S235 so với S275 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

S235 và S275 là hai loại thép cacbon kết cấu châu Âu được sử dụng rộng rãi theo tiêu chuẩn EN. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn, khả năng định hình và độ bền khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc chọn mác thép kinh tế hơn cho các kết cấu chịu tải nhẹ so với mác thép có độ bền cao hơn một chút khi kích thước tiết diện, giảm trọng lượng hoặc giới hạn chảy tối thiểu theo quy định là rất quan trọng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa S235 và S275 là giới hạn chảy tối thiểu quy định của chúng: S275 có giới hạn chảy đảm bảo cao hơn S235. Sự khác biệt này quyết định việc lựa chọn trong các ứng dụng chịu lực, nhưng cả hai loại thép này đều tương tự nhau về mặt hóa học và quy trình chế tạo, do đó các yếu tố khác (khả năng hàn, độ bền, tính khả dụng và khả năng bảo vệ bề mặt) thường quyết định lựa chọn cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN: Dòng EN 10025 (phổ biến nhất đối với các biến thể S235, S275 như S235JR, S235J0, S235J2, S275JR, v.v.).
• ASTM/ASME: Không có đơn vị tương đương ASTM trực tiếp nào; các cấp ASTM tương đương thường được chỉ định dựa trên các đặc tính cần thiết thay vì thay thế trực tiếp.
• JIS: Tiêu chuẩn Nhật Bản phân loại thép kết cấu theo cách khác nhau; việc lựa chọn đòi hỏi phải phù hợp dựa trên đặc tính.
• GB (Trung Quốc): Tiêu chuẩn GB bao gồm các loại thép kết cấu có mục đích sử dụng tương tự nhưng không có tên gọi trực tiếp; phù hợp theo yêu cầu về cơ học và hóa học.

Phân loại theo họ thép nói chung: - Cả S235 và S275 đều là thép kết cấu cacbon/hợp kim thấp thông thường (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải hợp kim cao). Một số biến thể cán có thể bao gồm hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) hoặc xử lý nhiệt cơ học, nhưng vẫn được phân loại là thép kết cấu (thường được nhóm với HSLA khi được hợp kim vi mô một cách có chủ đích).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	S235 (sự hiện diện điển hình)	S275 (sự hiện diện điển hình)
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp; kiểm soát khả năng hàn	Hàm lượng carbon thấp; có thể cao hơn một chút so với S235
Mn (Mangan)	Trung bình (yếu tố ảnh hưởng chính đến độ bền và khả năng làm cứng)	Trung bình; giới hạn tương tự hoặc cao hơn một chút để đạt được năng suất mục tiêu
Si (Silic)	Lượng nhỏ (khử oxy)	Số lượng nhỏ
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp (tạp chất)	Giữ ở mức thấp
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp (tạp chất)	Giữ ở mức thấp
Cr, Ni, Mo	Không cố ý pha trộn hợp kim ở cấp độ tiêu chuẩn (có thể có dấu vết)	Như nhau
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Có thể có trong các biến thể được xử lý nhiệt cơ học cụ thể (vết tích đến %) nhỏ	Có thể có trong các biến thể cụ thể
B (Bo)	Thông thường không được thêm vào các lớp tiêu chuẩn	Thông thường không được thêm vào
N (Nitơ)	Được kiểm soát; ảnh hưởng đến quá trình lão hóa và độ dẻo dai	Được kiểm soát

Ghi chú: - Cấp EN quy định giới hạn tối đa tùy thuộc vào độ dày và biến thể (ví dụ: JR, J0). Chiến lược hợp kim chung là sử dụng hóa chất ít cacbon với mangan để đạt được mục tiêu về giới hạn chảy/độ bền kéo trong khi vẫn duy trì khả năng hàn và khả năng tạo hình tốt. Có thể sử dụng phương pháp vi hợp kim và cán nhiệt cơ học để tăng cường độ mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng lại làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu tăng cao. - Mangan góp phần tăng cường độ bền và khả năng làm cứng, đồng thời chống lại hiện tượng giòn do lưu huỳnh. - Silic chủ yếu là chất khử oxy; hàm lượng silic cao hơn có thể làm tăng nhẹ độ bền. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) làm mịn kích thước hạt và tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình gia cường kết tủa và cán có kiểm soát mà không làm tăng lượng cacbon đáng kể.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - S235 và S275 cán và chuẩn hóa chủ yếu có cấu trúc vi mô ferritic-pearlitic. Kích thước hạt và thành phần perlit sẽ thay đổi tùy theo tốc độ làm nguội và quá trình xử lý nhiệt cơ học. - Các biến thể cán nhiệt cơ học hoặc hợp kim vi mô cho thấy kích thước hạt ferit mịn hơn và cacbua/kết tủa phân tán (NbC, VC, TiC), mang lại cường độ giới hạn chảy cao hơn ở mức cacbon hóa học tương tự.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Các loại thép này được thiết kế chủ yếu để sử dụng ở trạng thái cán hoặc chuẩn hóa. Chúng thường không được cung cấp để tôi và ram trừ khi được đặt hàng cụ thể theo một loại thép khác. - Chuẩn hóa (nung nóng trên nhiệt độ tới hạn và làm mát bằng không khí) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô, cải thiện độ dẻo dai. - Làm nguội và ram sẽ làm tăng độ bền và độ dẻo dai nhưng không phổ biến đối với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn S235/S275 và có thể làm thay đổi sự phù hợp với các yêu cầu của EN 10025. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) thường được sử dụng để đạt được độ bền cao hơn (ví dụ, tính chất S275) với hàm lượng carbon thấp bằng cách tinh luyện hạt và phân phối kết tủa hợp kim vi mô.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	S235 (điển hình theo chỉ định EN)	S275 (điển hình theo chỉ định EN)
Cường độ chịu kéo tối thiểu (ReH)	235 MPa (cơ sở chỉ định)	275 MPa (cơ sở chỉ định)
Độ bền kéo (Rm)	Phạm vi điển hình chồng lên các dải thép kết cấu (ví dụ, vài trăm MPa)	Thông thường dải trên cao hơn S235
Độ giãn dài (A)	Độ dẻo nói chung tốt; độ giãn dài thường đủ để tạo hình (thay đổi theo độ dày)	Độ giãn dài thấp hơn một chút ở độ dày tương đương do năng suất cao hơn, nhưng vẫn có độ dẻo tốt
Độ bền va đập	Các biến thể (JR, J0, J2) xác định năng lượng tác động tối thiểu ở nhiệt độ quy định; nhìn chung tốt ở nhiệt độ phòng	Có sẵn các biến thể có độ bền tương tự; lựa chọn phụ thuộc vào nhiệt độ va đập yêu cầu
Độ cứng	Độ cứng từ thấp đến trung bình đặc trưng của thép kết cấu; dễ gia công	Độ cứng trung bình cao hơn một chút do năng suất cao hơn

Giải thích: - S275 là loại thép có độ bền cao hơn theo thiết kế vì độ chảy tối thiểu được đảm bảo cao hơn. Sự gia tăng độ chảy thường đi kèm với sự gia tăng nhẹ về độ bền kéo và giảm nhẹ độ giãn dài/khả năng kéo, nhưng độ dẻo dai có thể được cải thiện bằng cách chọn biến thể JR/J0/J2 phù hợp hoặc sử dụng quy trình xử lý chuẩn hóa. - Vì cả hai loại đều có hàm lượng carbon thấp nên chúng vẫn giữ được độ dẻo dai và độ bền va đập tốt khi được cung cấp trong điều kiện giao hàng phù hợp.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố chính: - Hàm lượng cacbon và hợp kim thấp trong cả S235 và S275 thường mang lại khả năng hàn tốt khi tuân theo các quy trình tiêu chuẩn. - Độ tương đương cacbon cao hơn hoặc sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng nứt nguội; do đó, nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp có thể được chỉ định cho các phần dày hơn hoặc cho các loại thép có CE hoặc Pcm cao hơn.

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

Giải thích: - Đối với cả hai loại thép, giá trị CE và Pcm thường thấp hơn so với thép hợp kim cường độ cao, cho thấy việc hàn dễ dàng với vật tư tiêu hao và quy trình tiêu chuẩn. Tuy nhiên, khi độ dày tăng lên hoặc xuất hiện hiện tượng hợp kim hóa vi mô, cần áp dụng biện pháp kiểm soát độ tăng CE/Pcm và các biện pháp kiểm soát hàn phù hợp (gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn, xử lý nhiệt sau hàn nếu cần). - Chỉ định kim loại hàn phù hợp để phù hợp với các đặc tính cơ học và tránh các mối nối quan trọng không khớp nhau. Đối với các kết cấu chịu tải tuần hoàn hoặc chịu mỏi, cần tính đến ứng suất dư và độ cứng có thể có trong vùng HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• S235 và S275 là thép cacbon không gỉ; chúng không có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển hoặc ăn mòn mạnh. Các chiến lược bảo vệ bao gồm:
• Mạ kẽm nhúng nóng để chống ăn mòn trong khí quyển và tiếp xúc lâu dài ngoài trời.
• Hệ thống sơn và sơn lót (ví dụ: sơn lót epoxy, polyurethane, sơn lót giàu kẽm).

• Lớp phủ cục bộ (phun, quét) hoặc phủ kim loại để sửa chữa và dặm vá.

• Các chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho thép kết cấu không phải thép không gỉ. Để đầy đủ hơn, công thức PREN (dùng cho hợp kim thép không gỉ) là:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không liên quan đến S235/S275 vì hàm lượng crom, molypden và nitơ của chúng rất thấp và không nhằm mục đích chống ăn mòn.

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

• Tạo hình: Cả hai loại thép đều dẻo và dễ tạo hình; S235 thường dễ tạo hình hơn do có giới hạn chảy thấp hơn. Khi cần bán kính uốn hẹp, S235 có thể được ưu tiên, trừ khi thiết kế yêu cầu độ bền cao hơn của S275.
• Uốn cong: Độ đàn hồi lớn hơn một chút đối với S275 do năng suất cao hơn; điều chỉnh dụng cụ/độ uốn cong ngược khi cần thiết.
• Cắt và khoan: Cả hai đều dễ dàng gia công bằng plasma, oxy-nhiên liệu, laser hoặc cơ học. Độ mòn dụng cụ tăng nhẹ theo cường độ; điều chỉnh tốc độ chạy dao và dụng cụ khi chuyển từ S235 sang S275.
• Khả năng gia công: Tốt cho cả hai trường hợp khi ở điều kiện chuẩn hóa/cán; nếu sử dụng các biến thể có độ cứng cao hơn hoặc các sản phẩm hợp kim vi mô nhiều, khả năng gia công có thể giảm.
• Hoàn thiện: Các yêu cầu chuẩn bị bề mặt và sơn lót thông thường là tương tự nhau; quy trình loại bỏ xỉ hàn và mài cũng giống hệt nhau.

8. Ứng dụng điển hình

S235 (sử dụng điển hình)	S275 (sử dụng điển hình)
Các thành phần kết cấu nhẹ đến trung bình: các mặt cắt xây dựng chung, khung, giá đỡ, lan can, các thành phần kết cấu nhẹ	Các thành phần kết cấu nặng hơn đòi hỏi độ bền tối thiểu cao hơn: khung gầm, các bộ phận cần cẩu, dầm và cột lớn hơn
Các phần được tạo hình nguội, khung hàn có độ dẻo cao và khả năng hàn tốt là ưu tiên hàng đầu	Các tình huống yêu cầu mặt cắt ngang nhỏ hơn cho cùng một tải trọng hoặc khi việc tiết kiệm trọng lượng có lợi
Các bộ phận cơ khí không quan trọng, thiết bị nông nghiệp, hàng rào	Các bộ phận cơ khí chịu tải vừa phải, các thành phần chịu tải trong cơ sở hạ tầng, nơi cường độ cao hơn một chút sẽ cải thiện hiệu suất

Cơ sở lựa chọn: - Chọn S235 khi ưu tiên tạo hình, chi phí và dễ hàn và khi yêu cầu về giới hạn chảy thiết kế đạt 235 MPa. - Chọn S275 khi các quy định thiết kế, trường hợp tải trọng hoặc tối ưu hóa trọng lượng/tiết diện yêu cầu năng suất đảm bảo cao hơn (275 MPa) trong khi vẫn duy trì khả năng hàn và độ bền tốt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: S275 thường đắt hơn S235 một chút do thông số kỹ thuật về năng suất cao hơn và đôi khi được kiểm soát chặt chẽ hơn về quy trình/sản xuất. Chênh lệch giá thường ở mức khiêm tốn trên thị trường sản phẩm nhà máy.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi ở dạng tấm, cuộn, thanh và hình dạng kết cấu tại hầu hết các thị trường. S235 cực kỳ phổ biến đối với vật liệu kết cấu nói chung; S275 cũng phổ biến, đặc biệt ở các khu vực hoặc ứng dụng yêu cầu giới hạn chảy cao hơn.
• Hình thức sản phẩm: Tấm và lá có nhiều độ dày khác nhau; sản phẩm dài (góc, kênh) và mặt cắt; tính khả dụng theo độ dày và điều kiện giao hàng (JR, J0, J2; chuẩn hóa; TMCP) thay đổi tùy theo nhà máy và khu vực.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	S235	S275
Khả năng hàn	Tuyệt vời (rất tốt)	Rất tốt nhưng nhạy hơn một chút khi dày hơn hoặc hợp kim siêu nhỏ
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Năng suất tối thiểu thấp hơn; độ dẻo tuyệt vời	Năng suất tối thiểu cao hơn; có sẵn các tùy chọn độ dẻo dai tương tự với điều kiện giao hàng phù hợp
Trị giá	Thông thường thấp hơn	Thông thường cao hơn một chút

Khuyến nghị: - Chọn S235 nếu: - Yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu của thiết kế không vượt quá 235 MPa. - Dễ tạo hình, chi phí thấp và độ dẻo tối đa là những ưu tiên hàng đầu. - Bạn cần có tiêu chuẩn cung cấp rộng nhất cho các bộ phận kết cấu từ nhẹ đến trung bình.

• Chọn S275 nếu:
• Dự án yêu cầu năng suất đảm bảo cao hơn là 275 MPa để giảm kích thước hoặc trọng lượng của tiết diện.
• Cần có tính chất chịu kéo/giới hạn chảy cao hơn một chút mà không cần chuyển sang thép hợp kim cao hơn.
• Bạn muốn có biên độ bền cho các thành phần kết cấu trong khi vẫn duy trì khả năng hàn và độ bền tốt bằng cách xử lý đúng cách.

Lưu ý cuối cùng: Khi lựa chọn giữa S235 và S275, hãy luôn kiểm tra điều kiện giao hàng bắt buộc (JR/J0/J2, chuẩn hóa, TMCP), giới hạn độ dày và bất kỳ ràng buộc cụ thể nào của dự án (quy trình hàn, nhiệt độ va đập, khả năng chống ăn mòn). Hãy lựa chọn mác thép phù hợp với yêu cầu chức năng (tải trọng, độ bền mỏi, môi trường) thay vì chỉ quan tâm đến giá cả để tránh phải gia công lại và đảm bảo hiệu suất lâu dài.