S275JR so với S355JR – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

S275JR và S355JR là hai trong số những loại thép kết cấu châu Âu được chỉ định phổ biến nhất, được sử dụng trong xây dựng, chế tạo nặng và kỹ thuật tổng hợp. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân nhắc chi phí, độ bền, khả năng hàn và độ dẻo dai cho một ứng dụng nhất định. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc liệu giới hạn chảy cao hơn (để giảm kích thước và trọng lượng tiết diện) có hợp lý với chi phí vật liệu cao hơn hay không, và liệu các hạn chế về chế tạo (hàn, tạo hình) có ủng hộ lựa chọn cường độ thấp hơn hay không.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở giới hạn chảy tối thiểu được đảm bảo và các đặc tính cơ học liên quan: S355JR là phiên bản "nâng cấp" có độ bền cao hơn của dòng thép S275JR và được chỉ định khi cần khả năng chịu tĩnh lớn hơn hoặc giảm độ dày tiết diện. Cả hai loại thép này đều có thành phần hóa học tương tự và đặc tính chế tạo tốt, đó là lý do tại sao chúng thường được so sánh trong thiết kế và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN: EN 10025-2 (thép kết cấu cán nóng) — nguồn chính thức cho các ký hiệu S275JR và S355JR.
• ASTM/ASME: Không có tiêu chuẩn tương đương trực tiếp; các cấp ASTM (ví dụ: A36, A572) khác nhau về yêu cầu hóa học và thử nghiệm. Việc lựa chọn giữa cấp EN và ASTM nên được thực hiện bằng cách tham chiếu chéo các yêu cầu về cơ học và hóa học thay vì chỉ dựa vào tên gọi.
• JIS / GB: Các tiêu chuẩn của Nhật Bản và Trung Quốc có hệ thống chỉ định riêng; các kỹ sư nên lập bản đồ các đặc tính cơ học và hóa học cần thiết thay vì chỉ dựa vào danh pháp.

Phân loại: - Cả S275JR và S355JR đều là thép kết cấu cacbon-mangan, không phải thép không gỉ hay thép dụng cụ. Chúng thường được coi là thép kết cấu thông thường (không phải thép hợp kim cao hay thép dụng cụ) và có thể được sản xuất để có tính chất tương tự như thép HSLA hợp kim thấp khi bổ sung các nguyên tố hợp kim vi mô cụ thể.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Tiêu chuẩn EN 10025 quy định các giới hạn hóa học được thiết kế để mang lại các đặc tính kéo và độ bền kéo dự đoán được cùng với độ dẻo dai phù hợp. Hai loại thép này sử dụng các chiến lược hợp kim thấp, hàm lượng carbon tương tự nhau: carbon để tăng độ bền, mangan để khử oxy và tăng cường, và giới hạn silicon/phốt pho/lưu huỳnh để tăng độ dẻo và khả năng hàn. Các nguyên tố vi hợp kim (V, Nb, Ti) thường có mặt dưới dạng vết hoặc bổ sung có kiểm soát trong một số dòng sản phẩm để cải thiện khả năng kiểm soát hạt và độ dẻo dai.

Bảng: Giới hạn hóa chất điển hình (giới hạn đại diện từ EN 10025-2; giấy chứng nhận nhà máy thực tế có thể thay đổi tùy theo dạng sản phẩm và độ dày)

Yếu tố	S275JR (giới hạn điển hình)	S355JR (giới hạn điển hình)
C (tối đa)	0,22 wt% (xấp xỉ)	0,24 wt% (xấp xỉ)
Mn (tối đa)	1,50–1,60% khối lượng	1,60 wt% (xấp xỉ)
Si (tối đa)	0,55% khối lượng	0,55% khối lượng
P (tối đa)	0,035% khối lượng	0,035% khối lượng
S (tối đa)	0,035% khối lượng	0,035% khối lượng
Cr	thường ≤0,30 wt% (vết)	thường ≤0,30 wt% (vết)
Ni	thường ≤0,30 wt% (vết)	thường ≤0,30 wt% (vết)
Mo	thường ≤0,10–0,15 wt% (vết)	thường ≤0,10–0,15 wt% (vết)
V	dấu vết (nếu có)	dấu vết (nếu có)
Lưu ý	dấu vết (nếu có)	dấu vết (nếu có)
Ti	dấu vết (nếu có)	dấu vết (nếu có)
B	dấu vết (nếu có)	dấu vết (nếu có)
N (tối đa)	~0,012% khối lượng	~0,012% khối lượng

Ghi chú: - Bảng này hiển thị các giá trị tối đa điển hình được sử dụng trong thông số kỹ thuật của nhà máy. EN 10025 bao gồm các yêu cầu phụ thuộc vào độ dày và các biến thể cụ thể của sản phẩm; do đó, hãy luôn kiểm tra chứng chỉ thử nghiệm nhà máy (MTC) để đảm bảo việc mua hàng được chấp nhận. - Cấp S355 có thể bao gồm các biến thể (ví dụ: S355J0, S355J2) với các yêu cầu về va đập khác nhau; JR chỉ ra năng lượng va đập tối thiểu là 27 J ở +20 °C.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu quyết định độ bền và khả năng tôi luyện. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Silic và mangan đóng vai trò là chất khử oxy; silic cũng ảnh hưởng nhẹ đến độ bền. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) làm mịn kích thước hạt và có thể tăng năng suất mà không làm tăng đáng kể lượng C, cho phép cân bằng độ bền và độ dẻo dai một cách thuận lợi. - Giới hạn P và S thấp giúp duy trì độ dẻo và tránh giòn; N được kiểm soát rất quan trọng đối với hành vi kết tủa và độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cấu trúc vi mô cán và chuẩn hóa cho cả hai loại thép này chủ yếu là ferritic-pearlitic trong các sản phẩm tấm và mặt cắt được gia công thông thường. Khi được gia công cơ nhiệt, có thể tạo ra cấu trúc ferritic hạt mịn hơn với các thành phần peclit hoặc bainit phân tán, giúp cải thiện độ bền và độ dai.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa/tinh luyện: Chuẩn hóa (nung nóng trên AC3 và làm mát bằng không khí) có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai, hữu ích cho các tiết diện nặng. Cả hai loại thép đều phản ứng tương tự nhau, nhưng hàm lượng carbon tương đương cao hơn của S355JR khiến việc đạt được độ dẻo dai tương đương trở nên khó khăn hơn một chút ở các tiết diện nặng. - Làm nguội và ram: Thông thường không áp dụng cho thép kết cấu EN "đã cán" để sử dụng cho kết cấu chung; khi áp dụng cho các thành phần hóa học tương tự, làm nguội và ram sẽ tạo ra độ bền cao hơn nhiều và các cấu hình độ dẻo dai khác nhau — sau đó phải chỉ định sản phẩm theo các tính chất cơ học cần thiết thay vì tên loại. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): TMCP có thể được sử dụng để đạt được giới hạn chảy cao hơn mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon. S355JR thường được sản xuất với TMCP để đáp ứng yêu cầu giới hạn chảy cao hơn với độ dẻo dai tốt.

Ý nghĩa thực tiễn: - Cả hai loại thép này chủ yếu được cung cấp ở trạng thái giao hàng (đã cán) cho các ứng dụng kết cấu. Nếu cần xử lý nhiệt vượt quá mức bình thường hóa, hãy chỉ định và chấp nhận những thay đổi tiềm ẩn về chứng nhận và chi phí.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Tính chất cơ học điển hình (giá trị đại diện; xác nhận bằng MTC và giới hạn độ dày)

Tài sản	S275JR	S355JR
Độ bền kéo tối thiểu (ReH)	275 MPa (được đảm bảo)	355 MPa (được đảm bảo)
Độ bền kéo (Rm)	~410–560 MPa (tùy thuộc vào độ dày/hình dạng)	~470–630 MPa (tùy thuộc vào độ dày/hình dạng)
Độ giãn dài (A)	Tối thiểu điển hình ~20–26% (phụ thuộc vào độ dày)	Tối thiểu điển hình ~20–22% (phụ thuộc vào độ dày)
Độ bền va đập (JR)	≥27 J ở +20 °C (phân loại JR)	≥27 J ở +20 °C (phân loại JR)
Độ cứng điển hình	~120–160 HB (khi cuộn)	~140–190 HB (khi cán, cao hơn do độ bền)

Giải thích: - S355JR là vật liệu có độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn, cho phép thiết kế nhẹ hơn hoặc chịu tải cao hơn cho cùng một mặt cắt.
- Độ dẻo (độ giãn dài) có thể thấp hơn một chút ở S355JR do độ bền cao hơn, mặc dù TMCP và hóa học được kiểm soát giúp giảm thiểu sự đánh đổi.
- Độ bền va đập của cả hai biến thể JR đều được chỉ định ở nhiệt độ môi trường xung quanh (+20 °C); nếu cần độ bền ở nhiệt độ thấp, hãy chọn các biến thể có hậu tố J0 hoặc J2 hoặc thay đổi cấp độ cho phù hợp.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố khả năng hàn: - Các yếu tố ảnh hưởng chính: hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (khả năng tôi luyện) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô thúc đẩy quá trình tôi luyện tại vùng chịu nhiệt (HAZ). - Cả S275JR và S355JR đều được đánh giá là tốt đến rất tốt cho hàn thủ công và hàn cơ khí khi sử dụng vật tư hàn và gia nhiệt trước phù hợp. Hàm lượng carbon tương đương cao hơn của S355JR có thể làm tăng nhẹ khả năng tôi cứng vùng HAZ và khả năng nứt nguội, đặc biệt là ở các tiết diện dày hơn.

Công thức dự đoán hữu ích (diễn giải định tính; tính toán bằng phân tích hóa học thực tế khi đánh giá một đĩa cụ thể): - 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: - Chỉ số $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn và yêu cầu gia nhiệt trước thấp hơn. Cả S275JR và S355JR thường nằm trong phạm vi cho phép áp dụng quy trình hàn tiêu chuẩn, nhưng hãy kiểm tra C và Mn thực tế của tấm được cung cấp và sử dụng các công thức để thiết lập nhiệt độ gia nhiệt trước/giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn nếu cần. - Đối với các phần dày, S355JR thường yêu cầu tăng nhiệt độ trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn để tránh hiện tượng cứng HAZ và nứt do hydro hỗ trợ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả S275JR và S355JR đều không gỉ. Đối với việc tiếp xúc với khí quyển và sử dụng kết cấu nói chung, cần bảo vệ bề mặt tùy thuộc vào môi trường: sơn lót và sơn, mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ kim loại (ví dụ: phun kẽm) là phổ biến.
• Đối với môi trường khắc nghiệt (biển, hóa chất), hãy chọn hệ thống bảo vệ hoặc cân nhắc sử dụng hợp kim chống ăn mòn thay vì chỉ dựa vào lớp phủ bề mặt.

PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ liên quan đến hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - PREN không áp dụng cho S275JR hoặc S355JR vì chúng không có đủ Cr, Mo hoặc N để chống ăn mòn thép không gỉ.

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

• Cắt: Cắt plasma, oxy-nhiên liệu và laser thường được sử dụng. S355JR sẽ cần nhiều năng lượng hơn một chút để cắt so với S275JR do độ bền và độ cứng cao hơn.
• Tạo hình và uốn cong: Vật liệu có năng suất thấp (S275JR) thường dễ tạo hình nguội hơn; S355JR có thể tạo hình nhưng có thể cần bán kính uốn lớn hơn hoặc góc uốn giảm để tránh nứt, tùy thuộc vào độ dày và nhiệt độ.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều có thể gia công bằng dụng cụ tiêu chuẩn; độ bền cao hơn ở S355JR dẫn đến lực cắt và độ mài mòn dụng cụ cao hơn một chút.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận sơn, mạ kẽm và hoàn thiện sau gia công. Đối với mạ kẽm, hãy kiểm tra lượng hydro hấp thụ liên quan đến độ dày và cân nhắc giảm ứng suất sau hàn cho các kết cấu hàn quan trọng.

8. Ứng dụng điển hình

S275JR (sử dụng phổ biến)	S355JR (sử dụng phổ biến)
Các mặt cắt xây dựng chung (dầm chữ I, kênh), khung kết cấu nhẹ, cầu nhỏ hàn, lan can, hỗ trợ mặt đất không quan trọng	Các thành phần kết cấu nặng, các bộ phận cần cẩu, khung chịu lực nặng, các kết cấu nhịp dài, các cụm hàn chịu tải trọng cao
Cấu trúc thứ cấp, xà gồ, khung máy móc nhỏ	Khi cần giảm độ dày tiết diện và trọng lượng thấp hơn cho cùng một tải trọng (kỹ thuật giá trị)
Các thành phần nhấn mạnh vào khả năng tạo hình và khả năng gia công nguội	Nơi mà độ bền tĩnh và độ bền mỏi cao hơn được ưu tiên

Cơ sở lựa chọn: - Chọn S275JR khi yếu tố chính là chi phí, tính dễ chế tạo và độ bền phù hợp.
- Chọn S355JR khi cần khả năng chịu tải cao hơn trên một đơn vị diện tích, cho phép tạo ra các phần mỏng hơn hoặc khi chỉ định hệ số thiết kế cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: S355JR thường đắt hơn S275JR trên mỗi tấn do độ bền được đảm bảo cao hơn và quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn một chút. Giá trị chênh lệch thay đổi tùy theo khu vực, nhà máy và dạng sản phẩm.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, tấm mỏng, hình hộp và kết cấu. S275JR thường có sẵn rộng rãi hơn cho các dòng sản phẩm có độ dày thấp hơn ở một số khu vực; S355JR được dự trữ rộng rãi để sử dụng cho kết cấu chính thống.
• Hình thức: Tính khả dụng và thời gian giao hàng có thể phụ thuộc vào độ dày, chiều rộng và tuyến sản xuất (TMCP so với cán thông thường).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Đặc điểm	S275JR	S355JR
Khả năng hàn	Rất tốt (CE thấp hơn)	Rất tốt đến tốt (CE cao hơn một chút)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt cho mục đích sử dụng kết cấu chung	Độ bền cao hơn cho các phần nhẹ hơn; độ dẻo dai tương tự khi được xử lý đúng cách
Chi phí tương đối	Thấp hơn	Cao hơn

Kết luận bằng hướng dẫn thực tế: - Chọn S275JR nếu: bạn cần loại thép kết cấu tiết kiệm, dễ chế tạo cho công trình xây dựng thông thường, trong đó độ bền kéo 275 MPa là đủ, tốc độ chế tạo và khả năng tạo hình là ưu tiên hàng đầu, và hệ thống bảo vệ bề mặt sẽ cung cấp khả năng chống ăn mòn cần thiết. - Chọn S355JR nếu: cần hiệu quả về kết cấu (cường độ chịu kéo cao hơn giúp giảm kích thước và trọng lượng tiết diện), ứng dụng đòi hỏi khả năng chịu tĩnh hoặc chịu mỏi cao hơn hoặc các thông số kỹ thuật yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu của S355; hãy chuẩn bị cho chi phí vật liệu cao hơn một chút và giải quyết các vấn đề kiểm soát hàn tiết diện dày hơn.

Mẹo mua sắm cuối cùng: - Luôn yêu cầu chứng nhận thử nghiệm nhà máy (MTC) và ghi rõ hình dạng sản phẩm, độ dày và nhiệt độ thử nghiệm va đập yêu cầu trong đơn đặt hàng. Sử dụng phân tích hóa học thực tế để tính toán $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ khi thiết lập quy trình hàn và yêu cầu gia nhiệt trước. Điều này đảm bảo cấp thép được chọn đáp ứng cả mục đích thiết kế và tính thực tiễn trong chế tạo.