A283C so với A36 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A283 Cấp C và ASTM A36 là hai trong số những loại thép kết cấu cacbon thấp được chỉ định phổ biến nhất trong xây dựng, khung máy móc, chi tiết chịu áp lực trong các ứng dụng ứng suất thấp và chế tạo nói chung. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa chúng: ưu tiên chi phí và khả năng cung cấp rộng rãi, hay ưu tiên cường độ chỉ định cao hơn một chút và kiểm soát hóa chất chặt chẽ hơn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc cân bằng giữa khả năng hàn và khả năng tạo hình so với giới hạn chảy yêu cầu, và lựa chọn giữa hình dạng phôi hoặc cấp độ tấm cho các cấu kiện kết cấu, bồn chứa và kết cấu hàn.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở phạm vi thông số kỹ thuật dự kiến ​​của chúng: A36 là loại thép kết cấu được sử dụng rộng rãi với giới hạn chảy tối thiểu được biết đến rộng rãi (thường là 36 ksi / 250 MPa) và khả năng cung cấp rộng rãi, trong khi A283 Cấp C là loại thép kết cấu hợp kim thấp, hàm lượng carbon thấp với các yêu cầu về thành phần và độ bền hướng đến các tấm thép nặng hơn và một số tiêu chuẩn chế tạo nhất định. Vì cả hai đều là thép kết cấu carbon thấp, chúng thường được so sánh khi các nhà thiết kế phải cân nhắc giữa tính khả dụng, chi phí và các yêu cầu cơ học.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• ASTM A36/A36M — Thép kết cấu cacbon.
• ASTM A283 (Cấp A, B, C) — Tấm thép cacbon có độ bền thấp và trung bình dùng cho bình chịu áp suất và các ứng dụng kết cấu chung; Cấp C là cấp có độ bền cao nhất trong dòng A283.
• EN (Châu Âu): Dòng EN 10025 (ví dụ: S235, S275) là các tiêu chuẩn tương đương trong một số ứng dụng; khả năng hoán đổi trực tiếp cần được xác minh cẩn thận.
• JIS (Nhật Bản): JIS G3101 (SS400) thường được sử dụng như tiêu chuẩn tương đương trong khu vực cho các phần kết cấu nhẹ hơn.
• GB (Trung Quốc): GB/T 700 (Q235) thường được so sánh với A36 cho các ứng dụng kết cấu.
• Phân loại: Cả A36 và A283C đều là thép kết cấu cacbon/hợp kim thấp thông thường (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải HSLA theo nghĩa hợp kim thấp cường độ cao hiện đại).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Các thành phần và phạm vi điển hình được chỉ định (xấp xỉ; tham khảo tiêu chuẩn ASTM để biết giới hạn chính xác và các khoản phụ thuộc vào độ dày).

Yếu tố	A36 (giới hạn thông số kỹ thuật điển hình)	A283 Cấp C (giới hạn thông số kỹ thuật điển hình)
C (Cacbon)	≤ ~0,26 wt% (tối đa)	≤ ~0,26 wt% (tối đa), kiểm soát phụ thuộc vào cấp độ
Mn (Mangan)	~0,60–1,20 wt% (tối đa thường là ~1,20)	Thông thường giới hạn trên cao hơn A36 (lên đến ~1,35 wt%)
Si (Silic)	≤ ~0,40% khối lượng	Thường ≤ ~0,15–0,30 wt%
P (Phốt pho)	≤ 0,04% khối lượng	≤ 0,035 wt% (kiểm soát chặt chẽ chất lượng tấm)
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05% khối lượng	≤ 0,035% khối lượng
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	Thông thường ≤ lượng vết; không cố ý pha trộn hợp kim	Thông thường không có sự hợp kim cố ý; có thể có lượng vết

Ghi chú: - Bảng này đưa ra các phạm vi điển hình được sử dụng trong thực tế thương mại. Giới hạn chính xác thay đổi tùy theo độ dày, công nghệ dập, nhiệt độ và thông số kỹ thuật mua hàng cụ thể; luôn tham khảo thông số kỹ thuật ASTM để biết tiêu chí chấp nhận vật liệu theo hợp đồng. - Thép A283 Cấp C có xu hướng được sản xuất dưới dạng vật liệu tấm với tiêu chuẩn chấp nhận về mặt hóa học và cơ học nghiêm ngặt hơn so với thép hình A36 thông thường, đó là lý do tại sao giới hạn mangan và khả năng kiểm soát thành phần tổng thể của thép này có thể khác nhau. - Chiến lược hợp kim hóa cho cả hai loại thép đều tối giản: hàm lượng carbon thấp và mangan vừa phải được sử dụng để đạt được độ bền cần thiết trong khi vẫn duy trì khả năng hàn và tạo hình cao. Việc bổ sung Cr, Ni, Mo, V, Nb hoặc Ti một cách có chủ đích không phổ biến ở các loại thép này.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon làm tăng độ bền và độ cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Mangan góp phần khử oxy và tăng độ bền kéo; hàm lượng Mn cao hơn làm tăng nhẹ khả năng tôi luyện. - Silic là chất khử oxy và có thể làm tăng độ bền một chút. - Lưu huỳnh và phốt pho được kiểm soát chặt chẽ vì chúng làm giòn và giảm độ dẻo dai, đặc biệt là ở những phần dày hơn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Cả A36 và A283C đều được sản xuất để tạo ra các cấu trúc vi mô ferit-pearlit ở trạng thái cán hoặc chuẩn hóa. Cấu trúc vi mô chủ yếu là ferit đa giác và perlit liên hạt/tấm; tỷ lệ chính xác thay đổi tùy theo hàm lượng cacbon và tốc độ làm nguội.
• Tấm cán: làm nguội chậm hơn và hàm lượng carbon thấp hơn, ưu tiên ferit thô và perlit có độ dẻo tốt.
• Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và có thể tăng độ dẻo dai ở các phần dày hơn; thường được áp dụng cho tấm khi cần tính chất cơ học đồng nhất.
• Làm nguội và ram: không phải là đặc trưng của các loại thép này—nếu cần độ bền cao hơn, người ta sẽ chọn các loại thép khác như thép làm nguội và ram hoặc thép HSLA hiện đại.
• Xử lý nhiệt cơ: các nhà máy hiện đại có thể áp dụng phương pháp cán có kiểm soát để cải thiện độ bền và độ dẻo dai mà không làm thay đổi tính chất hóa học; tuy nhiên, A36 và A283C trước đây được sản xuất bằng phương pháp cán thông thường và làm nguội có kiểm soát thay vì phương pháp TMCP mạnh.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các công cụ so sánh tính chất cơ học điển hình (xấp xỉ; tham khảo tiêu chuẩn để biết mức tối thiểu được đảm bảo và sự phụ thuộc vào độ dày).

Tài sản	A36 (điển hình)	A283 Hạng C (điển hình)
Cường độ chịu kéo	~250 MPa (36 ksi) tối thiểu	Thông thường trong cùng một phạm vi; Cấp C được chỉ định cho mức tối thiểu cao hơn trong cùng loại (thường là ~230–280 MPa tùy thuộc vào thông số kỹ thuật và độ dày)
Độ bền kéo	Phạm vi ~400–550 MPa (58–80 ksi)	Tương đương với A36; có thể thay đổi đôi chút về nhiệt độ và độ dày của tấm
Độ giãn dài (200 mm hoặc 50 mm)	~20% (tùy thuộc vào độ dày)	Có thể so sánh được; đôi khi thấp hơn một chút nếu cường độ cao hơn được chỉ định
Độ bền va đập (Charpy V‑notch)	Không được đảm bảo thường xuyên trừ khi được chỉ định; tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Có thể được chỉ định cho A283C khi cần độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp
Độ cứng	Thông thường dưới 200 HB tùy thuộc vào độ dày	Phạm vi tương tự; phụ thuộc vào quá trình chế biến của nhà máy

Giải thích: - Không có loại nào là hợp kim có độ bền cao; cả hai đều là thép dẻo có độ bền trung bình, dùng cho các ứng dụng kết cấu hàn. - A36 thường được chỉ định cho các hình dạng kết cấu tiêu chuẩn với giới hạn chảy đảm bảo là 36 ksi (250 MPa). A283C là cấp độ bền cao hơn trong dòng thép tấm A283 và có thể được chỉ định khi cần kiểm soát chặt chẽ hơn các tiêu chí chấp nhận hoặc tính chất cơ học của thép. - Độ dẻo dai phần lớn được xác định bởi quá trình xử lý và độ dày; đối với dịch vụ ở nhiệt độ thấp hoặc tải trọng động quan trọng, hãy chỉ định thử nghiệm va đập và xem xét các loại thép có biểu đồ độ dẻo dai được cải thiện.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương và hợp kim. Để đánh giá định tính, các kỹ sư sử dụng các công thức cacbon tương đương như sau:

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

và một thông số chi tiết hơn thường được sử dụng ở Châu Âu:

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

Giải thích định tính: - Cả A36 và A283C đều là thép có hàm lượng cacbon thấp với giá trị CE thấp nên chúng thường được coi là có khả năng hàn cao bằng các quy trình hàn nóng chảy tiêu chuẩn. - Hàm lượng mangan hơi khác biệt và khả năng kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn của A283C có thể làm tăng khả năng tôi luyện một chút so với một số loại thép cán A36, nhưng trong chế tạo thực tế, cả hai đều là những loại thép kết cấu dễ hàn nhất. - Đối với các mối hàn quan trọng, quyết định xử lý nhiệt trước và sau khi hàn (PWHT) phải dựa trên độ dày, hạn chế mối nối và CE thực tế hoặc $P_{cm}$ được tính toán từ hóa chất nhà máy được cung cấp, không chỉ dựa trên tên loại danh nghĩa.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A36 và A283C đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn trong môi trường khí quyển hoặc môi trường khắc nghiệt chỉ giới hạn ở thép cacbon thông thường.
• Các biện pháp bảo vệ thông thường: hệ thống sơn (sơn lót epoxy, sơn phủ polyurethane), mạ kẽm nhúng nóng, mạ kẽm hoặc sơn phủ cơ học.
• Đối với mạ kẽm, cả hai loại đều chấp nhận quy trình nhúng nóng tiêu chuẩn; độ dày của tấm và tình trạng bề mặt ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ.
• Các chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng được cho các loại thép cacbon thông thường này vì chúng thiếu hàm lượng crom, molypden và nitơ, những thành phần xác định hiệu suất chống ăn mòn của thép không gỉ.

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

• Cắt: cắt oxy-nhiên liệu, plasma và laser là phương pháp cắt thông thường cho cả hai loại; độ dày của tấm và tình trạng cạnh quyết định độ vừa khít cuối cùng.
• Khả năng gia công: thép cacbon thấp dễ gia công; khả năng gia công được cải thiện khi hàm lượng lưu huỳnh cao hơn một chút (không tốt cho độ dẻo dai). A36 và A283C có khả năng gia công tương tự nhau.
• Khả năng tạo hình: cả hai đều thích hợp để uốn, dập và tạo hình ở nhiệt độ phòng; độ đàn hồi và bán kính uốn tối thiểu phụ thuộc vào độ dày và giới hạn chảy chính xác.
• Hoàn thiện bề mặt: cả hai đều có thể được cán nguội, phun bi hoặc phay để hoàn thiện. Tấm A283C thường được cung cấp với kích thước lớn hơn và có thể cần thiết bị ép thủy lực có kích thước phù hợp với công việc gia công tấm.

8. Ứng dụng điển hình

A36	A283 Hạng C
Các hình dạng thép kết cấu: dầm, kênh, góc cho các tòa nhà và cầu	Tấm kết cấu cho các bình chịu áp suất thấp đến trung bình, bể chứa và các kết cấu hàn yêu cầu tiêu chí chấp nhận tấm
Chế tạo chung: khung, giá đỡ và thiết bị không quan trọng	Ứng dụng tấm nặng yêu cầu xác nhận tính chất cơ học cụ thể và phần dày hơn
Các thành phần có nhu cầu chính là tính khả dụng rộng rãi và khả năng hàn	Các ứng dụng chỉ định A283 phù hợp với tiêu chuẩn tấm hợp đồng (ví dụ: một số bộ phận chịu áp suất, bình chứa)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A36 cho mục đích sử dụng kết cấu rộng rãi, nơi hình dạng chuẩn hóa và năng suất dự đoán được là yếu tố chính, nơi tính khả dụng của kho dự trữ và hiệu quả về chi phí là yếu tố quan trọng. - Chọn A283C khi thông số kỹ thuật của người mua yêu cầu tấm A283 có tiêu chí chấp nhận tấm đã xác định hoặc khi yêu cầu chế tạo tấm và thử nghiệm theo hợp đồng ưu tiên cấp tấm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• A36 là một trong những loại thép kết cấu phổ biến nhất trên toàn thế giới; loại thép này thường có sự kết hợp tốt nhất về giá cả, nguồn cung cấp đa dạng về hình dạng và tấm, cũng như các đặc tính cơ học có thể dự đoán được.
• Thép A283 Cấp C được bán rộng rãi dưới dạng tấm kết cấu và thường có giá tương đương trên cơ sở tấm; tuy nhiên, nguồn cung của loại thép này phụ thuộc nhiều hơn vào lượng tồn kho tấm và sản lượng của nhà máy.
• Các yếu tố chi phí: độ dày, kích thước tấm, quá trình gia công và hoàn thiện bề mặt; bất kỳ thử nghiệm đặc biệt nào (ví dụ: thử nghiệm va đập, chứng nhận nhà máy) đều làm tăng chi phí mua sắm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: Tóm tắt so sánh nhanh

Thuộc tính	A36	A283 Hạng C
Khả năng hàn	Tuyệt vời (CE thấp)	Tuyệt vời (CE thấp; kiểm soát hóa học tấm)
Cân bằng sức mạnh – độ dẻo dai	Độ dẻo cấu trúc tiêu chuẩn (36 ksi), độ dẻo tốt	Độ bền tương đương; loại C trong họ A283 thường được sử dụng cho tấm có đặc tính được kiểm soát
Chi phí và tính khả dụng	Tính khả dụng rất cao; thường có chi phí thấp hơn cho các hình dạng	Có sẵn rộng rãi dưới dạng tấm; chi phí tương tự cho dạng tấm, có thể yêu cầu thủ tục giấy tờ/kiểm tra cụ thể hơn

Kết luận (hướng dẫn thực tế): - Chọn A36 nếu bạn cần các hình dạng kết cấu và tấm thép có sẵn rộng rãi với độ bền kéo tiêu chuẩn 36 ksi (250 MPa), khả năng hàn tuyệt vời, nhiều lựa chọn chuỗi cung ứng và tổng độ phức tạp trong quá trình mua sắm thấp nhất. - Chọn A283 Cấp C nếu hợp đồng hoặc thông số kỹ thuật chế tạo của bạn yêu cầu rõ ràng về tấm A283 (ví dụ: các thử nghiệm chấp nhận tấm cụ thể, phạm vi độ dày tấm hoặc yêu cầu của người mua) hoặc nếu bạn yêu cầu tính chất hóa học và kiểm soát cơ học của tấm cụ thể liên quan đến họ A283.

Lưu ý cuối cùng: Cả A36 và A283C đều là thép kết cấu cacbon thấp, phù hợp cho mọi ứng dụng. Đối với bất kỳ ứng dụng nào quan trọng về an toàn, nhiệt độ thấp hoặc chịu mỏi cao, hãy yêu cầu báo cáo thử nghiệm tại nhà máy, tính toán hàm lượng cacbon tương đương ($CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ nếu phù hợp) và ghi rõ độ dai hoặc xử lý nhiệt cần thiết trong hồ sơ mua sắm. Luôn tham khảo thông số kỹ thuật ASTM/ASME và chứng chỉ nhà máy để xác nhận các tiêu chí chấp nhận chính xác về hóa học và cơ học trước khi chấp nhận thiết kế hoặc hàn.