S355 so với S460 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

S355 và S460 là hai loại thép kết cấu được sử dụng rộng rãi trong các thông số kỹ thuật của dòng EN 10025. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan khi lựa chọn giữa thép giá rẻ, dễ chế tạo và vật liệu có độ bền cao hơn, cho phép kết cấu nhẹ hơn hoặc giảm kích thước tiết diện. Những đánh đổi điển hình bao gồm khả năng hàn so với độ bền, dễ chế tạo so với giảm trọng lượng, và độ bền có sẵn ở nhiệt độ thiết kế.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là S460 có giới hạn chảy tối thiểu cao hơn S355, đạt được thông qua kiểm soát thành phần và xử lý nhiệt cơ hoặc hợp kim hóa vi mô. Do cơ sở hóa học và các tùy chọn xử lý của chúng trùng lặp, các mác thép này thường được so sánh khi tối ưu hóa hiệu quả kết cấu, quy trình hàn và chi phí trọn đời.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN: Cả S355 và S460 đều được quy định trong EN 10025 (ví dụ: EN 10025-2 dành cho thép kết cấu không hợp kim). Các biến thể bao gồm hậu tố cho các đặc tính chịu va đập (JR, J0, J2) và cho quá trình gia công (M = cán nhiệt cơ, N = chuẩn hóa).
• ISO: Các tên gọi tương đương có thể xuất hiện trong danh sách thép kết cấu ISO, nhưng tên EN phổ biến nhất ở Châu Âu.
• ASTM/ASME: Các loại thép này không khớp trực tiếp với các cấp ASTM (ASTM sử dụng các thành phần hóa học và danh pháp khác nhau); việc lựa chọn giữa thép EN và ASTM đòi hỏi phải so sánh tính chất thay vì thay thế tên trực tiếp.
• JIS/GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản (JIS) và Trung Quốc (GB) có các cấp thép kết cấu riêng; bảng tham chiếu chéo được sử dụng để có thể hoán đổi cho nhau.
• Phân loại: Cả S355 và S460 đều là thép kết cấu loại HSLA (hợp kim thấp cường độ cao)—thép cacbon-mangan không gỉ, có thể chứa các nguyên tố hợp kim vi lượng (Nb, V, Ti) để tăng cường độ bền và độ dẻo dai. Chúng không phải là thép dụng cụ hợp kim hoặc thép không gỉ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	S355 điển hình (các biến thể EN 10025)	S460 điển hình (các biến thể EN 10025)
C (tối đa)	~0,20–0,24 wt% (thay đổi tùy theo biến thể)	~0,16–0,22 wt% (thay đổi tùy theo biến thể)
Mn (điển hình)	≤1,60% khối lượng	≤1,60% khối lượng
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	theo dõi đến mức thấp (không bắt buộc)	theo dõi đến mức thấp
Ni	theo dõi đến mức thấp	theo dõi đến mức thấp
Mo	theo dõi đến mức thấp	theo dõi đến mức thấp
V (hợp kim siêu nhỏ)	có thể có trong các biến thể hợp kim vi mô	thường được sử dụng trong các loại hợp kim vi mô
Nb (hợp kim siêu nhỏ)	có thể có mặt	thường được sử dụng trong các biến thể S460M/N
Ti (hợp kim siêu nhỏ)	đôi khi có mặt	đôi khi có mặt
B (mức ppm)	có thể trong các biến thể hợp kim siêu nhỏ	có thể trong các biến thể hợp kim siêu nhỏ
N (được kiểm soát)	được kiểm soát về độ dẻo dai	được kiểm soát về độ dẻo dai

Ghi chú: - Giá trị chỉ mang tính chất tham khảo. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào cấp nền EN 10025 (ví dụ: S355JR, S355J0, S355J2, S460M, S460N) và chứng nhận của nhà sản xuất. - S460 thường đạt được giới hạn chảy cao hơn thông qua cán nhiệt cơ học (TMCP) và hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) thay vì tăng đáng kể hàm lượng cacbon. - Chiến lược hợp kim: duy trì hàm lượng carbon thấp và phốt pho/lưu huỳnh được kiểm soát để có khả năng hàn và độ bền; thêm các nguyên tố hợp kim vi mô để tinh chỉnh kích thước hạt và thúc đẩy quá trình gia cường kết tủa mà không ảnh hưởng đến khả năng hàn.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon: tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu quá nhiều. - Mangan: tăng cường độ bền và khả năng làm cứng; với lượng được kiểm soát, nó hỗ trợ quá trình khử oxy và tăng độ dẻo dai. - Si: chất khử oxy; mức độ vừa phải giúp tăng độ bền nhưng có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai. - Nb, V, Ti: các nguyên tố hợp kim vi mô giúp tăng cường độ thông qua quá trình tinh luyện hạt và làm cứng kết tủa với tác động tiêu cực tối thiểu đến khả năng hàn khi giữ ở nồng độ thấp. - Mo, Cr, Ni: không phải là thành phần chính trong các loại này nhưng có thể ảnh hưởng đến khả năng tôi cứng và khả năng chống ăn mòn nếu có.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - S355 (cán/chuẩn hóa): cấu trúc vi mô ferit–perilit có hạt tương đối thô trong điều kiện cán phẳng; độ dẻo dai được cải thiện nhờ chuẩn hóa. - S460 (TMCP hoặc chuẩn hóa): ferit hạt mịn hơn với hàm lượng bainite/martensite đã được tôi luyện được kiểm soát trong một số sản phẩm cán nhiệt cơ học; kết tủa hợp kim siêu nhỏ làm mịn kích thước hạt và tăng thêm độ bền.

Tác động của các tuyến xử lý: - Chuẩn hóa: nung lại và làm mát bằng không khí giúp tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại; các biến thể S460 có chữ “N” được chuẩn hóa để đảm bảo các đặc tính đồng nhất. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): được sử dụng rộng rãi cho S460M để đạt được độ bền cao hơn ở mức hàm lượng carbon tương đương thấp hơn — tạo ra ferit/ma trận mịn, có độ bền cao với độ dẻo dai được cải thiện. - Làm nguội và ram: không điển hình đối với các loại thép kết cấu tiêu chuẩn S355/S460 (chúng được giao dưới dạng cán hoặc chuẩn hóa); làm nguội và ram là một phương pháp khác được sử dụng cho thép hợp kim có độ bền cao hơn, tôi và sẽ thay đổi đáng kể các đặc tính vượt quá thông số kỹ thuật của loại EN.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	S355 (điển hình)	S460 (điển hình)
Giới hạn chảy tối thiểu (0,2 Rp)	~355 MPa (sản phẩm phẳng theo EN 10025)	~460 MPa
Độ bền kéo (Rm)	~470–630 MPa (tùy thuộc vào biến thể và độ dày)	~510–680 MPa (tùy thuộc vào biến thể và độ dày)
Độ giãn dài (A, % phút)	~20–22% (tùy thuộc vào độ dày; thấp hơn khi độ dày tăng)	~14–20% (phụ thuộc vào độ dày và biến thể)
Độ bền va đập (Charpy V)	Được chỉ định theo biến thể (ví dụ: 27 J ở +20°C / 0°C / −20°C tùy thuộc vào JR/J0/J2)	Thường được chỉ định cho nhiệt độ thấp hơn (các biến thể đảm bảo độ bền tương đương hoặc được cải thiện ở nhiệt độ thiết kế)
Độ cứng (điển hình, không phải HT)	Thấp-trung bình (phụ thuộc vào cấu trúc; thường ở phạm vi độ cứng thấp hơn đối với thép kết cấu)	Trung bình (cường độ cao hơn thường mang lại độ cứng cao hơn một chút)

Giải thích: - S460 là loại thép có độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn; độ bền tăng chủ yếu thông qua hợp kim vi mô và TMCP, không phải nhờ vào việc tăng đáng kể hàm lượng cacbon. - S355 có xu hướng dẻo hơn một chút (độ giãn dài cao hơn) trong nhiều so sánh sản phẩm/biến thể do yêu cầu ứng suất thử thấp hơn. - Độ bền phụ thuộc vào từng loại; cả hai loại đều có thể được chỉ định với các yêu cầu về độ va đập phù hợp với ứng dụng ở nhiệt độ thấp. S460 được thiết kế để duy trì độ bền ở mức cường độ cao hơn thông qua quy trình xử lý được kiểm soát.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng carbon, lượng carbon tương đương và hợp kim vi mô. Các công thức dự đoán phổ biến bao gồm:

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

• Tham số toàn cầu hơn ($P_{cm}$) cho khả năng nứt mối 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 định tính: - Cả S355 và S460 nhìn chung đều có thể hàn được với điều kiện nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và vật liệu hàn phù hợp. Do khả năng tôi cứng cao hơn nhờ hợp kim vi mô và độ bền cao hơn một chút, S460 có thể yêu cầu quy trình hàn được kiểm soát chặt chẽ hơn (giới hạn nhiệt đầu vào thấp hơn, nung nóng trước hoặc xử lý nhiệt sau hàn cao hơn trong một số trường hợp) so với S355 để tránh nứt nguội. - Giá trị tương đương cacbon của các biến thể EN S355 và S460 điển hình thường ở mức thấp đến trung bình so với thép hợp kim tôi, nhưng các biến thể S460M/N có thể có CE cao hơn do bổ sung Nb/V. Luôn tính toán CE hoặc $P_{cm}$ cho thành phần hóa học và độ dày của nhà sản xuất để xác định lựa chọn vật tư tiêu hao và gia nhiệt trước.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả S355 và S460 đều không phải là thép không gỉ; chúng thiếu crom hoặc niken đáng kể để hình thành lớp màng thụ động. Do đó, khả năng chống ăn mòn được bảo vệ bằng lớp phủ và thiết kế:
• Mạ kẽm nhúng nóng, sơn lót giàu kẽm cùng hệ thống sơn, mạ kim loại hoặc lớp lót chống ăn mòn là phổ biến.
• Thiết kế để thoát nước, tránh các khe hở và sử dụng lớp phủ hy sinh khi cần thiết.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép kết cấu không phải thép không gỉ, nhưng để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này có liên quan đến hợp kim thép không gỉ và không có ý nghĩa đối với S355/S460.

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

• Cắt: Cả hai loại thép đều có thể cắt bằng plasma, oxy-nhiên liệu, laser và tia nước. Thép S460 có độ bền cao hơn có thể bị mài mòn dụng cụ và độ đàn hồi cao hơn một chút khi cắt bằng lửa do độ cứng cao hơn.
• Uốn/tạo hình: S355 dễ uốn nguội và tạo hình hơn do ứng suất chảy thấp hơn; S460 yêu cầu lực tạo hình cao hơn và kiểm soát độ đàn hồi chặt chẽ hơn. Giới hạn tạo hình phụ thuộc vào độ dày, xử lý nhiệt và biến thể.
• Khả năng gia công: Cả hai đều là thép cacbon/vi hợp kim tiêu chuẩn; khả năng gia công nhìn chung ở mức trung bình. Độ bền cao hơn và kết tủa vi hợp kim của S460 có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công và tăng độ mài mòn của dụng cụ cắt.
• Hoàn thiện: Các phương pháp xử lý bề mặt (phun cát, sơn, mạ kẽm) đều giống nhau đối với cả hai loại; các cân nhắc về gia nhiệt trước và giảm ứng suất cho các cụm hàn khác nhau tùy theo từng loại.

8. Ứng dụng điển hình

S355 — Công dụng điển hình	S460 — Công dụng điển hình
Xây dựng các kết cấu (dầm, cột) ở nơi có đủ cường độ tiêu chuẩn	Cầu và các kết cấu nhịp dài có cường độ cao hơn làm giảm kích thước tiết diện
Các thành phần cấu trúc chung, khung và nền tảng	Khung máy móc hạng nặng có yêu cầu tiết kiệm trọng lượng
Tòa nhà thép hàn và kết cấu thép thứ cấp	Các thành phần kết cấu hiệu suất cao trong kết cấu thép ngoài khơi/trên bờ, nơi mà độ bền trên trọng lượng là rất quan trọng
Các phần, tấm và cấu hình được chế tạo để chịu tải trọng vừa phải	Dầm cầu trục, kết cấu hàn lớn và các cấu trúc cần giảm độ dày vật liệu

Cơ sở lựa chọn: - Chọn S355 khi chi phí, tính dễ chế tạo và hiệu suất kết cấu tiêu chuẩn là những yếu tố quan trọng hàng đầu. Đây thường là lựa chọn mặc định cho các kết cấu xây dựng và chế tạo nói chung. - Chọn S460 khi thiết kế được hưởng lợi từ cường độ chịu kéo cao hơn — ví dụ, để giảm kích thước thành phần, đáp ứng các yêu cầu về độ võng hoặc độ cong vênh chặt chẽ hơn hoặc tiết kiệm trọng lượng trong các hệ thống hạn chế vận chuyển — với điều kiện các biện pháp kiểm soát hàn và chế tạo được thực hiện.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: S460 thường đắt hơn S355 trên mỗi tấn do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn (TMCP/chuẩn hóa), hàm lượng hợp kim vi mô tiềm ẩn và sản lượng thấp hơn. Mức chênh lệch giá thay đổi tùy theo thị trường, dạng sản phẩm và độ dày.
• Tính khả dụng: S355 có sẵn rộng rãi hơn ở dạng tấm, mặt cắt cán nóng và hình dạng kết cấu. S460 có sẵn rộng rãi cho dạng tấm và mặt cắt kết cấu nhưng có thể mất nhiều thời gian hơn cho các độ dày, mức độ xử lý hoặc biến thể va đập cụ thể.
• Hiệu ứng hình thức sản phẩm: Các tấm và cuộn có đặc tính S460M/N được chứng nhận có thể có nguồn cung hạn chế hơn so với tiêu chuẩn S355; bộ phận mua sắm nên xem xét thời gian giao hàng và trình độ của nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	S355	S460
Khả năng hàn	Tốt (quy trình chuẩn)	Tốt đến trung bình (có thể cần kiểm soát chặt chẽ hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo tốt	Độ bền cao hơn với độ dẻo dai được thiết kế thông qua TMCP
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (cao cấp hơn cho sức mạnh/xử lý cao hơn)

Chọn S355 nếu: - Ưu tiên hàng đầu là tính đơn giản trong chế tạo, tính phổ biến rộng rãi và chi phí vật liệu thấp. - Có thể đáp ứng được tải trọng thiết kế và các ràng buộc về trọng lượng mà không cần các phần có độ bền cao. - Cần có quy trình hàn tiêu chuẩn và kiểm soát quá trình hàn trước/sau hàn thường xuyên.

Chọn S460 nếu: - Hiệu quả về kết cấu và giảm trọng lượng là rất quan trọng (ví dụ: nhịp dài, dầm cầu trục, vận chuyển hạn chế). - Dự án có thể hỗ trợ kiểm soát hàn/chế tạo chặt chẽ hơn và có thể tăng chi phí vật liệu để đạt được lợi ích về vòng đời hoặc hiệu suất. - Thiết kế yêu cầu độ bền va đập và giá trị ứng suất thử cao hơn.

Lời kết: Cả S355 và S460 đều được thiết kế để mang lại hiệu suất kết cấu đáng tin cậy; việc lựa chọn được quyết định bởi giới hạn chảy yêu cầu, các ràng buộc chế tạo, yêu cầu về nhiệt độ/độ bền thiết kế và tổng chi phí sở hữu. Luôn kiểm tra các giới hạn hóa học và cơ học chính xác từ chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp và thực hiện kiểm tra hàm lượng cacbon tương đương và quy trình hàn cho các sản phẩm chế tạo quan trọng.