16MnDR so với Q370R – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

16MnDR và ​​Q370R là hai loại thép cacbon-mangan được Trung Quốc chỉ định, thường được xem xét cho các ứng dụng chịu áp suất và kết cấu. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai (đặc biệt là ở nhiệt độ thấp), khả năng hàn, khả năng sản xuất và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu vỏ cho bình chịu áp lực, lựa chọn tấm thép cho các kết cấu hàn chịu nhiệt độ thấp, hoặc chỉ định tấm thép cho chế tạo nặng, trong đó độ dẻo dai sau hàn là rất quan trọng.

Sự khác biệt kỹ thuật quan trọng nhất giữa các loại thép này nằm ở hiệu suất chịu nhiệt độ thấp và các biện pháp luyện kim được áp dụng để đảm bảo hiệu suất này: một loại được tối ưu hóa để cải thiện độ bền cắt ở điều kiện vận hành dưới nhiệt độ môi trường thông qua kiểm soát hóa học và quy trình chế tạo, trong khi loại còn lại nhấn mạnh vào giới hạn chảy cao hơn làm cơ sở cho các thiết kế nhẹ hơn. Vì cả hai đều được sử dụng cho các bộ phận chịu tải hoặc chịu áp suất, các nhà thiết kế so sánh chúng về thành phần, phản ứng xử lý nhiệt, tính chất cơ học và hành vi chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 16 triệu DR
• Thường được tham chiếu trong thực tiễn vật liệu Trung Quốc (các quy ước bắt nguồn từ Anh) cho thép bình chịu áp lực. Đây là loại thép cacbon-mangan hợp kim thấp được sử dụng cho tấm và vỏ.

• Thể loại: Thép cacbon–Mn, thép chế tạo bình chịu áp lực/thép kết cấu chú trọng đến độ dẻo dai (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ).

• Q370R

• Một loại thép Trung Quốc thuộc dòng Q (trong đó Q là viết tắt của giới hạn chảy). Số “370” trên danh nghĩa biểu thị giới hạn chảy tối thiểu tính bằng MPa; hậu tố “R” thường biểu thị ký hiệu bình chịu áp lực trong một số tiêu chuẩn quốc gia.
• Thể loại: Thép kết cấu/bình chịu áp lực cacbon-Mn có độ bền cao (không gỉ, không dùng cho dụng cụ).

Lưu ý: Sự tương đương quốc tế chỉ mang tính chất gần đúng; có thể tìm thấy sự tương đương giữa các cấp EN và ASTM (ví dụ, 16Mn có sự tương ứng gần đúng với một số loại thép chế tạo bình chịu áp suất loại P và Q370R tương tự với một số loại thép kết cấu có độ bền cao hơn), nhưng để có sự hoán đổi chính xác, cần phải kiểm tra các bảng tiêu chuẩn cụ thể và giấy chứng nhận của nhà máy.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần đại diện (wt%). Đây là phạm vi điển hình, không phải là chuẩn mực; hãy luôn kiểm tra giấy chứng nhận thử nghiệm của nhà máy để biết thành phần lô chính xác.

Yếu tố	16MnDR (đại diện)	Q370R (đại diện)
C	0,12–0,22	0,08–0,18
Mn	0,7–1,2	0,6–1,2
Si	0,15–0,35	0,15–0,35
P	≤0,035	≤0,035
S	≤0,035	≤0,035
Cr	- / dấu vết	- / dấu vết
Ni	- / dấu vết	- / dấu vết
Mo	- / dấu vết	- / dấu vết
V	- / dấu vết	- / dấu vết
Lưu ý	- / dấu vết	- / dấu vết
Ti	- / dấu vết	- / dấu vết
B	- / dấu vết	- / dấu vết
N	dấu vết	dấu vết

Giải thích: - Cả hai loại thép này chủ yếu là thép cacbon-mangan. 16MnDR thường được xử lý và kiểm soát để có hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn và kiểm soát độ sạch/độ bền chặt chẽ hơn nhằm duy trì độ bền va đập ở nhiệt độ thấp hơn. Q370R hướng đến giới hạn chảy tối thiểu cao hơn và có thể dựa vào quy trình cán/xử lý nhiệt hơi khác một chút để tăng cường độ bền mà không cần bổ sung quá nhiều hợp kim. - Chiến lược hợp kim hóa: Mn làm tăng độ cứng và độ bền kéo; Si là chất khử oxy và tạo ra độ bền vừa phải; giới hạn thấp của P và S cải thiện độ dẻo dai và khả năng hàn. Các nguyên tố vi hợp kim (V, Nb, Ti) thường chỉ có ở dạng vết hoặc hàm lượng được kiểm soát nếu nhà sản xuất sử dụng quy trình xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát (TMCP) để tăng độ bền mà vẫn giữ được độ dẻo.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• 16MnDR: Thường được giao ở trạng thái thường hóa hoặc cán có kiểm soát với nền ferit-pearlite hoặc ferit-bainite mịn được thiết kế để có độ dẻo dai tốt. Độ tinh luyện hạt và hàm lượng carbon thấp tạo điều kiện cho đặc tính gãy dẻo, đặc biệt là sau khi gia công thường hóa.

• Q370R: Thông thường là hỗn hợp ferit-pearlit hoặc bainit hạt mịn có độ bền cao hơn thu được bằng cách cán có kiểm soát, TMCP hoặc trình tự làm nguội nhẹ để đạt được mục tiêu năng suất cao hơn.

• Phản ứng xử lý nhiệt:

• Chuẩn hóa: Cả hai loại thép đều đáp ứng chuẩn hóa với kích thước hạt được tinh chỉnh và độ dẻo dai được cải thiện. Chuẩn hóa thường được chỉ định cho tấm bình chịu áp lực để đảm bảo cấu trúc vi mô đồng nhất.
• Làm nguội và ram: Q&T làm tăng độ bền và có thể được sử dụng để nâng cao tính chất chịu kéo và chịu nhiệt của Q370R; đối với 16MnDR, Q&T mở rộng ít phổ biến hơn vì loại này thường nhằm mục đích cân bằng độ dẻo dai và khả năng sản xuất hơn là tối đa hóa độ bền.
• Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): Thường được sử dụng để đạt được các đặc tính của loại Q370 với độ dẻo dai tốt mà không cần hợp kim nặng. TMCP tạo ra cấu trúc nền mịn và kiểm soát kết tủa giúp tăng cường độ và duy trì độ dẻo.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình (mang tính đại diện; xác nhận bằng nhà cung cấp/giấy chứng nhận thử nghiệm).

Tài sản	16MnDR (phạm vi điển hình)	Q370R (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (Rm)	~420–560 MPa	~480–640 MPa
Giới hạn chảy (Rp0.2 hoặc ReL)	~300–370 MPa	≥370 MPa (danh nghĩa)
Độ giãn dài (A%)	20–28%	16–25%
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Được thiết kế để có độ bền tốt ở nhiệt độ thấp; được chỉ định ở nhiệt độ dưới 0 (ví dụ: −20 đến 0 °C)	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; giá trị nhiệt độ thấp phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm và quá trình chế biến và có thể thấp hơn 16MnDR
Độ cứng (HB hoặc HRC)	~140–220 HB	~160–260 HB

Giải thích: - Q370R thường là loại thép có độ bền kéo và độ dẻo dai cao hơn, cho phép thiết kế nhẹ hơn khi chịu tải trọng tĩnh nhất định. - 16MnDR được thiết kế và xử lý để duy trì độ bền cắt khía tốt hơn ở nhiệt độ thấp hơn (điều quan trọng đối với bình chịu áp suất hoặc kết cấu vận hành gần hoặc dưới 0 °C). Điều này thường mang lại độ giãn dài cao hơn và hiệu suất cắt khía chữ V Charpy tốt hơn ở nhiệt độ dưới nhiệt độ môi trường so với thép có độ bền tương đương nhưng độ bền kém hơn. - Đánh đổi là đối với một độ dày nhất định, việc lựa chọn Q370R có độ bền cao hơn có thể giảm trọng lượng nhưng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất va đập ở nhiệt độ thấp trừ khi có quy định kiểm soát độ dẻo dai (hóa chất và chế biến).

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn tập trung vào hàm lượng carbon, lượng carbon tương đương (khả năng tôi cứng) và các nguyên tố hợp kim vi mô:

Chỉ số hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm toàn diện hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Giá trị $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn và nguy cơ nứt nguội thấp hơn. Cả 16MnDR và ​​Q370R đều được thiết kế để hàn bằng vật tư tiêu hao thông thường; 16MnDR thường nhắm đến khả năng tôi cứng hiệu dụng thấp hơn một chút hoặc độ dẻo dai được cải thiện để giảm nguy cơ giòn vùng HAZ trong điều kiện nhiệt độ thấp. - Yêu cầu về gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) phụ thuộc vào độ dày và $P_{cm}$. Đối với các tiết diện dày hơn hoặc hàm lượng carbon tương đương cao hơn, nên sử dụng phương pháp gia nhiệt trước và ram có kiểm soát. - Thép TMCP hợp kim vi mô có thể có độ cứng cao hơn thép cacbon thông thường có cùng loại cacbon, đòi hỏi phải chú ý nhiều hơn đến nhiệt độ giữa các lớp hàn trong quá trình hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 16MnDR và ​​Q370R đều không phải là thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon không hợp kim và phụ thuộc vào lớp phủ và khả năng kiểm soát môi trường.
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, sơn lót giàu kẽm, lớp phủ epoxy, lớp phủ polyurethane và bảo vệ catốt cho môi trường ngập nước hoặc khắc nghiệt.
• Chỉ số ăn mòn của thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép cacbon sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với các ứng dụng có tính ăn mòn, hãy chỉ định dung sai ăn mòn, lớp phủ bảo vệ hoặc chọn thép không gỉ/hợp kim.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều có khả năng gia công tương tự như các loại thép cacbon hợp kim thấp khác; độ bền cao hơn (Q370R) có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và yêu cầu tốc độ cắt chậm hơn hoặc dụng cụ cứng hơn khi so sánh với các loại thép có độ bền thấp hơn.
• Khả năng tạo hình: 16MnDR, với độ dẻo dai và độ bền cao hơn, dễ dàng hơn trong các thao tác tạo hình và uốn, đặc biệt là đối với các tiết diện dày hơn hoặc tạo hình ở nhiệt độ thấp hơn. Q370R yêu cầu lựa chọn bán kính uốn cẩn thận hơn và có thể cần tạo hình hỗ trợ nhiệt cho các bán kính hẹp.
• Hàn và xử lý sau hàn: 16MnDR thường được ưu tiên khi độ bền nhiệt độ thấp sau hàn là yếu tố quan trọng. Q370R yêu cầu các thông số hàn chặt chẽ hơn để kiểm soát độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trên các tấm dày hơn.

8. Ứng dụng điển hình

16 triệu DR	Q370R
Vỏ và đầu bình chịu áp suất yêu cầu độ bền cao ở nhiệt độ thấp; bồn chứa phục vụ cho áp suất trung bình; các mặt hàng chế tạo yêu cầu độ bền va đập ở nhiệt độ dưới nhiệt độ môi trường.	Tấm kết cấu cho cầu, cần cẩu, máy móc hạng nặng; các thành phần bình chịu áp lực khi cần độ bền cao hơn để giảm độ dày của mặt cắt; các ứng dụng kết cấu chung với thiết kế chú trọng vào độ bền.
Cơ sở lựa chọn: chọn 16MnDR khi ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ thấp hơn hoặc khi các yêu cầu về quy định/kiểm tra yêu cầu giá trị Charpy tối thiểu. Chọn Q370R khi tối ưu hóa thiết kế ưu tiên năng suất cao hơn và trọng lượng giảm, đồng thời yêu cầu về độ bền ở nhiệt độ thấp thấp hơn hoặc có thể đáp ứng được bằng quy trình gia công.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q370R thường có giá cao hơn một chút so với thép tấm cacbon thông thường có độ bền thấp hơn do được kiểm soát quá trình để đạt được hiệu suất cao hơn, nhưng không cao hơn đáng kể so với nhiều loại thép bình chịu áp lực khác. 16MnDR có thể có giá thành cạnh tranh; quy trình hóa học và xử lý chặt chẽ hơn để tăng độ bền có thể làm tăng chi phí so với các loại thép cơ bản.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường được sản xuất bởi các nhà máy lớn của Trung Quốc và có sẵn rộng rãi ở dạng tấm và cuộn. Tính khả dụng theo độ dày và điều kiện độ bền cụ thể cần được xác nhận với nhà cung cấp; thời gian giao hàng có thể kéo dài đối với các đơn hàng lớn hoặc yêu cầu khắt khe.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: ảnh chụp nhanh so sánh

Hệ mét	16 triệu DR	Q370R
Khả năng hàn	Tốt (được thiết kế để giòn ở vùng HAZ thấp)	Tốt, nhưng khả năng làm cứng cao hơn có thể đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Được điều chỉnh để cải thiện độ bền ở nhiệt độ thấp	Được điều chỉnh để có độ bền kéo cao hơn
Trị giá	Có tính cạnh tranh; chi phí tăng theo thông số kỹ thuật về độ bền chặt chẽ	Có tính cạnh tranh; cao hơn một chút đối với quá trình xử lý cường độ cao

Khuyến nghị: - Chọn 16MnDR nếu ứng dụng của bạn yêu cầu độ dẻo dai chắc chắn ở nhiệt độ dưới nhiệt độ môi trường (bình chịu áp suất, dịch vụ gần nhiệt độ lạnh hoặc thiết kế nhiệt độ thấp được kiểm soát) hoặc nếu bạn ưu tiên độ dẻo dai và độ dẻo dai sau khi hàn. - Chọn Q370R nếu yêu cầu chính của bạn là độ bền kéo cao hơn để giảm thiểu độ dày hoặc trọng lượng của tiết diện và nếu yêu cầu về độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp ở mức vừa phải hoặc có thể đáp ứng được bằng cách kiểm soát quá trình và kiểm tra.

Lưu ý cuối cùng: Các giá trị và phạm vi trong bài viết này chỉ mang tính chất tham khảo. Luôn xác nhận chính xác thành phần hóa học, tính chất cơ học và điều kiện giao hàng từ chứng chỉ kiểm tra nhà máy và thông số kỹ thuật của dự án. Đối với ứng dụng hàn, chịu áp suất hoặc nhiệt độ thấp, hãy nêu rõ các quy trình xử lý nhiệt và năng lượng Charpy hoặc PWHT cần thiết trong tài liệu mua sắm.