A vs B – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm, người lập kế hoạch sản xuất và các chuyên gia trong ngành thường phải đối mặt với quyết định lựa chọn giữa hai loại thép thường được chỉ định - ở đây được gọi là Cấp A và Cấp B. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm cân bằng giữa độ dẻo dai và độ dẻo với độ bền và khả năng chống mài mòn, đánh đổi chi phí và tính dễ chế tạo với hiệu suất sử dụng và khả năng xử lý nhiệt phù hợp với yêu cầu thiết kế.

Đặc điểm phân biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim carbon và đặc tính độ bền va đập của chúng: một loại được tối ưu hóa cho hàm lượng carbon thấp hơn và độ bền xuyên suốt chiều dày cũng như khả năng hàn cao hơn, trong khi loại còn lại nhấn mạnh vào độ bền cao hơn thông qua việc tăng hàm lượng carbon hoặc hợp kim hóa vi mô, làm giảm độ bền cán trừ khi được xử lý nhiệt thích hợp. Những cách tiếp cận tương phản này khiến thép loại A và thép loại B trở thành lựa chọn thay thế phổ biến trong các ứng dụng kết cấu, chịu áp suất và gia công cơ khí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và hệ thống chỉ định chung mà các loại cấp bậc này xuất hiện bao gồm:

• ASTM / ASME: ví dụ, nhiều loại thép cacbon và thép hợp kim thấp, thép kết cấu và thép bình chịu áp suất được quy định trong các ký hiệu ASTM A-series và các ký hiệu tương đương của ASME.
• EN (Châu Âu): EN 10025 (kết cấu), EN 10113–10130 (cán nguội), EN 10250+ (thanh), v.v.
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản): phổ biến đối với thép tấm và thép thanh ở Châu Á.
• GB (Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc): được sử dụng rộng rãi trong các thông số kỹ thuật của chuỗi cung ứng Trung Quốc.

Phân loại điển hình theo loại: - Loại A — thường được biểu thị bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp (thép mềm, thép kết cấu hoặc loại thép chuẩn hóa có hàm lượng cacbon thấp). - Cấp B — thường được biểu thị bằng thép có hàm lượng carbon trung bình/cao, thép hợp kim vi mô hoặc thép hợp kim (được thiết kế để có độ bền, khả năng chống mài mòn hoặc khả năng làm cứng cao hơn).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hai loại này áp dụng các triết lý hợp kim khác nhau: Loại A ưu tiên hàm lượng carbon thấp hơn và bổ sung độ cứng tối thiểu để duy trì độ dẻo và khả năng hàn; Loại B tăng hàm lượng carbon hoặc sử dụng các nguyên tố hợp kim và vi hợp kim để tăng độ bền và khả năng cứng.

Yếu tố	Hạng A (chiến lược điển hình)	Hạng B (chiến lược điển hình)	Ghi chú
C (Cacbon)	Tương đối thấp; ưu tiên về độ dẻo và khả năng hàn	Cao hơn hoặc cao hơn được kiểm soát; được sử dụng để tăng cường độ bền và độ cứng tiềm năng	Carbon ảnh hưởng mạnh đến độ bền, độ cứng và khả năng tôi luyện
Mn (Mangan)	Vừa phải; hỗ trợ sức mạnh và khử oxy	Từ trung bình đến cao; tăng cường khả năng làm cứng và độ bền kéo	Mn hỗ trợ sức mạnh nhưng làm tăng CE nếu quá mức
Si (Silic)	Thấp-trung bình; khử oxy và kiểm soát sự bật trở lại	Thấp-trung bình; vai trò tương tự, đôi khi giữ ở mức thấp để hàn	Si ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa và một số quá trình tăng cường
P (Phốt pho)	Kiểm soát chặt chẽ; chỉ còn lại	Kiểm soát chặt chẽ nhưng đôi khi cao hơn một chút ở một số cấp độ bền cao hơn	P có thể làm giòn ranh giới hạt nếu quá nhiều
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp; cải thiện khả năng gia công khi cố ý tăng	Giữ ở mức thấp trừ khi gia công tự do	S cải thiện khả năng gia công nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai
Cr (Crom)	Thông thường thấp hoặc không có	Có trong thép hợp kim; cải thiện khả năng làm cứng và chống ăn mòn/mài mòn	Cr làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng chịu nhiệt
Ni (Niken)	Thấp hoặc không có	Có thể có tác dụng cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Ni là một nguyên tố hợp kim có độ dẻo dai hiệu quả
Mo (Molypden)	Thường vắng mặt	Được sử dụng để tăng khả năng làm cứng và khả năng chống tôi	Mo làm tăng khả năng tôi luyện và duy trì các đặc tính ở nhiệt độ
V (Vanadi)	Dấu vết trong các biến thể hợp kim thấp vi hợp kim	Được sử dụng trong thép hợp kim vi mô để tăng cường kết tủa	V tạo thành cacbua/nitrit để gia cố hạt mịn
Nb (Niobi)	Hiếm ở các biến thể carbon đơn giản	Có trong các loại hợp kim vi mô để tinh chỉnh hạt và tăng cường độ	Nb có hiệu quả ở nồng độ thấp
Ti (Titan)	Dấu vết để ổn định ở một số cấp độ	Được sử dụng tương tự để liên kết N và tinh chế hạt	Ti kiểm soát nitơ và có thể cải thiện khả năng tạo hình
B (Bo)	Không điển hình	Bổ sung một lượng nhỏ để tăng khả năng làm cứng ở mức thấp	B mạnh; đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ
N (Nitơ)	Kiểm soát mức thấp	Được kiểm soát; tương tác với các nguyên tố hợp kim vi mô	N có thể tạo thành nitrua; ảnh hưởng đến độ dẻo dai và độ cứng kết tủa

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Tăng hàm lượng cacbon và các nguyên tố làm cứng giúp tăng cường độ bền và khả năng chống mài mòn nhưng lại làm giảm độ bền va đập khi cán và khả năng hàn. - Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) tạo ra độ bền cao hơn với cấu trúc vi mô mịn hơn trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai, nhưng chúng làm phức tạp chu trình nhiệt và có thể làm tăng khả năng giòn nếu không được xử lý đúng cách.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình khác nhau do thành phần và quá trình xử lý:

Hạng A: - Cán hoặc chuẩn hóa: chủ yếu là ferit với các đảo perlit trong các biến thể cacbon thấp; perlit thô chiếm thiểu số. - Phản ứng xử lý nhiệt: Chuẩn hóa tạo ra ferit-pearlit tinh chế có độ dẻo dai tốt; tôi không phổ biến trừ khi có thêm hợp kim. - Gia công nhiệt cơ: Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tăng giới hạn chảy trong khi vẫn giữ được độ dẻo.

Hạng B: - Cán hoặc chuẩn hóa: có thể chứa bainite, martensite đã tôi hoặc cấu trúc perlit cứng hơn tùy thuộc vào cacbon và hợp kim. - Phản ứng xử lý nhiệt: Phản ứng với chu trình làm nguội và ram để tạo ra độ bền cao với martensite ram; tôi cảm ứng và tôi bề mặt thường được sử dụng để chống mài mòn bề mặt. - Xử lý nhiệt cơ học: TMCP kết hợp với hợp kim vi mô tạo ra các cấu trúc bainit hạt mịn hoặc hỗn hợp có độ dẻo dai và độ bền cân bằng nhưng đòi hỏi khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác.

Hiệu ứng xử lý: - Việc chuẩn hóa có xu hướng cải thiện tính đồng nhất và độ dẻo dai cho cả hai loại nhưng đặc biệt hữu ích đối với loại A để phát triển cấu trúc vi mô dẻo có thể dự đoán được. - Làm nguội và ram là phương pháp chính để sản xuất thép Cấp B khi cần độ bền và độ cứng cao; quá trình ram phải được tối ưu hóa để khôi phục độ dẻo dai. - Xử lý nhiệt cơ học có thể cung cấp độ bền cao với độ dẻo dai chấp nhận được ở thép hợp kim vi mô cấp B, nhưng lại nhạy cảm với quy trình.

4. Tính chất cơ học

Trình bày hành vi cơ học so sánh một cách định tính (phạm vi phụ thuộc vào quy trình và hợp kim).

Tài sản	Hạng A	Hạng B	Nhận xét
Độ bền kéo	Trung bình — được thiết kế để có kết cấu dẻo dai	Cao hơn — được thiết kế để tăng độ bền kéo và năng suất	Cấp B đạt được độ bền kéo cao hơn thông qua cacbon/hợp kim hoặc xử lý nhiệt
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Cao hơn	Hợp kim vi mô hoặc xử lý nhiệt làm tăng năng suất ở cấp B
Độ giãn dài	Độ dẻo cao hơn	Độ dẻo thấp hơn (trừ khi được tôi luyện hoặc xử lý để tăng độ dẻo dai)	Hàm lượng carbon cao hơn làm giảm độ dẻo ở cùng độ bền
Độ bền va đập	Nói chung là cao hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp	Thấp hơn ở trạng thái cán; có thể được cải thiện bằng cách tôi luyện/hợp kim	Độ dẻo dai phụ thuộc vào cấu trúc vi mô và kiểm soát tạp chất
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn (sau khi cứng lại)	Độ cứng tương quan với hàm lượng cacbon và độ cứng

Giải thích: - Loại A là lựa chọn an toàn hơn khi độ dẻo, khả năng chống va đập và chế tạo được ưu tiên. - Loại B được ưa chuộng khi cần độ bền tĩnh, độ cứng bề mặt hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn, với điều kiện áp dụng phương pháp xử lý nhiệt hoặc thiết kế hợp kim phù hợp để đáp ứng các yêu cầu về độ bền.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương, hàm lượng hợp kim và độ dày. Hai ước tính thực nghiệm thường được sử dụng là:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Và

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cấp A: Hàm lượng carbon và hợp kim thấp hơn thường mang lại giá trị tương đương carbon thấp và do đó khả năng hàn tốt với yêu cầu gia nhiệt trước/sau thấp hơn. Điều này làm giảm nguy cơ nứt nguội do hydro và đơn giản hóa quá trình chế tạo. - Cấp B: Hợp kim có hàm lượng cacbon và độ cứng cao hơn làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, cho thấy thường cần phải nung nóng trước cao hơn và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn để tránh hiện tượng tôi và nứt mối hàn. Các nguyên tố hợp kim vi mô tinh chỉnh hạt có thể cải thiện độ dẻo dai nhưng không phải lúc nào cũng làm giảm nguy cơ nứt mối hàn.

Khuyến nghị thực tế: - Đối với Cấp B, hãy tuân thủ các quy trình hàn đạt tiêu chuẩn (PQR/WPS), kiểm soát hydro, sử dụng phương pháp gia nhiệt trước/chuyển tiếp thích hợp và chọn kim loại hàn phù hợp để quản lý độ bền HAZ và ứng suất dư. - Cân nhắc xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) khi cần thiết theo quy định về bình chịu áp suất hoặc để khôi phục độ dẻo dai.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Các biến thể không gỉ: - Cả loại A và loại B đều không phải là thép không gỉ bản chất trừ khi được chỉ định; khả năng chống ăn mòn đạt được thông qua lớp phủ (mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện kẽm), lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn tĩnh điện) hoặc xử lý rào cản (phốt phát, lớp phủ chuyển đổi).

Các biến thể chống gỉ hoặc chống ăn mòn: - Nếu Cấp B đại diện cho thép hợp kim có hàm lượng Cr đáng kể hoặc các nguyên tố chống ăn mòn khác, thì chỉ số ăn mòn như PREN sẽ được áp dụng:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

• PREN chỉ có ý nghĩa đối với các loại hóa chất không gỉ; không áp dụng được cho các loại thép cacbon đơn giản không có lớp crom bảo vệ.

Hướng dẫn lựa chọn: - Sử dụng thép mạ kẽm hoặc sơn loại A cho kết cấu chung. - Đối với môi trường có tính ăn mòn (môi trường clorua, nhiệt độ cao), hãy chọn hợp kim chống ăn mòn hoặc thép không gỉ; đánh giá PREN khi hiệu suất của thép không gỉ là yếu tố quan trọng.

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

• Khả năng định hình và uốn cong: Loại A, với hàm lượng carbon thấp hơn và cấu trúc vi mô dẻo hơn, dễ định hình và uốn cong mà không bị nứt. Loại B yêu cầu quy trình xử lý cẩn thận và có thể cần ủ hoặc ram có kiểm soát trước khi định hình.
• Khả năng gia công: Thép loại B có hàm lượng carbon cao hơn có thể khó gia công hơn nhưng có thể bẻ phoi tốt hơn cho một số thao tác nhất định; khả năng gia công phụ thuộc nhiều vào xử lý nhiệt và hàm lượng lưu huỳnh.
• Hoàn thiện bề mặt: Cấp A thường dễ phủ lớp phủ hơn; Cấp B có thể yêu cầu xử lý trước hoặc điều chỉnh độ cứng bề mặt để thực hiện các thao tác hoàn thiện (mài, đánh bóng).

8. Ứng dụng điển hình

Hạng A — Công dụng điển hình	Hạng B — Công dụng điển hình
Dầm kết cấu, chế tạo chung, khung hàn, đường ống áp suất thấp, tấm thân ô tô, phần cán nguội	Các thành phần có độ bền cao, trục, bánh răng, tấm chịu mài mòn, các thành phần kết cấu được tôi và ram, dụng cụ, các bộ phận máy được xử lý nhiệt
Cơ sở lựa chọn:
- Loại A được lựa chọn khi tốc độ chế tạo, khả năng hàn, độ bền và hiệu quả về chi phí là tối quan trọng.
- Chọn loại B khi cần khả năng chịu tải, độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn hoặc khả năng xử lý nhiệt theo thiết kế cụ thể cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Loại A: Thường tiết kiệm hơn trên mỗi kilôgam do hàm lượng hợp kim thấp hơn và cơ sở sản xuất rộng rãi; có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, cuộn, lá và hình dạng cấu trúc tiêu chuẩn.
• Cấp B: Thường đắt hơn do các thành phần hợp kim, các bước xử lý nhiệt hoặc các tuyến sản xuất đặc biệt; có sẵn ở dạng sản phẩm nhà máy thông thường nhưng có thể có thời gian hoàn thành lâu hơn đối với các phương pháp xử lý nhiệt cụ thể hoặc dung sai hóa học chặt chẽ hơn.

Cân nhắc về nguồn cung: - Các loại thép tiêu chuẩn có nhu cầu thị trường rộng rãi dễ dàng tìm nguồn cung ứng nhanh chóng và quy mô lớn. Các loại thép đặc biệt được xử lý nhiệt hoặc hợp kim vi mô thường đòi hỏi quá trình mua sắm lâu hơn và có thể yêu cầu số lượng đặt hàng tối thiểu cao hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	Hạng A	Hạng B
Khả năng hàn	Cao — dễ hàn hơn với nhiệt độ nung nóng trước thấp hơn	Trung bình đến thấp — yêu cầu quy trình hàn được kiểm soát
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai cao hơn, độ bền vừa phải	Tiềm năng sức mạnh cao hơn, độ dẻo dai phụ thuộc vào cách xử lý
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Chọn Hạng A nếu: - Thiết kế ưu tiên tính dẻo, khả năng chống khía, hàn và chế tạo đơn giản. - Chi phí và khả năng cung cấp nhanh chóng là yếu tố quan trọng và điều kiện dịch vụ không khắt khe về độ mài mòn hoặc ứng suất cao.

Chọn Hạng B nếu: - Ứng dụng yêu cầu độ bền tĩnh, độ cứng bề mặt hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn và quy trình sản xuất có thể cung cấp khả năng kiểm soát xử lý nhiệt hoặc hợp kim vi mô phù hợp. - Bạn có thể thực hiện các quy trình hàn được kiểm soát, gia nhiệt trước/PWHT khi cần thiết và chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn để tăng hiệu suất.

Lưu ý cuối cùng: Lựa chọn cuối cùng giữa Cấp A và Cấp B nên được quyết định bởi sự tương tác giữa tải trọng làm việc, mức độ tiếp xúc với môi trường, các biện pháp kiểm soát chế tạo cần thiết và khả năng xử lý nhiệt. Khi cần cả độ bền cao và dễ chế tạo, hãy cân nhắc chỉ định các biến thể hợp kim vi mô hoặc TMCP cân bằng cả hai mục tiêu, và luôn xác nhận lựa chọn bằng các thử nghiệm vật liệu phù hợp (kéo, va đập Charpy, độ cứng) và quy trình hàn.