Q420 so với Q460 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa Q420 và Q460 thường xuất hiện trong danh sách rút gọn của các kỹ sư và quản lý mua sắm khi các dự án đòi hỏi thép kết cấu cường độ cao. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc cân bằng giữa cường độ chịu kéo cao hơn và độ dày tiết diện giảm (ưu tiên Q460) với khả năng hàn tốt hơn, độ bền cao hơn và chi phí vật liệu thấp hơn (ưu tiên Q420). Các hạn chế về chế tạo (hàn, tạo hình), mức độ tiếp xúc với môi trường và khả năng cung cấp của nhà cung cấp cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là giới hạn chảy tối thiểu cao hơn của Q460 so với Q420, đạt được nhờ kiểm soát chặt chẽ hơn về hóa học và hợp kim vi mô cùng với quy trình xử lý nhiệt cơ. Sự gia tăng sức mạnh này dẫn đến sự đánh đổi về độ dẻo, độ bền, khả năng hàn và chi phí sản xuất, đó là lý do tại sao hai loại thép này thường được so sánh cho các ứng dụng kết cấu, chế tạo nặng và kỹ thuật.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung tham chiếu đến các cấp độ này (tên gọi theo khu vực có thể khác nhau):
• Dòng GB của Trung Quốc (ký hiệu "Q" được sử dụng rộng rãi để chỉ giới hạn chảy): Q420, Q460.
• Tiêu chuẩn EN/Châu Âu: các đặc tính tương đương thường được tìm kiếm ở thép kết cấu có độ bền cao hơn (ví dụ: S420, S460 trong sê-ri EN 10025), mặc dù thành phần hóa học và quy trình xử lý chính xác có thể khác nhau.
• JIS và ASTM/ASME không sử dụng trực tiếp danh pháp Q420/Q460, nhưng các kỹ sư sẽ ánh xạ các yêu cầu với các cấp HSLA tương ứng (loại S-series hoặc ASTM A572/709) dựa trên các mục tiêu về tính chất cơ học.
• Phân loại: Cả Q420 và Q460 đều là thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao (HSLA). Chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép cacbon cao; chúng được thiết kế để cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng hàn thông qua thành phần được kiểm soát và hợp kim hóa vi mô.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng thành phần định tính chỉ ra chiến lược hợp kim điển hình và vai trò của từng loại thay vì giới hạn số (giới hạn hóa học thực tế được chỉ định trong các tiêu chuẩn hoặc giấy chứng nhận nhà máy).

Yếu tố	Q420 — Sự hiện diện/vai trò điển hình	Q460 — Sự hiện diện/vai trò điển hình
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp giúp duy trì khả năng hàn và độ bền; tạo nền tảng cho độ bền thông qua quá trình hợp kim hóa và chế biến vi mô.	Tương tự như carbon thấp hoặc carbon thấp được kiểm soát nhẹ để duy trì độ dẻo dai ở cường độ cao hơn.
Mn (Mangan)	Có tác dụng như chất ổn định/cường độ chính; cải thiện khả năng làm cứng và khử oxy.	Có khả năng kiểm soát độ cứng và độ bền tương tự hoặc cao hơn một chút.
Si (Silic)	Chất khử oxy; dùng một lượng vừa phải để tăng cường sức mạnh.	Vai trò tương tự; hạn chế trong việc xem xét khả năng hàn.
P (Phốt pho)	Giữ ở mức tạp chất thấp để duy trì độ dẻo dai.	Giữ ở mức thấp; thường kiểm soát chặt chẽ hơn để tránh hiện tượng giòn khi năng suất cao hơn.
S (Lưu huỳnh)	Tối thiểu hóa; dung sai gia công đôi khi làm tăng S trong thép đặc biệt, nhưng thép kết cấu giữ S ở mức thấp.	Tối thiểu hóa; ưu tiên kiểm soát chặt chẽ.
Cr (Crom)	Có thể có một lượng nhỏ để hỗ trợ quá trình làm cứng.	Có thể có một lượng nhỏ; hỗ trợ độ bền và khả năng làm cứng một cách không đáng kể.
Ni (Niken)	Không phải là chiến lược hợp kim cốt lõi; có thể bổ sung thêm một lượng nhỏ để tăng độ bền.	Tương tự—được sử dụng có chọn lọc để tăng độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp nếu cần.
Mo (Molypden)	Một lượng nhỏ chất bổ sung sẽ cải thiện khả năng tôi luyện và phản ứng ram.	Được sử dụng nếu muốn độ cứng cao hơn cho các phần dày hơn.
V (Vanadi)	Nguyên tố hợp kim vi mô để tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường khả năng kết tủa.	Thường được sử dụng, đôi khi ở mức kiểm soát cao hơn, để đạt năng suất cao hơn với độ dẻo dai chấp nhận được.
Nb (Niobi)	Hợp kim vi mô để tinh chế hạt và tăng cường kết tủa (phổ biến).	Thường được sử dụng và kiểm soát để tăng cường độ thông qua kết tủa và TMCP.
Ti (Titan)	Loại bỏ nitơ và góp phần làm mịn hạt khi sử dụng.	Vai trò tương tự; có thể có ở lượng được kiểm soát.
B (Bo)	Đôi khi cần bổ sung thêm một lượng rất nhỏ để cải thiện khả năng làm cứng.	Có thể sử dụng với lượng nhỏ để tăng khả năng tôi luyện, cho phép tăng cường độ mà không làm tăng hàm lượng cacbon.
N (Nitơ)	Được kiểm soát—lượng dư thừa có thể tạo thành nitrua không mong muốn; được kiểm soát bằng Ti/Nb.	Tương tự như vậy, kiểm soát để cân bằng sự hình thành kết tủa và độ dai.

Giải thích: Cả hai loại thép đều không dựa vào hàm lượng carbon cao để tăng cường độ bền; thay vào đó, hợp kim vi mô (Nb, V, Ti), Mn được kiểm soát và gia công cơ nhiệt (TMCP) là những chiến lược điển hình. Q460 thường sử dụng hợp kim chặt chẽ hơn và kiểm soát quá trình gia công (hoặc thêm một chút hợp kim vi mô/tác nhân làm cứng) để mang lại giới hạn chảy được đảm bảo cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai và khả năng hàn chấp nhận được.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Câu hỏi 420: Cấu trúc vi mô thường bao gồm ferit mịn với các thành phần peclit hoặc bainit phân tán tùy thuộc vào quá trình làm nguội. Cán nhiệt cơ học và làm nguội có kiểm soát tạo ra hỗn hợp ferit-peclit hoặc ferit-bainit hạt tinh chế với các kết tủa hợp kim vi mô.
• Q460: Để đạt được năng suất cao hơn, Q460 thường thể hiện ma trận ferritic mịn hơn với tỷ lệ bainite hoặc vùng martensite/bainite tôi luyện cao hơn ở các phần dày hơn; mục tiêu là kết tủa hợp kim siêu nhỏ (NbC/Nb(C,N), V(C,N)) và kích thước hạt nhỏ hơn.
• Phản ứng xử lý nhiệt/chế biến:
• Chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh hạt và cải thiện độ dẻo dai; Q460 được hưởng lợi nhiều hơn từ việc kiểm soát chặt chẽ hơn tốc độ làm nguội.
• Làm nguội và ram: Thông thường không áp dụng cho các loại thép Q tiêu chuẩn dùng để tiết kiệm; nếu áp dụng, chúng có thể làm tăng đáng kể độ bền và thay đổi độ dẻo dai, nhưng điều này sẽ đưa vật liệu vào không gian sản phẩm được tôi nguội.
• Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): Được sử dụng rộng rãi cho cả hai phương pháp. TMCP cho phép hàm lượng cacbon thấp hơn và độ bền cao hơn thông qua quá trình kết tinh và kết tủa có kiểm soát, khiến TMCP được ưa chuộng trong sản xuất Q460 để đạt mục tiêu năng suất cao hơn trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	Q420	Câu hỏi 460
Giới hạn chảy (0,2 Rp)	420 MPa (giá trị thiết kế danh nghĩa tối thiểu)	460 MPa (giá trị thiết kế danh nghĩa tối thiểu)
Độ bền kéo (Rm)	Thông thường cao hơn năng suất một hệ số; tùy thuộc vào hình thức sản phẩm và quá trình chế biến (xem ghi chú)	Thông thường cao hơn Q420; biên lợi nhuận phụ thuộc vào hóa chất và quy trình chế biến
Độ giãn dài	Độ dẻo cao hơn so với Q460 đối với phần và quá trình xử lý tương đương	Độ giãn dài giảm nhẹ do mục tiêu cường độ cao hơn; vẫn có thể đáp ứng các yêu cầu về độ dẻo nếu TMCP được tối ưu hóa
Độ bền va đập	Được thiết kế để có độ bền tốt với thành phần được kiểm soát; thường cao hơn Q460 trong điều kiện tương đương	Độ dẻo dai có thể được chấp nhận nhưng đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ hơn về thành phần và chế biến
Độ cứng	Trung bình; phụ thuộc vào quá trình xử lý	Cao hơn Q420 cho độ dày và xử lý tương đương

Lưu ý: Độ bền kéo là một hàm số của độ cứng giới hạn chảy và biến dạng; thường là $R_m \approx 1.1\text{–}1.3 \times R_{p0.2}$ tùy thuộc vào quá trình gia công và hình dạng. Độ bền cơ bản của Q460 cao hơn; do đó, với cùng một hình dạng, nó cho phép giảm độ dày tiết diện nhưng có thể hạn chế quá trình tạo hình và tăng độ nhạy với nhiệt đầu vào trong quá trình hàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và khả năng làm cứng; hợp kim vi mô và hàm lượng cacbon thấp giúp kiểm soát nguy cơ nứt nguội, nhưng các loại có độ bền cao hơn cần phải thận trọng hơn.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Dearden–Bassin): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Cả Q420 và Q460 đều được thiết kế với hàm lượng carbon thấp tương đương để duy trì khả năng hàn. Tuy nhiên, Q460 thường có hàm lượng CE cao hơn một chút do tăng cường hợp kim vi mô và Mn để tăng khả năng tôi. Điều này mang lại: - Độ nhạy cao hơn với hiện tượng nứt nguội do hydro gây ra ở Q460 nếu quá trình xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT) không được áp dụng đúng cách. - Việc đánh giá quy trình hàn quan trọng hơn đối với Q460 đối với các phần dày và dịch vụ nhiệt độ thấp. - Hướng dẫn thực hành: kiểm soát hydro trong vật liệu hàn, áp dụng nhiệt độ nung nóng trước/nhiệt độ giao thoa phù hợp và cân nhắc các quy trình hydro thấp. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy thực hiện PWHT hoặc sử dụng kim loại hàn phù hợp với cấp độ và độ dày.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này là thép HSLA nền cacbon và không có khả năng chống ăn mòn như thép không gỉ. Các chiến lược bảo vệ chống ăn mòn bao gồm:
• Mạ kẽm nhúng nóng, sơn lót giàu kẽm, hệ thống sơn và các lớp phủ khác là phương pháp tiêu chuẩn.
• Việc chuẩn bị bề mặt (làm sạch bằng phương pháp phun cát) và lựa chọn lớp sơn lót phù hợp là rất quan trọng, đặc biệt là đối với các mối hàn và cạnh cắt.
• Những cân nhắc về thép không gỉ: PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho Q420/Q460 vì chúng không phải là thép không gỉ; tuy nhiên, đối với hợp kim thép không gỉ, chỉ số là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với cả Q420 và Q460, mạ kẽm là phương pháp phổ biến cho các kết cấu ngoài trời; các phần dày hơn và thép có độ bền cao có thể cần điều chỉnh quy trình (giảm ứng suất sau mạ kẽm hoặc kiểm tra chất lượng) để tránh các vấn đề liên quan đến hydro.

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

• Cắt: Cắt bằng tia laser, plasma và cưa cơ học hoạt động tốt; độ bền cao hơn (Q460) có thể làm tăng độ mài mòn dụng cụ và hình thành gờ so với Q420.
• Uốn/tạo hình: Q420 thường cho phép tạo hình nhiều hơn trước khi nứt. Q460 có thể tạo hình nhưng đòi hỏi bán kính uốn lớn hơn và quy trình kiểm soát nghiêm ngặt hơn, đặc biệt là ở các tiết diện dày hơn.
• Khả năng gia công: Cả hai đều ở mức trung bình; Q460 có thể khó gia công hơn một chút do có độ bền cao hơn và kết tủa hợp kim siêu nhỏ; khuyến nghị về dụng cụ bao gồm dụng cụ cacbua và chế độ cấp liệu được kiểm soát.
• Hoàn thiện: Xử lý bề mặt và làm thẳng có thể khó khăn hơn đối với Q460 do ứng suất dư và năng suất cao hơn.

8. Ứng dụng điển hình

Q420 — Công dụng điển hình	Q460 — Công dụng điển hình
Dầm kết cấu, cột, chế tạo chung trong đó chi phí và khả năng hàn là yếu tố then chốt	Các công trình dân dụng nặng, cầu, cần cẩu có trọng lượng giảm và độ bền cao hơn là lợi thế
Khung chịu áp lực, máy móc hạng trung	Các thành phần chịu tải trọng cao, các yếu tố kết cấu ngoài khơi (có khả năng chống ăn mòn thích hợp)
Đóng tàu khu vực ăn mòn không quan trọng, kỹ thuật chung	Các thành phần cấu trúc hiệu suất cao, chế tạo chịu ứng suất cao, trong đó việc giảm độ dày có lợi

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q420 khi ưu tiên tính dễ chế tạo, độ dẻo cao hơn và kiểm soát chi phí. - Chọn Q460 khi giảm độ dày tiết diện, tăng khả năng chịu tải hoặc đáp ứng ứng suất thiết kế cao hơn để kiểm soát chế tạo chặt chẽ hơn và có khả năng chi phí vật liệu cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Q460 thường đắt hơn Q420 trên mỗi tấn do kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn, hợp kim vi mô bổ sung và chế biến (TMCP) cần thiết để đảm bảo năng suất cao hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi ở những khu vực có nhu cầu thép kết cấu lớn. Hình dạng sản phẩm (tấm, cuộn, tiết diện hàn) và độ dày ảnh hưởng đến thời gian giao hàng; Q420 có thể được dự trữ phổ biến hơn cho các công trình xây dựng nói chung, trong khi Q460 có thể được sản xuất theo đơn đặt hàng cho các dự án cụ thể hoặc các tấm dày hơn.
• Mẹo mua sắm: Đánh giá tổng chi phí dự án—giá vật liệu so với trọng lượng giảm, lắp dựng nhanh hơn hoặc nhân công chế tạo ít hơn—khi lựa chọn giữa các cấp độ.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	Q420	Câu hỏi 460
Khả năng hàn	Tốt - dễ tha thứ hơn	Công bằng — nhạy cảm hơn với lượng nhiệt đầu vào và kiểm soát hydro
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt; độ dẻo cao hơn	Độ bền cao hơn; cần kiểm soát chặt chẽ hơn để duy trì độ dẻo dai
Trị giá	Thấp hơn (trên mỗi tấn)	Cao hơn (trên mỗi tấn)

Khuyến nghị: - Chọn Q420 nếu bạn cần sự cân bằng mạnh mẽ giữa khả năng hàn, độ dẻo và hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng kết cấu chung, độ dày vừa phải và ưu tiên tính dễ chế tạo. - Chọn Q460 nếu thiết kế của bạn yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn để giảm kích thước tiết diện hoặc đáp ứng nhu cầu tải trọng cao hơn và bạn có thể chấp nhận kiểm soát hàn chặt chẽ hơn, chi phí vật liệu có thể cao hơn và đảm bảo chất lượng nghiêm ngặt hơn (xác nhận quy trình hàn, thử nghiệm va đập).

Lưu ý cuối cùng: Luôn tham khảo các chứng chỉ nhà máy và thông số kỹ thuật của dự án có liên quan. Nếu có thể, hãy so sánh các yêu cầu về đặc tính (giới hạn chảy, độ dẻo dai, quy trình hàn) với tiêu chuẩn và đảm bảo các quy trình hàn và kế hoạch kiểm tra phù hợp với cấp độ và hình dạng sản phẩm đã chọn.