụng: Q390 thường được dự trữ phổ biến hơn tại các nhà máy kết cấu và nhà phân phối. Q420 có thể được dự trữ nhiều hơn ở những khu vực có nhu cầu cao về thép HSLA; tuy nhiên, các dạng sản phẩm hoặc độ dày đặc biệt có thể cần thời gian giao hàng cho cả hai loại.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Tiêu chí	Câu 390	Q420
Khả năng hàn	Tốt; biên độ tốt hơn một chút ở các phần dày	Tốt, nhưng cần kiểm soát nhiệt chặt chẽ hơn đối với các phần dày hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng theo hướng dẻo dai/cứng cáp	Độ bền kéo cao hơn; có thể mất đi một số độ dẻo/độ dai
Chi phí (tương đối)	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị - Chọn Q390 nếu: bạn cần thép HSLA tiết kiệm chi phí với độ dẻo tốt và dễ tạo hình/hàn hơn cho tải trọng kết cấu vừa phải; khi tốc độ chế tạo và độ mài mòn dụng cụ thấp là ưu tiên hàng đầu; hoặc khi tính khả dụng của kho và giá thấp hơn là yếu tố quyết định. - Chọn Q420 nếu: thiết kế của bạn yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn được đảm bảo để giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện, hoặc khi biên độ kết cấu so với cường độ chịu kéo phải được tăng lên; với điều kiện quy trình chế tạo và hàn của bạn có thể kiểm soát được lượng nhiệt đầu vào và bạn chấp nhận mức tăng nhỏ về chi phí vật liệu.

Ghi chú cuối cùng Luôn ghi rõ tiêu chuẩn chính xác, giới hạn độ dày, năng lượng va đập (nhiệt độ) yêu cầu và các điều kiện quy trình hàn trong tài liệu mua sắm. Cần xem xét chứng chỉ nhà máy và báo cáo thử nghiệm lô để đảm bảo kết quả hóa học và cơ học được cung cấp đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và chế tạo của dự án.