316 so với 316L – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép không gỉ austenit loại 316 và 316L là hai trong số những loại thép được chỉ định rộng rãi nhất trong công nghiệp, từ đường ống và bình chịu áp suất đến thiết bị xử lý hóa chất và bề mặt tiếp xúc thực phẩm. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa độ bền cao hơn một chút, khả năng chế tạo, khả năng chống ăn mòn và giá cả khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các cụm hàn, nơi ăn mòn liên hạt hoặc nhạy cảm hóa là mối quan tâm, so với các ứng dụng ưa thích giới hạn chảy cao hơn một chút hoặc chi phí vật liệu thấp hơn.

Sự khác biệt cơ bản nằm ở hàm lượng carbon được kiểm soát: biến thể "L" được sản xuất với hàm lượng carbon tối đa thấp hơn để giảm nguy cơ kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt sau khi hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm. Sự khác biệt này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bị ăn mòn giữa các hạt và ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu trong các chi tiết hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và chỉ định quốc tế chung cho các cấp độ này bao gồm:

• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm, lá) — UNS S31600 (316), UNS S31603 (316L)
• EN: EN 10088-2 / EN 10088-3 (thép không gỉ) — X5CrNiMo17-12-2 (316), X2CrNiMo17-12-2 (316L)
• JIS: SUS316, SUS316L
• GB (Trung Quốc): 0Cr17Ni12Mo2 và 00Cr17Ni12Mo2 (tương ứng gần đúng)

Phân loại: Cả thép 316 và 316L đều là thép không gỉ austenit (thép không gỉ). Chúng không phải là thép cacbon, hợp kim, thép dụng cụ hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hai loại thép này về cơ bản có chung các nguyên tố hợp kim chính (Cr, Ni, Mo) với biến số kiểm soát chính là cacbon. Dưới đây là bảng thành phần ngắn gọn thể hiện các giới hạn chung hoặc phạm vi điển hình theo quy định của các tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi. Các giá trị được biểu thị dưới dạng phần trăm khối lượng (wt%); khi tiêu chuẩn đặt ra giá trị tối đa, giá trị đó sẽ được hiển thị.

Yếu tố	316 (giới hạn điển hình)	316L (giới hạn điển hình)
C	≤ 0,08 wt% (tối đa)	≤ 0,03–0,035 wt% (tối đa)
Mn	≤ 2,0 wt% (tối đa)	≤ 2,0 wt% (tối đa)
Si	≤ 1,0 wt% (tối đa)	≤ 1,0 wt% (tối đa)
P	≤ 0,045 wt% (tối đa)	≤ 0,045 wt% (tối đa)
S	≤ 0,030 wt% (tối đa)	≤ 0,030 wt% (tối đa)
Cr	16,0–18,0 wt% (điển hình)	16,0–18,0 wt% (điển hình)
Ni	10,0–14,0 wt% (điển hình)	10,0–14,0 wt% (điển hình)
Mo	2,0–3,0 wt% (điển hình)	2,0–3,0 wt% (điển hình)
V	Không xác định / theo dõi	Không xác định / theo dõi
Nb (Cb)	Thông thường không có (trừ khi ổn định)	Thông thường không có (trừ khi ổn định)
Ti	Thông thường không có (trừ khi được ổn định như 316Ti)	Không thường xuyên có mặt
B	Không thường xuyên có mặt / dấu vết	Không thường xuyên có mặt / dấu vết
N	Kiểm soát ở mức thấp (vết tích)	Kiểm soát ở mức thấp (vết tích)

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - Crom (Cr) tạo thành lớp màng oxit thụ động giúp thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn. - Niken (Ni) ổn định cấu trúc vi mô austenit và cải thiện độ dẻo dai và khả năng tạo hình. - Molypden (Mo) làm tăng khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường có chứa clorua. - Carbon làm tăng độ bền thông qua quá trình gia cường dung dịch rắn và có thể góp phần hình thành cacbua tại ranh giới hạt khi kết hợp với crom và tiếp xúc nhiệt. Việc giảm hàm lượng carbon trong 316L giúp giảm thiểu sự kết tủa crom cacbua và cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả 316 và 316L đều là austenit hoàn toàn sau khi ủ dung dịch; cấu trúc vi mô là austenit lập phương tâm mặt (FCC) với một lượng nhỏ ferit delta có thể có trong một số cấu trúc vi mô đúc hoặc hàn. - Kết tủa cacbua: Ở nhiệt độ khoảng 425–870°C (khoảng nhạy cảm), cacbon và crom có ​​thể tạo thành cacbua giàu crom ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) tại ranh giới hạt. Điều này làm cạn kiệt crom gần ranh giới hạt và làm tăng khả năng bị ăn mòn giữa các hạt.

Phản ứng và xử lý nhiệt: - Ủ dung dịch (thường dùng trong quá trình xử lý cuối cùng): Đun nóng đến nhiệt độ tạo dung dịch (ví dụ: 1.000–1.100°C) sau đó làm nguội nhanh để khôi phục cấu trúc austenit pha đơn và hòa tan kết tủa cho cả hai loại. - Thường hóa và làm nguội không thường được sử dụng đối với thép không gỉ austenit vì chúng không chuyển thành martensite; xử lý nhiệt cơ học (làm nguội sau đó ủ dung dịch) phổ biến hơn. - 316L ít bị kết tủa cacbua trong quá trình làm nguội chậm hoặc chu kỳ nhiệt sau hàn do hàm lượng cacbon thấp hơn; điều này cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt mà không cần phải ủ dung dịch sau hàn trong nhiều trường hợp. - Các biến thể ổn định (ví dụ: 316Ti hoặc 316Cb/Nb) cố ý thêm Ti hoặc Nb để liên kết cacbon thành cacbua ổn định và do đó ngăn ngừa sự hình thành crom cacbua—hữu ích khi dịch vụ nhiệt độ cao ngăn cản quá trình ủ dung dịch.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học định lượng phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm (tấm, thanh, ống), chế độ gia công nguội và xử lý nhiệt. Thay vì các con số cố định, phép so sánh thực tế là:

Tài sản	316	316L
Độ bền kéo	Tương tự (độ bền kéo cực đại tương đương)	Tương tự
Cường độ chịu kéo	Cao hơn một chút (do C cao hơn)	Thấp hơn một chút (năng suất giảm)
Độ giãn dài / Độ dẻo	Tương đương, độ dẻo tốt	Độ dẻo tương đương, thường cao hơn một chút
Độ bền va đập	Tương đương và nói chung là tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Có thể so sánh và nhìn chung là tốt
Độ cứng	Tương tự / phụ thuộc vào công việc lạnh	Tương tự; thấp hơn một chút trong điều kiện ủ

Tại sao lại có những khác biệt này: - Carbon góp phần tạo nên độ bền kéo thông qua sự hiện diện của dung dịch rắn và cacbua tiềm ẩn; 316 thường có độ bền kéo cao hơn một chút so với 316L trong điều kiện ủ. - Hàm lượng carbon thấp hơn trong 316L có thể cải thiện độ dẻo và độ bền một chút và được ưa chuộng ở những nơi yêu cầu độ dẻo sau khi hàn là rất quan trọng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả hai loại thép đều tuyệt vời so với nhiều loại thép khác; thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi trong chế tạo hàn. Những cân nhắc chính về khả năng hàn:

• Hiệu ứng cacbon: Hàm lượng cacbon thấp hơn làm giảm lực dẫn đến kết tủa crom cacbua trong quá trình làm mát sau khi hàn; do đó, 316L có khả năng chống nhạy cảm với mối hàn tốt hơn so với 316.
• Độ cứng: Thép không gỉ austenit không chuyển thành martensite khi nguội, do đó hiện tượng nứt hydro ít đáng lo ngại hơn so với thép ferritic hoặc martensitic. Tuy nhiên, hiện tượng nứt nóng và hình thành pha sigma trong một số chu kỳ nhiệt nhất định có thể có liên quan.
• Sử dụng kim loại độn: Hợp kim độn phù hợp hoặc vượt trội (ví dụ: ER316L) thường được sử dụng để duy trì khả năng chống ăn mòn.

Các phương trình có liên quan được các kỹ sư hàn sử dụng (chỉ mang tính chất giải thích định tính): - Tương đương crom/tương đương cacbon để đánh giá khả năng tôi hoặc khả năng hàn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số dự đoán phức tạp 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: - Giá trị $C$ thấp hơn làm giảm cả sự đóng góp của $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ và do đó cho thấy xu hướng hình thành các pha có hại thấp hơn khi làm mát chậm hơn hoặc tiếp xúc kéo dài. Do đó, 316L đạt điểm cao hơn trong các chỉ số này để giảm thiểu nguy cơ nhạy cảm. - Ý nghĩa thực tiễn: Đối với các kết cấu hàn có thời gian giữ nhiệt đẳng nhiệt dài hoặc làm nguội chậm trong phạm vi nhạy cảm, nên sử dụng thép 316L hoặc thép cấp ổn định; đối với các chu kỳ hàn ngắn và ưu tiên độ bền, thép 316 có thể được chấp nhận nếu có quy trình phù hợp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Bối cảnh thép không gỉ: - Đối với thép không gỉ, số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) thường được sử dụng để so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ trong môi trường clorua: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Vì 316 và 316L có hàm lượng Cr và Mo tương tự nhau, nên khả năng chống rỗ nội tại của chúng về cơ bản là tương đương nhau (giả sử hàm lượng nitơ tương đương nhau). Sự khác biệt quan trọng nằm ở điều kiện sau hàn hoặc tiếp xúc nhiệt: hàm lượng carbon thấp hơn của 316L làm giảm sự suy giảm crom ở ranh giới hạt và do đó làm giảm khả năng bị ăn mòn giữa các hạt.

Bối cảnh không gỉ: - (Không áp dụng ở đây; đối với thép không gỉ, các hệ thống bảo vệ như mạ kẽm hoặc phủ sẽ được thảo luận.)

Khi chỉ số không áp dụng được: - PREN hữu ích trong việc phân loại hợp kim đặc biệt về khả năng rỗ trong môi trường chứa clorua. Phương pháp này không nắm bắt được khả năng chống ăn mòn nói chung, tính chất cơ học hoặc khả năng bị ăn mòn giữa các hạt do kết tủa cacbua.

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

• Khả năng tạo hình: Cả 316 và 316L đều có khả năng tạo hình tuyệt vời (kéo sâu, uốn cong) nhờ tính dẻo của austenit. 316L có thể dễ tạo hình hơn một chút trong điều kiện ủ do giới hạn chảy thấp hơn một chút.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit có khả năng làm cứng; khả năng gia công nhìn chung ở mức trung bình đến kém so với thép cacbon. 316 và 316L có khả năng gia công tương tự nhau, mặc dù các thông số quy trình và dụng cụ quyết định khả năng kiểm soát phoi thực tế và độ hoàn thiện bề mặt.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều sử dụng lớp hoàn thiện thông thường cho thép không gỉ (đánh bóng, phun bi, thụ động hóa). Thụ động hóa sau khi chế tạo được khuyến nghị để phục hồi lớp màng thụ động giàu crom, đặc biệt là sau khi hàn hoặc tẩy gỉ.
• Hàn và xử lý sau hàn: 316L làm giảm nhu cầu ủ dung dịch sau hàn trong nhiều trường hợp; tuy nhiên trong các ứng dụng có tính ăn mòn cao hoặc khi cần khả năng chống chịu tối đa, ủ dung dịch vẫn có thể được chỉ định.

8. Ứng dụng điển hình

316	316L
Bộ trao đổi nhiệt, máy bơm và van trong dịch vụ hàng hải và hóa chất (nơi có vật liệu 316 tiêu chuẩn hoặc có độ bền cao hơn một chút)	Đường ống quy trình hóa học, thiết bị dược phẩm và thiết bị y tế, nơi tính toàn vẹn của mối hàn và khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn là rất quan trọng
Đồ buộc, phụ kiện và phần cứng dùng cho mục đích hàng hải và kiến ​​trúc	Các bồn chứa hàn lớn, bình phản ứng và đường ống ở những nơi có khả năng làm mát chậm hoặc tiếp xúc với nhiệt sau khi hàn
Thiết bị chế biến thực phẩm đa năng	Bồn chứa và đường ống siêu lạnh có hàm lượng carbon thấp giúp giảm thiểu nguy cơ kết tủa cacbua và nơi thường xuyên tạo hình/hàn sau khi chế tạo
Các thành phần mà vật liệu tiêu chuẩn 316 tiết kiệm hơn và phương pháp chế tạo không gây nhạy cảm	Bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu giảm thiểu rủi ro nhạy cảm mà không cần ổn định hóa hoặc ủ dung dịch

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 316 khi có thể chấp nhận được giới hạn chảy cao hơn một chút mà không cần độ nhạy hàn đặc biệt và chi phí/tính khả dụng cao. - Chọn 316L khi quá trình chế tạo liên quan đến hàn rộng rãi, tiếp xúc với nhiệt sau khi hàn hoặc khi quy định/thực hành công nghiệp yêu cầu cấp độ carbon thấp để tránh ăn mòn giữa các hạt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 316L thường có giá cao hơn 316 một chút do kiểm soát chặt chẽ hơn đối với carbon và đôi khi phải xử lý thêm; tuy nhiên, mức chênh lệch giá trên thị trường không đáng kể và thay đổi tùy theo khu vực và điều kiện cung ứng.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, đĩa, thanh, ống và ống dẫn. 316 thường phổ biến hơn trong kho hàng hóa; 316L có sẵn ở dạng ống, tấm và phụ kiện hàn và liền mạch do nhu cầu rộng rãi trong ngành dược phẩm, hóa dầu và thực phẩm.
• Các dạng sản phẩm đặc biệt hoặc có thời gian giao hàng dài (rèn lớn, tấm dày) có thể có thời gian giao hàng dài; hãy chỉ định loại sớm trong quá trình mua sắm để đảm bảo nguồn cung và tránh tình trạng thay thế.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chuẩn	316	316L
Khả năng hàn	Tốt; nguy cơ nhạy cảm tăng so với 316L	Tốt hơn cho các cụm hàn; nguy cơ nhạy cảm thấp hơn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền kéo cao hơn một chút; UTS và độ dẻo dai tương tự	Độ bền kéo thấp hơn một chút; độ dẻo dai và độ dai tương đương
Trị giá	Thấp hơn một chút (thường xuyên)	Cao hơn một chút (thường xuyên)

Sự giới thiệu: - Chọn 316 nếu thiết kế của bạn ưu tiên độ bền kéo cao hơn một chút, quy trình chế tạo giảm thiểu thời gian trong phạm vi nhạy cảm (thực hiện làm nguội nhanh hoặc ủ dung dịch sau hàn) hoặc khi chi phí/khả năng tồn kho ưu tiên 316. - Chọn 316L nếu lắp ráp của bạn bao gồm hàn rộng, làm nguội chậm hoặc tiếp xúc với dịch vụ có thể gây nhạy cảm; nếu các quy định hoặc tiêu chuẩn chất lượng yêu cầu vật liệu có hàm lượng carbon thấp; hoặc khi khả năng chống ăn mòn liên hạt sau hàn được tối đa hóa là quan trọng.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Đối với các ứng dụng quan trọng ở nhiệt độ cao hoặc có tính ăn mòn cao, hãy cân nhắc các phương pháp thay thế—thép không gỉ ổn định (316Ti/316Cb), các dòng thép không gỉ hợp kim cao hơn (ví dụ: duplex, superaustenitic), ủ dung dịch sau hàn, hoặc chỉ định kim loại phụ phù hợp. Luôn luôn xem xét các quy định hiện hành và mức độ tiếp xúc với môi trường với các kỹ sư về ăn mòn và hàn trước khi hoàn tất lựa chọn vật liệu.