A285 GrC so với A516 Gr60 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A285 Cấp C và ASTM A516 Cấp 60 là hai loại thép tấm cacbon phổ biến thường gặp trong các ứng dụng bình chịu áp lực, bồn chứa và kết cấu chung. Các kỹ sư và quản lý mua sắm thường cân nhắc giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn, khả năng bảo vệ bề mặt và chi phí khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các bồn chứa giá rẻ, nơi độ dẻo và khả năng định hình cục bộ là yếu tố quan trọng, so với các bình chịu áp lực đòi hỏi độ dẻo dai ở nhiệt độ xác định và kiểm soát tính chất cơ học nghiêm ngặt hơn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại nằm ở cân bằng luyện kim: một loại được thiết kế và chỉ định chủ yếu như một tấm carbon đa dụng, giá thành thấp với hàm lượng carbon tương đối cao hơn và khả năng kiểm soát tính chất đơn giản hơn, trong khi loại còn lại là tấm thép chất lượng bình chịu áp suất được thiết kế để cải thiện độ bền và kiểm soát các tính chất cơ học. Những khác biệt này quyết định các lựa chọn trong quá trình chế tạo, gia nhiệt sơ bộ, kiểm tra và môi trường vận hành cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• A285 — “Tấm bình chịu áp suất, độ bền kéo thấp và trung bình” (Cấp A, B, C; Cấp C là cấp có độ bền/cacbon cao nhất trong số đó).
• A516 — “Tấm bình chịu áp suất, thép cacbon, dùng cho mục đích sử dụng ở nhiệt độ trung bình và thấp” (Cấp 55, 60, 65, 70; Cấp 60 là lựa chọn phổ biến ở tầm trung).
• EN: Các giá trị tương đương không phải là một-một; loạt EN 10028 (ví dụ: P235, P265, P355) bao gồm các chức năng tương tự nhưng yêu cầu phải lập bản đồ cụ thể theo các yêu cầu về cơ học và độ bền.
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn địa phương (ví dụ: JIS G3115, GB/T 1591) sử dụng các phân loại khác nhau; việc chuyển đổi đòi hỏi phải so sánh các yêu cầu về hóa học và cơ học cũng như các điều kiện thử nghiệm va đập.
• Nhóm vật liệu: Cả A285 GrC và A516 Gr60 đều là thép cacbon thông thường (không phải thép không gỉ, không phải hợp kim/HSLA theo nghĩa chặt chẽ). Cấp A516 được sản xuất theo tiêu chuẩn về tính chất và độ bền chặt chẽ hơn so với cấp A285 thông thường.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Tiêu chuẩn ASTM đầy đủ liệt kê các nguyên tố và giới hạn được phép. Thay vì trích dẫn các giới hạn số đơn lẻ, bảng dưới đây tóm tắt sự hiện diện tương đối điển hình của các nguyên tố phổ biến cho mục đích thiết kế và lựa chọn.

Yếu tố	A285 Hạng C (tương đối)	A516 Cấp 60 (tương đối)	Vai trò / Hiệu ứng
C (cacbon)	Trung bình–Cao hơn	Trung bình–Thấp hơn	Cacbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng lại làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai khi tăng lên.
Mn (mangan)	Vừa phải	Trung bình–Cao	Mn làm tăng độ cứng và độ bền kéo và chống lại tác dụng của lưu huỳnh; quá nhiều sẽ làm tăng CE.
Si (silicon)	Dấu vết thấp	Dấu vết thấp	Chất khử oxy; lượng nhỏ có lợi cho độ bền; hàm lượng Si cao có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai và khả năng hàn.
P (phốt pho)	Theo dõi (có kiểm soát)	Theo dõi (kiểm soát chặt chẽ)	Tạp chất; làm giảm độ dẻo dai—tiêu chuẩn giới hạn hàm lượng đối với thép chế tạo bình chịu áp suất.
S (lưu huỳnh)	Theo dõi (có kiểm soát)	Theo dõi (kiểm soát chặt chẽ)	Tạp chất làm giảm độ dẻo và khả năng gia công đôi khi được cải thiện bằng cách bổ sung lưu huỳnh gia công tự do, nhưng thép bình chịu áp suất giữ S ở mức thấp.
Cr, Ni, Mo	Thông thường là tối thiểu/dấu vết	Thông thường là tối thiểu/dấu vết	Thấp hoặc không có trong hầu hết các loại thép A285/A516 thông thường. Sự hiện diện của nó làm tăng khả năng tôi cứng/chống ăn mòn cho thép hợp kim.
V, Nb, Ti	Dấu vết (nếu hợp kim vi mô)	Dấu vết (được sử dụng trong thép quy trình kiểm soát)	Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) làm mịn hạt và cải thiện độ bền và độ dẻo dai khi sử dụng với lượng được kiểm soát.
B	Dấu vết (thường không có)	Dấu vết (thường không có)	Một lượng bổ sung rất nhỏ có thể làm tăng khả năng tôi luyện; hiếm khi được sử dụng ở các cấp độ này.
N	Dấu vết	Dấu vết	Nitơ ảnh hưởng đến tính chất và hành vi bao hàm; thường được kiểm soát.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Việc tăng cacbon và các nguyên tố làm tăng khả năng tôi luyện (Mn, Cr, Mo) làm tăng độ bền và xu hướng hình thành martensite khi nguội nhanh—điều này có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai trừ khi được bù đắp bằng quá trình xử lý. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) với hàm lượng nhỏ giúp tinh luyện hạt và tăng cường kết tủa, cải thiện độ bền kéo và độ dẻo dai mà không làm tăng lượng cacbon lớn; những nguyên tố này phổ biến hơn trong thép bình chịu áp suất có kiểm soát so với thép tấm thông thường giá rẻ.

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

Các sản phẩm cán hoặc chuẩn hóa điển hình của các loại này chủ yếu thể hiện cấu trúc vi mô ferit-perit.

• A285 Hạng C:
• Mục đích sản xuất là tạo ra tấm thép đa năng bằng phương pháp cán nóng thông thường và ở trạng thái cán nguyên dạng hoặc giảm ứng suất. Cấu trúc vi mô có xu hướng thiên về ferit với perlit dạng dải; kích thước hạt và độ sạch tạp chất không được kiểm soát chặt chẽ như đối với cấp thép dùng cho bình chịu áp lực.

• Chuẩn hóa sẽ làm mịn hạt và cải thiện độ dẻo dai một chút; chu trình làm nguội và ram mạnh không phải là phương pháp tiêu chuẩn đối với A285 và có thể tạo ra độ cứng cao hơn và yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn để tránh giòn.

• A516 Lớp 60:

• Được sản xuất để kiểm soát chặt chẽ hơn độ bền gãy, thường chú trọng hơn đến quá trình khử oxy và lịch sử nhiệt. Cấu trúc vi mô là ferit-pearlit với ít dải và kích thước hạt mịn hơn so với A285 thông thường.
• Chuẩn hóa và cán có kiểm soát giúp cải thiện độ dẻo dai. Các tấm này thường không được cung cấp ở điều kiện tôi và ram cho cấp độ quy định; xử lý nhiệt nhằm mục đích tạo ra các đặc tính cơ học đồng đều và đạt được độ dẻo dai va đập cần thiết ở nhiệt độ quy định.

Tác động của các tuyến xử lý: - Chuẩn hóa: có lợi cho cả hai loại thép để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai—tác động lớn hơn đối với A285 là đưa các đặc tính gần hơn với A516. - Làm nguội và ram: không điển hình cho các loại thép tiêu chuẩn A516/A285; sẽ chuyển đổi cấu trúc vi mô thành thép ram-ram martensite và cần phải chỉ định lại loại vật liệu. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): được sử dụng trong thép bình chịu áp suất hiện đại để cải thiện sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai; các biến thể TMCP tinh vi hơn có nhiều khả năng áp dụng cho các loại thép được chỉ định với yêu cầu độ dẻo dai chặt chẽ hơn so với A285 thông thường.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là bảng so sánh định tính các đặc tính cơ học thường gặp. Đối với công việc dự án, hãy luôn sử dụng báo cáo thử nghiệm thực tế của nhà máy và tiêu chuẩn hiện hành về tiêu chí chấp nhận số.

Tài sản	A285 GrC (điển hình)	A516 Gr60 (điển hình)	Ý nghĩa thực tiễn
Độ bền kéo	Vừa phải	Trung bình đến khá cao	A516 Gr60 được sản xuất theo phạm vi chịu kéo được kiểm soát chặt chẽ hơn.
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Trung bình (có kiểm soát)	Cả hai đều cung cấp đủ năng suất cho tàu thuyền nói chung; A516 thường có mức tối thiểu ổn định hơn.
Độ giãn dài (%)	Thấp hơn	Cao hơn	A516 thường được chỉ định để đáp ứng mục tiêu độ giãn dài và độ dẻo dai tối thiểu cho tính toàn vẹn của bình.
Độ bền va đập	Thấp hơn (ít được kiểm soát hơn)	Cao hơn (được thử nghiệm ở nhiệt độ quy định)	A516 thường được chỉ định với yêu cầu về va đập Charpy V-notch ở nhiệt độ sử dụng.
Độ cứng	Thấp đến trung bình	Vừa phải	Cả hai đều không phải là thép cứng; độ cứng phản ánh mức độ bền vừa phải thích hợp để tạo hình và hàn.

Vật liệu nào bền hơn/dẻo hơn/dẻo hơn và tại sao: - Thép A516 Cấp 60 được thiết kế và thường được cung cấp với độ dẻo dai và độ dai ổn định hơn ở nhiệt độ thử nghiệm quy định do kiểm soát chặt chẽ hơn về thành phần, khử oxy và xử lý nhiệt. - Thép A285 Cấp C có thể có hàm lượng carbon cao hơn một chút và kiểm soát độ dẻo dai kém nghiêm ngặt hơn, có thể mang lại độ bền chấp nhận được nhưng độ dẻo dai thấp hơn và khó dự đoán hơn—đặc biệt là ở nhiệt độ sử dụng thấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon, hợp kim hóa hiệu quả (độ tôi) và tạp chất. Hai chỉ số thường được sử dụng minh họa cho tác động định tính:

• Tương đương carbon IIW (được sử dụng rộng rãi để đánh giá mối hàn): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Viện Hàn Quốc tế “Pcm” (bảo thủ hơn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - A285 GrC thường tạo ra hàm lượng cacbon tương đương cao hơn A516 Gr60 được kiểm soát tốt cùng độ dày, do đó, nó thường nhạy cảm hơn với quá trình nứt nguội có sự hỗ trợ của hydro và cần phải gia nhiệt trước nhiều hơn, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và có thể cần xử lý nhiệt sau hàn cho các phần dày hoặc dịch vụ ở nhiệt độ thấp. - A516 Gr60, với hàm lượng carbon thấp hơn một chút và khả năng kiểm soát hợp kim chặt chẽ hơn, thường có độ sạch sẽ được cải thiện, dễ hàn hơn với kim loại hàn tiêu chuẩn và yêu cầu nung nóng trước ít nghiêm ngặt hơn đối với độ dày tương đương, và thường được sử dụng ở những nơi quan trọng về khả năng hàn và độ bền va đập.

Ghi chú thực hành hàn: - Yêu cầu về cấp độ, độ dày, thiết kế mối hàn, quy trình hàn và nhiệt độ vận hành đều được xác định dựa trên các tiêu chuẩn về gia nhiệt trước/xuyên lớp. Sử dụng công thức CE/Pcm làm công cụ sàng lọc; kiểm tra bằng quy trình thẩm định (PQR/WPS) và các biện pháp kiểm soát hydro trong thực hành tại xưởng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A285 GrC và A516 Gr60 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn vốn có thấp hơn so với thép không gỉ hoặc thép chịu thời tiết.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Lớp phủ bảo vệ: hệ thống sơn (epoxy, polyurethane), lớp sơn lót + lớp hoàn thiện.
• Lớp phủ kim loại: mạ kẽm có thể áp dụng cho nhiều độ dày tấm nhưng cần cân nhắc đến việc loại bỏ mối hàn và tính liên tục cục bộ của lớp phủ.
• Lớp ốp hoặc lớp lót: đối với môi trường hóa chất hoặc mài mòn khắc nghiệt, người ta sẽ sử dụng lớp ốp hoặc lớp lót bên trong bằng thép không gỉ.
• PREN (độ chống rỗ tương đương) không áp dụng cho thép cacbon thông thường; PREN có liên quan đến hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với các ứng dụng A285/A516 liên quan đến vấn đề ăn mòn, việc lựa chọn sẽ dựa trên các chiến lược phủ/phân lớp, bảo vệ catốt hoặc thay thế bằng hợp kim chống ăn mòn thay vì dựa trên sự khác biệt nhỏ về thành phần giữa các loại này.

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

• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• A516 Gr60 thường mang lại độ dẻo dai và khả năng định hình tốt hơn cho chế tạo bình chịu áp lực nhờ yêu cầu về độ bền. Nó thường được sử dụng để định hình vỏ và đầu hình trụ.
• A285 GrC có thể khó tạo hình bán kính hẹp hơn do độ dẻo dai thay đổi; các chuyên gia thường khuyên nên tạo hình thử hoặc chỉ định các biến dạng tạo hình thấp hơn.
• Cắt và gia công:
• Cả hai loại thép đều có khả năng gia công tương tự nhau ở trạng thái cán; khả năng gia công bị ảnh hưởng bởi hàm lượng lưu huỳnh và xử lý nhiệt. A285 có thể dễ gia công hơn một chút nếu không bị hạn chế bởi thành phần hóa học carbon thấp, nhưng lợi ích thu được không đáng kể.
• Hoàn thiện bề mặt/chuẩn bị mối hàn:
• Cả hai đều chấp nhận các bước chuẩn bị hàn và hoàn thiện bề mặt giống nhau; độ sạch sẽ và loại bỏ lớp vảy cán hoặc rỉ sét sẽ giúp cải thiện chất lượng mối hàn.

8. Ứng dụng điển hình

A285 Hạng C	A516 Cấp 60
Bồn chứa dầu/khí giá rẻ, tàu nhỏ, tấm kết cấu có yêu cầu về độ va đập/độ bền thấp hoặc không xác định	Vỏ bình chịu áp suất, tấm nồi hơi, bình chứa yêu cầu độ bền va đập xác định ở nhiệt độ quy định
Tấm kết cấu chung, bể hàn nơi xử lý nhiệt sau hàn không khả thi	Bình chịu áp suất chế tạo, bộ trao đổi nhiệt và bình công nghiệp chế biến trong đó các quy định yêu cầu kiểm tra độ bền và khả năng truy xuất nguồn gốc
Hỗ trợ đường ống không quan trọng, cấu trúc thứ cấp	Các ứng dụng yêu cầu thử nghiệm không phá hủy thường xuyên và khả năng truy xuất nguồn gốc vật liệu để tuân thủ mã ASME

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A285 khi giảm thiểu chi phí nguyên liệu thô cho các bồn chứa không quan trọng hoặc ở nhiệt độ môi trường và khi quy định không yêu cầu độ bền và kiểm soát cơ học chặt chẽ. - Chọn A516 Gr60 khi tuân thủ quy định, độ bền đã được ghi nhận và các đặc tính cơ học nhất quán thúc đẩy các quyết định thiết kế—đặc biệt đối với thiết bị chịu áp suất và dịch vụ ở nhiệt độ thấp hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Khả dụng:
• Tấm thép A516 cấp 60 là loại thép dùng cho bình chịu áp lực được cung cấp rộng rãi trên nhiều thị trường và có nhiều độ dày khác nhau cũng như nhiều lô hàng được nhà máy chứng nhận.
• Cũng có loại A285 Cấp C nhưng có thể ít được sử dụng cho các ứng dụng chịu áp suất đường kính lớn vì nhiều người mua thích loại A516 khắt khe hơn.
• Chi phí tương đối:
• A285 thường có chi phí thấp hơn vì nó là loại thép có quy trình sản xuất ít được kiểm soát chặt chẽ hơn và ít đảm bảo về độ bền hơn.
• A516 Gr60 có mức giá cao hơn nhờ khả năng kiểm soát, kiểm tra và thử nghiệm va đập chặt chẽ hơn; tuy nhiên, mức giá cao này được chứng minh là hợp lý nhờ rủi ro chế tạo thấp hơn và dễ tuân thủ quy định hơn.
• Các hình thức sản phẩm:
• Cả hai đều thường được cung cấp dưới dạng tấm cán nóng; tính khả dụng ở dạng mỏng, cắt theo kích thước hoặc cấp chứng nhận nhà máy cụ thể khác nhau tùy theo nhà máy và khu vực.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	A285 GrC	A516 Gr60
Khả năng hàn	Có thể chấp nhận được nhưng nhạy cảm hơn với C và CE (nguy cơ làm nóng trước cao hơn)	Tốt hơn—được thiết kế để hàn tàu với khả năng kiểm soát CE chặt chẽ hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai vừa đủ nhưng khó dự đoán hơn	Độ dẻo dai và độ dai được kiểm soát tốt hơn ở nhiệt độ quy định
Trị giá	Thấp hơn	Trung bình (cao hơn A285 để đảm bảo tài sản)

Khuyến nghị kết luận: - Chọn A285 Cấp C nếu bạn cần tấm carbon đa năng, giá thành thấp cho các bồn chứa hoặc kết cấu không theo quy định, ở nhiệt độ môi trường, không yêu cầu độ bền nghiêm ngặt và các đặc tính của bình chứa được ghi chép lại. - Chọn A516 Cấp 60 nếu bạn yêu cầu tấm bình chịu áp suất có độ bền va đập được chỉ định, tính chất cơ học nhất quán hơn và dễ tuân thủ quy định hơn đối với bình và thiết bị hàn—đặc biệt là khi độ bền ở nhiệt độ thấp và hành vi mối hàn có thể dự đoán được là rất quan trọng.

Để lựa chọn vật liệu cuối cùng, hãy luôn tham khảo quy định hiện hành (ASME, EN, v.v.), chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy và thực hiện quy trình đủ điều kiện hàn và chế tạo.