S275 so với S355 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

S275 và S355 là hai loại thép kết cấu được sử dụng rộng rãi tại Châu Âu, được quy định trong EN 10025. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, độ bền, khả năng hàn và nhu cầu chế tạo khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm: giảm thiểu trọng lượng trong khi vẫn duy trì biên độ an toàn (ưu tiên độ bền cao hơn), cân bằng giữa tính dễ chế tạo và rủi ro hàn (ưu tiên hàm lượng carbon tương đương thấp hơn), và quản lý chi phí và tính khả dụng của linh kiện.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là S355 được chỉ định có giới hạn chảy tối thiểu cao hơn S275, và nhiều cấp thép S355 kết hợp hợp kim vi mô hoặc các yêu cầu về độ bền nghiêm ngặt hơn, cùng nhau ảnh hưởng đến quá trình xử lý và lựa chọn. Vì cả hai đều là thép kết cấu hợp kim thấp/HSLA với cửa sổ hóa học tương tự, nên chúng thường được so sánh cho dầm, tấm, tiết diện và kết cấu hàn, nơi hiệu suất kết cấu, độ bền và chi phí phải được cân bằng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN: Họ EN 10025 — S275 và S355 là các loại thép kết cấu của Châu Âu (ví dụ: S275JR, S355J0, S355J2).
• ASTM/ASME: Không có loại ASTM tương đương trực tiếp một-một; vai trò tương tự được đảm nhiệm bởi các loại ASTM A36 (cường độ thấp hơn) hoặc ASTM A572 (hợp kim thấp cường độ cao hơn).
• JIS: Tiêu chuẩn Nhật Bản không áp dụng trực tiếp nhưng có thép mềm/thép kết cấu có tính chất tương tự.
• GB (Trung Quốc): Các loại thép kết cấu GB/T có các lớp tương đương; tham khảo các chứng chỉ vật liệu cụ thể thay vì cho rằng có sự tương đương.
• Phân loại: Cả S275 và S355 đều được coi là thép kết cấu cacbon-mangan trong nhóm HSLA (Hợp kim thấp cường độ cao) khi được hợp kim hóa vi mô; chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình của các mác thép S275 và S355 thông dụng. Đây chỉ là phạm vi tham khảo; giới hạn hóa chất chính xác phụ thuộc vào nền đất EN 10025 cụ thể và chứng nhận của nhà sản xuất. Luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy để tính toán thiết kế.

Yếu tố	S275 điển hình (wt%)	S355 điển hình (wt%)
C (Cacbon)	0,10 – 0,20	0,12 – 0,22
Mn (Mangan)	0,60 – 1,50	0,60 – 1,70
Si (Silic)	≤ 0,55 (thường là 0,10–0,35)	≤ 0,55 (thường là 0,10–0,35)
P (Phốt pho)	≤ 0,035 (tối đa được chỉ định)	≤ 0,035 (tối đa được chỉ định)
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,035 (tối đa được chỉ định)	≤ 0,035 (tối đa được chỉ định)
Cr (Crom)	dấu vết – không xác định	dấu vết – đôi khi có mặt
Ni (Niken)	dấu vết – không xác định	dấu vết – đôi khi có mặt
Mo (Molypden)	theo dõi nếu có	theo dõi nếu có
V (Vanadi)	thường không có; một số loại hợp kim siêu nhỏ chứa V	có thể chứa V trong các biến thể hợp kim siêu nhỏ
Nb (Niobi / Cb)	nói chung là không có	thường có mặt với số lượng được kiểm soát đối với một số biến thể S355
Ti (Titan)	tùy chọn có mặt như chất khử oxy	tùy chọn có trong vật liệu hợp kim vi mô
B (Bo)	thường không được sử dụng	hiếm khi được sử dụng trong các lớp kết cấu
N (Nitơ)	thấp, được kiểm soát	thấp, được kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu kiểm soát độ bền cơ bản và khả năng làm cứng; C và Mn cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và khả năng tạo hình. - Silic và một lượng nhỏ Cr, Ni, Mo có thể làm tăng nhẹ độ bền và khả năng tôi. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) cho phép tăng cường độ thông qua quá trình gia cường kết tủa và tinh chỉnh hạt mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon — có lợi cho các biến thể S355 để đạt được năng suất 355 MPa trong khi vẫn duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai. - Hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh được giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và khả năng hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - S275 cán: chủ yếu là ferit với ferit đa giác và một ít perlit tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và hàm lượng cacbon. Kích thước hạt và hình thái ferit được kiểm soát bằng phương pháp cán nhiệt cơ học. - S355 cán: ferit-pearlit có kích thước hạt ferit mịn hơn trong các biến thể hợp kim vi mô; kết tủa cacbon-nitrit (NbC, VC) trong các cấp hợp kim vi mô được tăng cường bằng cách ngăn cản chuyển động trật khớp.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách làm mịn hạt ở mức vừa phải và có độ bền cũng như độ dẻo dai cao hơn một chút; hiếm khi được sử dụng cho các phần kết cấu lớn. - Làm nguội và ram: Không điển hình cho các kết cấu tiêu chuẩn S275/S355; có thể áp dụng cho các biến thể được xử lý nhiệt đặc biệt nhưng nằm ngoài thông lệ EN 10025 thông thường. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): Thông thường, S355 cho năng suất cao hơn và độ dẻo dai tốt hơn mà không cần hàm lượng cacbon cao. TMCP cho hạt mịn hơn và cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo.

Tác động của các tuyến xử lý: - Vật liệu hợp kim vi mô S355/TMCP đạt năng suất cao hơn với ít ảnh hưởng đến khả năng hàn và độ bền hơn so với việc chỉ tăng hàm lượng carbon. - S275 thường có khả năng chịu được tạo hình nguội tốt hơn và ít yêu cầu gia nhiệt hàn trước do có độ bền thấp hơn và hàm lượng cacbon tương đương thường thấp hơn.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là các phạm vi đặc tính cơ học tiêu biểu. Các giá trị phụ thuộc vào nền đất (JR, J0, J2), độ dày và quy trình xử lý; hãy coi các phạm vi này là chỉ dẫn và đối chiếu với các chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy được cung cấp.

Tài sản	S275 (điển hình)	S355 (điển hình)
Giới hạn chảy (MPa, min)	275	355
Độ bền kéo (MPa)	410 – 560	470 – 630
Độ giãn dài (%)	20 – 25 (tùy thuộc vào độ dày)	18 – 22 (tùy thuộc vào độ dày)
Độ bền va đập (Charpy V, J)	JR: 27 J @ +20°C; các biến thể J0/J2 cho nhiệt độ thấp hơn	Có sẵn JR/J0/J2: ví dụ, 27 J @ +20°C (JR) hoặc 27 J @ 0°C / −20°C (J0/J2) tùy thuộc vào nền đất
Độ cứng (HBW, điển hình)	~120 – 180 (thay đổi)	~140 – 200 (thay đổi)

Giải thích: - Độ bền: S355 là loại thép có độ bền cao hơn theo thiết kế (giới hạn chảy quy định cao hơn và phạm vi kéo giãn cao hơn). - Độ bền: Cả hai loại thép đều có thể được cung cấp với mức năng lượng va đập tương đương bằng cách chọn lớp nền phù hợp (ví dụ: JR so với J0/J2). Độ dày và quá trình xử lý nhiệt quyết định hiệu suất độ bền. - Độ dẻo: S275 thường có độ giãn dài cao hơn một chút, giúp dễ dàng hơn trong quá trình tạo hình. - Độ cứng tương quan với độ bền; S355 thường có độ cứng cao hơn, ảnh hưởng đến quá trình gia công và mài mòn dụng cụ.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng carbon và lượng carbon tương đương (độ tôi). Hợp kim vi mô và lượng dư cũng quan trọng.

Chỉ số khả năng hàn chung: - Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tham số thực hành của Viện Hàn 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: - S355 thường có hàm lượng carbon tương đương cao hơn một chút so với S275 do hàm lượng carbon cao hơn và có thể có thêm hợp kim vi mô; điều này làm tăng khả năng xảy ra vùng cứng do hàn và nứt hydro nếu không được quản lý. - Các loại thép hợp kim siêu nhỏ S355 thường dựa vào hàm lượng carbon thấp cộng với việc bổ sung Nb/V/Ti; điều này mang lại độ bền cao hơn với CE được kiểm soát tương đối, giảm thiểu quá trình nung nóng hàn quá mức so với thép có hàm lượng carbon cao. - Hướng dẫn thực tế: đối với các phần dày hơn hoặc dịch vụ ở nhiệt độ thấp, hãy áp dụng nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát theo đánh giá CE hoặc Pcm; sử dụng vật tư tiêu hao phù hợp và xử lý nhiệt sau hàn nếu cần.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả S275 và S355 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn nói chung là tương tự nhau và chỉ giới hạn ở khả năng chống ăn mòn cơ bản điển hình của thép cacbon-mangan thông thường.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ chống ăn mòn trong khí quyển (thường dùng cho các bộ phận kết cấu).
• Hệ thống sơn (sơn lót + sơn phủ) cho các công trình kiến ​​trúc và công trình tiếp xúc với biển.
• Kim loại hóa, lớp phủ polyme hoặc anot hy sinh cho môi trường khắc nghiệt.
• Chỉ số thép không gỉ (PREN) không áp dụng cho S275/S355 vì chúng không phải là thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Công thức này chỉ có ý nghĩa đối với hợp kim thép không gỉ chứa nhiều Cr/Mo/N.

Khi nào nên cân nhắc các vật liệu khác: - Đối với môi trường giàu clorua hoặc có tính ăn mòn hóa học, hãy cân nhắc sử dụng hợp kim chống ăn mòn thay vì chỉ dựa vào lớp phủ.

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

• Cắt: Cắt plasma, oxy-nhiên liệu và laser là phương pháp cắt thông thường. Độ bền cao hơn của S355 có thể đòi hỏi năng lượng cắt cao hơn một chút và chú ý hơn đến các đặc tính của vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).
• Tạo hình/uốn: S275, với độ chảy thấp hơn và độ giãn dài cao hơn một chút, thường dễ tạo hình nguội hơn và có thể chịu được bán kính uốn nhỏ hơn. S355 yêu cầu bán kính uốn lớn hơn hoặc gia nhiệt trước cho hình dạng chặt chẽ để tránh nứt.
• Khả năng gia công: Cả hai đều không được coi là thép gia công tự do; độ bền và độ cứng cao hơn của thép S355 có thể làm tăng độ mài mòn dụng cụ và giảm tốc độ chạy dao. Hãy sử dụng dụng cụ, tốc độ và chất làm mát phù hợp.
• Hoàn thiện: Xử lý bề mặt, nắn thẳng và giảm ứng suất được thực hiện theo quy trình kết cấu thép tiêu chuẩn. Đối với các cụm hàn, việc kiểm soát biến dạng được chú trọng hơn trong S355 do ứng suất giới hạn cao hơn.

8. Ứng dụng điển hình

S275 – Công dụng điển hình	S355 – Công dụng điển hình
Các phần kết cấu nhẹ, dầm phụ, xà gồ, giá đỡ, chế tạo chung khi cường độ vừa phải là đủ và chi phí là yếu tố quan trọng	Dầm chính, các thành phần kết cấu nặng, các bộ phận cầu, kết cấu áo khoác ngoài khơi, đường ray cần cẩu tải trọng cao, nơi có năng suất cao hơn và độ dày tiết diện giảm (tiết kiệm trọng lượng) là quan trọng
Kết cấu thép kiến ​​trúc, sàn catwalk, sàn, giá đỡ mặt tiền	Khung chịu tải trọng cao, tấm nặng, các thành phần kết cấu đòi hỏi ứng suất thiết kế cao hơn hoặc độ dày giảm
Chế tạo hàn tổng quát với hình thành thường xuyên	Các chế tạo ưu tiên độ dẻo dai cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn và độ bền trên trọng lượng cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn S275 khi có chi phí thấp hơn, dễ tạo hình/hàn hơn và có thể chấp nhận được các tiết diện dày hơn. - Chọn S355 khi cường độ chịu kéo cao hơn cho phép tiết diện mỏng hơn và giảm trọng lượng hoặc khi quy định thiết kế yêu cầu giá trị giới hạn chịu kéo tối thiểu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: S355 thường có giá cao hơn S275 do kiểm soát hợp kim chặt chẽ hơn và xử lý bổ sung (TMCP, hợp kim vi mô, thử nghiệm). Mức giá cao hơn tùy thuộc vào điều kiện thị trường và hình thức sản phẩm.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, tấm mỏng, cán mỏng và kết cấu. S355 có thể phổ biến hơn một chút đối với các ứng dụng kết cấu tấm nặng và cường độ cao; S275 thường được sử dụng cho các kết cấu nhẹ hơn.
• Thời gian hoàn thành: Các loại nền đặc biệt (ví dụ: xếp hạng tác động cụ thể, độ dày hoặc các biến thể hợp kim siêu nhỏ) có thể làm tăng thời gian hoàn thành; nên thông báo sớm về thông số kỹ thuật và liên lạc với nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	S275	S355
Khả năng hàn	Tốt (CE thấp hơn)	Tốt–Trung bình (tiềm năng CE cao hơn; hợp kim vi mô giúp ích)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải; độ dẻo tốt	Độ bền cao hơn; có thể duy trì độ dẻo dai tốt với nền đất thích hợp
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (cao cấp hơn cho sức mạnh cao hơn)

Sự giới thiệu: - Chọn S275 nếu bạn cần loại thép kết cấu tiết kiệm chi phí, dễ định hình và hàn cho các ứng dụng có độ bền 275 MPa là đủ, ưu tiên tính đơn giản trong chế tạo và giảm mài mòn khi cắt/dụng cụ, và khi giảm trọng lượng không phải là mục tiêu chính. - Chọn S355 nếu thiết kế của bạn yêu cầu giới hạn chảy cao hơn để giảm độ dày hoặc trọng lượng tiết diện, hoặc khi cần ứng suất thiết kế cao hơn và độ bền được cải thiện (sử dụng nền móng phù hợp). Sử dụng S355 khi chương trình có thể đáp ứng chi phí vật liệu cao hơn một chút, kiểm soát hàn chặt chẽ hơn (gia nhiệt trước/xuyên qua) và có khả năng tăng cường nỗ lực gia công.

Ghi chú cuối cùng: - Luôn chỉ định chính xác nền đường EN 10025 (ví dụ: điều kiện JR, J0, J2 hoặc N/T) và giới hạn độ dày trong tài liệu mua sắm. - Yêu cầu chứng chỉ kiểm tra nhà máy và xác nhận thành phần hóa học và tính chất cơ học để tính toán thiết kế, thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) và lập kế hoạch chế tạo. - Đối với các kết cấu hàn quan trọng hoặc dịch vụ nhiệt độ thấp, hãy đánh giá lượng cacbon tương đương bằng $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ và áp dụng phương pháp gia nhiệt trước hoặc PWHT theo quy định của các tiêu chuẩn và quy tắc hàn.