SS400 so với Q235 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SS400 và Q235 là hai trong số những loại thép kết cấu các-bon trơn được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới cho chế tạo, xây dựng và máy móc nói chung. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc các yếu tố đánh đổi như chi phí so với hiệu suất cơ học đảm bảo, khả năng hàn so với độ bền, và tính sẵn có tại địa phương so với việc tuân thủ tiêu chuẩn khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm khung kết cấu, chế tạo hàn và các bộ phận máy móc nói chung, nơi yêu cầu độ dẻo dai dự đoán được và độ dẻo hợp lý.

Mặc dù cả hai loại thép này đều là thép kết cấu carbon thấp với mục đích sử dụng tương tự nhau, nhưng chúng xuất phát từ các hệ thống tiêu chuẩn quốc gia khác nhau và do đó có phạm vi hóa chất và giới hạn tính chất được đảm bảo hơi khác nhau. Sự khác biệt về tiêu chuẩn và thực hành thử nghiệm—không phải là một khoảng cách cơ bản về luyện kim—là lý do tại sao hai loại thép này thường được so sánh trong các cuộc thảo luận về thiết kế và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• SS400: Ký hiệu Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản (JIS) thường được sử dụng cho thép kết cấu thông thường (trước đây là họ JIS G3101 / JIS G3131). Được phân loại là thép kết cấu cacbon thông thường.
• Q235: Ký hiệu thép kết cấu cacbon GB/T 700 của Trung Quốc (một số loại phụ Q235A/B/C/D/E). Được phân loại là thép kết cấu cacbon thông thường.
• Các đơn vị tương đương quốc tế có thể so sánh được:
• ASTM/ASME: ASTM A36 (thường được sử dụng như tiêu chuẩn tương đương của phương Tây cho mục đích sử dụng kết cấu chung, mặc dù không giống hệt).
• EN: S235 (Thép kết cấu châu Âu có phạm vi ứng dụng tương tự; giá trị đảm bảo và thử nghiệm khác nhau).
• Phân loại: Cả SS400 và Q235 đều là thép kết cấu cacbon (mềm) — không phải thép không gỉ, không phải thép công cụ hoặc thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA). Một số dạng sản phẩm có thể bao gồm các biến thể được xử lý bằng phương pháp vi hợp kim hoặc nhiệt cơ, nhưng bản thân các mác thép này được định nghĩa là thép kết cấu cacbon.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là các phạm vi thành phần đại diện (wt%). Các giá trị phản ánh mức tối đa điển hình và phạm vi chung từ các tiêu chuẩn và thông lệ chung tương ứng; các giá trị chính xác phải được xác nhận trên mỗi chứng chỉ nhà máy vì nền đất và giới hạn độ dày có thể thay đổi giới hạn.

Yếu tố	SS400 (đại diện, wt%)	Q235 (đại diện, wt%)
C	≤ 0,25 (phạm vi điển hình 0,05–0,25)	≤ 0,22 (phạm vi điển hình 0,05–0,22)
Mn	≤ 1,60 (thường là 0,3–1,6)	≤ 1,40 (thường là 0,3–1,4)
Si	≤ 0,50 (thường ≤ 0,35)	≤ 0,35
P	≤ 0,050	≤ 0,045
S	≤ 0,050	≤ 0,045
Cr	dấu vết / không xác định (≤0,30 tạp chất điển hình)	dấu vết / không xác định
Ni	dấu vết / không xác định	dấu vết / không xác định
Mo	dấu vết / không xác định	dấu vết / không xác định
V, Nb, Ti, B, N	nói chung là theo dõi / không xác định	nói chung là theo dõi / không xác định

Ghi chú: - Các tiêu chuẩn xác định nồng độ tối đa và tiêu chí chấp nhận; cả hai loại đều cố ý giảm hàm lượng các nguyên tố hợp kim có độ tôi. Việc bổ sung đáng kể Cr, Ni, Mo, V hoặc Nb không phải là một phần trong thành phần điển hình của SS400/Q235. - Các nguyên tố gia cường chính là cacbon và mangan; silic được kiểm soát quá trình khử oxy và có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai khi có hàm lượng cao hơn. - Sự khác biệt nhỏ về mức tối đa (ví dụ, Mn hoặc Si cho phép cao hơn một chút trong SS400) có nghĩa là SS400 có thể có sự khác biệt nhỏ ở một số lô nhà máy, nhưng cả hai đều được thiết kế để trở thành thép kết cấu dẻo, có thể hàn được.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng lại làm giảm khả năng hàn và độ dẻo khi tăng lên. - Mangan làm tăng độ bền và khả năng làm cứng và giúp khử oxy; Mn vừa phải cải thiện độ dẻo dai. - Silic là chất khử oxy và làm tăng độ bền một chút nhưng có thể ảnh hưởng đến tính chất của mối hàn. - Phốt pho và lưu huỳnh được kiểm soát vì chúng làm giảm độ dẻo dai và gây ra hiện tượng giòn và các vấn đề gia công ở mức độ cao.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Trong điều kiện cán nóng hoặc kết tinh lại thông thường, cả SS400 và Q235 đều thể hiện cấu trúc vi mô ferit-perlit. Kích thước hạt và hình thái perlit phụ thuộc vào tốc độ cán và làm nguội.
• Xử lý thông thường: Cán nóng sau đó làm nguội có kiểm soát thường tạo ra cấu trúc ferit-pearlit mịn, cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.
• Phản ứng với xử lý nhiệt:
• Ủ/Chuẩn hóa: Cả hai loại thép đều phản ứng với quá trình ủ và chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai. Chuẩn hóa được sử dụng để đồng nhất và tinh chỉnh cấu trúc vi mô nhằm cải thiện các tính chất cơ học.
• Làm nguội & ram: Các mác thép này không được thiết kế để tôi luyện bằng phương pháp tôi nguội & ram; chúng thiếu hàm lượng hợp kim để tạo ra martensite có độ cứng cao mà không gây ra nguy cơ nứt vỡ quá mức. Nếu được xử lý nhiệt mạnh, thép có thể tạo thành martensite thành từng đoạn mỏng, nhưng độ bền kéo và độ dai sẽ không thể đoán trước.
• Xử lý nhiệt cơ: Đối với cả hai loại thép, việc kiểm soát chặt chẽ hơn quá trình cán và làm nguội nhanh có thể làm tăng nhẹ độ bền và độ dẻo dai; tuy nhiên, chúng vẫn ở chế độ độ bền nhẹ/thấp-trung bình so với thép HSLA hoặc thép tôi & ram.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất cơ học tiêu biểu (xác minh trên giấy chứng nhận vật liệu; tính chất phụ thuộc vào độ dày, phương pháp thử nghiệm và nền đất):

Tài sản	SS400 (điển hình)	Q235 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	400–510 (tùy thuộc vào độ dày)	370–500
Giới hạn chảy (MPa)	≈ 245 (thường được báo cáo cho nhiều độ dày)	235 (năng suất thiết kế danh nghĩa — ký hiệu “Q235”)
Độ giãn dài (% tính bằng 50 mm hoặc 65 mm)	20–26%	20–26%
Độ bền va đập Charpy	Không được chỉ định chung; các lớp nền có thể chỉ định các giá trị (được cải thiện bằng cách chuẩn hóa)	Không được chỉ định chung; một số nền đường/điều kiện thử nghiệm chỉ định các giá trị
Độ cứng (HB)	~120–170 HB (điều kiện cán nóng điển hình)	~120–170 HB

Giải thích: - Q235 được đặt tên theo giới hạn chảy tối thiểu danh nghĩa là 235 MPa; SS400 thường có giới hạn chảy đảm bảo tương tự hoặc cao hơn một chút tùy thuộc vào độ dày và sản phẩm. Ở nhiều dạng sản phẩm, sự khác biệt về cường độ thực tế là không đáng kể. - Độ dẻo và độ dai ở cả hai đều đủ cho mục đích sử dụng kết cấu chung; độ dai được cải thiện bằng cách chỉ định các đặc tính va đập được chuẩn hóa hoặc thử nghiệm. - Không có loại nào được thiết kế để sử dụng ở độ cứng cao hoặc nhiệt độ cao.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (khả năng tôi cứng) và lượng còn lại của các nguyên tố hợp kim.

Công thức tương đương cacbon phổ biến được sử dụng để đánh giá khả năng hàn: - 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: - Cả SS400 và Q235 đều có hàm lượng carbon thấp và nồng độ các nguyên tố tôi thấp, do đó giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ của chúng thấp hơn so với thép hợp kim hoặc thép cường độ cao. Điều này đồng nghĩa với khả năng hàn tốt với các quy trình hàn hồ quang thông thường (SMAW, MIG/MAG, TIG). - Vì Q235 thường có hàm lượng cacbon tối đa thấp hơn một chút nên có thể hàn dễ hơn mà không cần làm nóng trước; tuy nhiên, các tiêu chuẩn về quy trình hàn thực tế nên sử dụng hóa chất chứng chỉ của nhà máy, độ dày mặt cắt và thiết kế mối nối để thiết lập nhiệt độ làm nóng trước/nhiệt độ giao thoa. - Việc hợp kim hóa vi mô hoặc hàm lượng Mn/Si cao hơn trong một lô cán cụ thể có thể làm tăng nhẹ khả năng tôi luyện; đối với các phần dày, cần phải gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp để tránh nứt nguội và nứt hydro.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SS400 và Q235 đều là thép cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và phụ thuộc vào môi trường và cách tiếp xúc.
• Chiến lược bảo vệ:
• Lớp phủ chắn (sơn), mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện kẽm và lớp phủ polyme là những biện pháp bảo vệ tiêu chuẩn cho môi trường ngoài trời hoặc môi trường ăn mòn.
• Bảo vệ catốt được sử dụng cho các công trình chôn hoặc chìm dưới nước.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ áp dụng cho hợp kim không gỉ và không có ý nghĩa đối với thép cacbon thông thường như SS400 hoặc Q235.

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

• Khả năng định hình/uốn cong: Cả hai loại thép đều có khả năng định hình và uốn cong tốt ở trạng thái cán nóng. Bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào độ dày và độ dẻo quy định; Q235 và SS400 có đặc tính tương tự nhau.
• Cắt và gia công: Khả năng gia công ở mức trung bình. Các loại thép có hàm lượng carbon thấp hơn và lưu huỳnh được kiểm soát giúp cải thiện khả năng gia công; không loại thép nào được tối ưu hóa cho gia công tốc độ cao.
• Hoàn thiện bề mặt: Bề mặt cán nóng được chấp nhận cho nhiều mục đích sử dụng kết cấu; phun bi, mài hoặc tẩy rửa được thực hiện trước khi sơn hoặc hàn nếu cần.
• Tạo hình nguội: Cả hai đều có thể được tạo hình nguội; độ đàn hồi và ứng suất dư phụ thuộc vào độ dày và thành phần hóa học chính xác.

8. Ứng dụng điển hình

Công dụng điển hình của SS400	Q235 Công dụng điển hình
Dầm, cột và dầm kết cấu được sản xuất theo yêu cầu của JIS; thép xây dựng cho khung tòa nhà	Các thành phần kết cấu chung, cụm hàn và cấu hình tại Trung Quốc; máy móc xây dựng và máy móc hạng nhẹ
Cán hình dạng, tấm và tấm dùng cho chế tạo cơ khí khi cần tuân thủ tiêu chuẩn JIS	Tấm, cuộn, thanh và phần cho chế tạo chung theo tiêu chuẩn GB
Cầu hàn, cần trục và sàn khi tiêu chuẩn JIS được chấp nhận và thử nghiệm được chỉ định	Khung, giá đỡ, thùng chứa và cấu trúc thương mại đa năng, trong đó chi phí và tính khả dụng tại địa phương là yếu tố quan trọng

Cơ sở lựa chọn: - Lựa chọn dựa trên mã thiết kế yêu cầu, tiêu chuẩn được nêu trong hợp đồng, chuỗi cung ứng địa phương và bất kỳ yêu cầu kiểm tra cơ học hoặc va đập cụ thể nào. Ví dụ, các dự án áp dụng tiêu chuẩn JIS thường sẽ gọi là SS400; các dự án sử dụng tiêu chuẩn GB sẽ gọi là Q235.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai loại thép này đều là thép cacbon thương phẩm và có giá gần bằng nhau; biến động thị trường địa phương, thuế quan và hậu cần quyết định giá thành cuối cùng. Q235 có thể rẻ hơn ở những khu vực có nguồn cung thép từ Trung Quốc dồi dào; SS400 có thể dễ dàng tìm được nguồn cung hơn ở những nơi có dây chuyền sản xuất đạt tiêu chuẩn JIS.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, cuộn, tấm mỏng, thanh và hình dạng kết cấu. Thời gian giao hàng thường ngắn đối với các kích thước tiêu chuẩn; độ dày đặc biệt hoặc báo cáo thử nghiệm nhà máy được chứng nhận có thể làm tăng thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	SS400	Câu hỏi 235
Khả năng hàn	Rất tốt (C thấp, hợp kim thấp)	Rất tốt (C thấp hơn một chút; hợp kim thấp)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt; độ bền kéo/độ chảy đảm bảo thường cao hơn một chút ở một số dạng sản phẩm	Tốt; được thiết kế cho năng suất danh nghĩa 235 MPa
Chi phí và tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi ở những nơi có sản phẩm JIS; giá cả thay đổi tùy theo khu vực	Có sẵn rộng rãi ở Trung Quốc và các khu vực có nguồn cung từ Trung Quốc; thường có giá cạnh tranh

Kết luận: - Chọn Q235 nếu: - Dự án của bạn chỉ định các tiêu chuẩn GB/T hoặc bị hạn chế mua sắm đối với nguồn cung ứng vật liệu tại Trung Quốc. - Bạn cần một loại thép kết cấu thông dụng có giá thành cạnh tranh, giới hạn chảy danh nghĩa ≈ 235 MPa và khả năng hàn tốt cho các sản phẩm hàn thông thường. - Chọn SS400 nếu: - Thiết kế, hợp đồng hoặc khách hàng của bạn chỉ định các tiêu chuẩn JIS hoặc bạn yêu cầu các hình thức sản phẩm và phương pháp thử nghiệm cụ thể liên quan đến việc tuân thủ JIS. - Bạn cần các giới hạn cơ học được đảm bảo khác biệt đôi chút theo JIS cho một số độ dày nhất định hoặc bạn thích các nhà cung cấp và chứng chỉ liên quan đến hệ sinh thái JIS.

Lưu ý cuối cùng: SS400 và Q235 có thể thay thế cho nhau trong nhiều ứng dụng kết cấu chung, nhưng chúng được quản lý bởi các tiêu chuẩn khác nhau. Luôn kiểm tra các chứng chỉ nhà máy cụ thể, bảo hành theo độ dày và bất kỳ thử nghiệm va đập hoặc xử lý đặc biệt nào được yêu cầu trước khi lựa chọn cuối cùng.