A516 Gr60 so với A516 Gr70 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A516 là một dòng sản phẩm thép cacbon dùng cho bình chịu áp lực, được sử dụng rộng rãi cho nồi hơi, bình chịu áp lực và bồn chứa. Lựa chọn kỹ thuật phổ biến giữa A516 Cấp 60 và Cấp 70 là sự cân bằng giữa chi phí vật liệu, độ bền yêu cầu và độ bền/khả năng hàn theo yêu cầu của môi trường sử dụng. Các kỹ sư, chuyên gia mua sắm và nhà chế tạo thường cân nhắc các yếu tố như độ dày tấm, nhiệt độ vận hành, yêu cầu về va đập và các hạn chế về hàn khi lựa chọn giữa hai cấp này.

Sự khác biệt chính giữa A516 Gr60 và A516 Gr70 nằm ở sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai: Cấp 70 có thông số kỹ thuật về độ bền cao hơn (do đó thường được lựa chọn khi cần ứng suất thiết kế cao hơn hoặc giảm độ dày tiết diện), trong khi Cấp 60 có cường độ quy định thấp hơn, nhìn chung có độ dẻo và chi phí thuận lợi hơn một chút trong thực tế. Vì cả hai cấp đều thuộc cùng một họ thông số kỹ thuật và có các tùy chọn hóa học và gia công rất giống nhau, nên chúng thường được so sánh nhiều nhất trong bối cảnh chế tạo tấm chịu áp lực và tấm hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính: ASTM A516 / A516M — “Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho tấm bình chịu áp suất, thép cacbon, dùng cho dịch vụ ở nhiệt độ trung bình và thấp hơn”.
• Các quy chuẩn liên quan: Ứng suất cho phép của vật liệu tham chiếu ASME Phần II và VIII dựa trên cấp độ và nhiệt độ A516. Có thể có các đơn vị cung cấp tấm thép tương đương cấp quốc gia hoặc khu vực, nhưng A516 là tiêu chuẩn công nghiệp chính ở Bắc Mỹ.
• Các tiêu chuẩn khác: Tiêu chuẩn EN, JIS hoặc GB có thể cung cấp các loại thép bình chịu áp suất thay thế (ví dụ: P265, S355, SS41), nhưng tính tương đương trực tiếp một-một đòi hỏi phải so sánh tính chất cẩn thận.
• Phân loại vật liệu: Cấp A516 là thép cacbon dùng làm tấm bình chịu áp lực (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, thường được coi là cacbon thông thường hoặc hợp kim thấp tùy thuộc vào thành phần bổ sung trong nhà máy). Chúng không phải là thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) theo nghĩa hẹp hiện đại, mặc dù các nhà máy có thể sử dụng hợp kim vi mô và cán có kiểm soát để đáp ứng các mục tiêu cơ học.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Tiêu chuẩn hóa học cho tấm A516 nhấn mạnh mức độ tạp chất thấp với hàm lượng carbon và mangan được kiểm soát để đạt được độ dẻo dai, khả năng hàn và khả năng tôi cứng dự đoán được. Tiêu chuẩn A516 đặt ra các giới hạn áp dụng cho tất cả các loại thép; các nhà máy sử dụng quy trình xử lý nhiệt và kiểm soát nhiệt cơ học để đạt được các đặc tính cơ học của thép.

Bảng: Giới hạn thành phần điển hình cho tấm ASTM A516 (mức tối đa đại diện; xác minh chứng chỉ nhà máy cụ thể)

Yếu tố	Giới hạn điển hình / bình luận
C (Cacbon)	Thấp đến trung bình; được kiểm soát để hạn chế khả năng tôi cứng và duy trì khả năng hàn (mức tối đa điển hình trong thực tế công nghiệp là vào khoảng vài phần mười phần trăm)
Mn (Mangan)	Chất khử oxy chính và tạo độ bền; giới hạn ở CE kiểm soát và độ dẻo dai
Si (Silic)	Có mặt như chất khử oxy; thường bị hạn chế
P (Phốt pho)	Giữ ở mức rất thấp để duy trì độ dẻo dai
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức rất thấp để tránh hiện tượng nóng và độ dai kém
Cr, Ni, Cu, Mo	Thường chỉ có một lượng nhỏ nếu có — có thể bị hạn chế hoặc được sử dụng để cải thiện khả năng tôi luyện/độ dẻo dai trong một số quy trình sản xuất của nhà máy
V, Nb, Ti, B	Không phải là những bổ sung lớn thông thường; hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) có thể được sử dụng để tinh chế hạt trong một số tấm
N (Nitơ)	Thông thường thấp và được kiểm soát

Ghi chú: - Tiêu chuẩn này tập trung vào hàm lượng P và S thấp, cũng như hàm lượng carbon và mangan được kiểm soát để duy trì sự cân bằng giữa độ bền và khả năng hàn. Giới hạn số chính xác khác nhau tùy theo văn bản ASTM đầy đủ và giấy chứng nhận nhà máy của nhà cung cấp; hãy luôn kiểm tra giấy chứng nhận phân tích để đảm bảo quy trình mua sắm và quy trình hàn đạt yêu cầu. - Chiến lược hợp kim: các nhà sản xuất chủ yếu dựa vào cacbon và mangan được kiểm soát cùng với cán nhiệt cơ học (và đôi khi là hợp kim vi mô) để đạt được độ bền theo cấp độ trong khi vẫn giữ độ cứng đủ thấp để duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Cấu trúc vi mô của tấm A516 cán mỏng hoặc chuẩn hóa chủ yếu là ferit và perlit. Cán và làm nguội có kiểm soát có thể tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ mà không cần hợp kim hóa đáng kể.
• Xử lý Gr60 so với Gr70: cả hai loại đều được sản xuất từ ​​cùng một phổ hóa học thép; sự khác biệt về các tính chất cơ học cụ thể thường đạt được thông qua kiểm soát nhiệt độ xử lý, cán nhiệt cơ học và tốc độ làm nguội được kiểm soát thay vì sự khác biệt lớn về hàm lượng hợp kim.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa/tinh chỉnh: Chuẩn hóa (trên A3 rồi làm mát bằng không khí) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và có thể cải thiện độ dẻo dai. Đây là phương pháp phổ biến khi cần độ dẻo dai cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn.
• Làm nguội và ram: không điển hình đối với các tấm bình chịu áp suất được cung cấp theo A516; làm nguội và ram tạo ra các cấu trúc vi mô khác nhau (martensite ram) và được sử dụng cho các loại thép chịu áp suất có độ bền cao hơn loại A516.
• Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát): tạo ra các đặc tính Gr70 ở các phần nặng mà không có lượng cacbon dư thừa bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt ferit và tạo ra sự phân bố perlit mịn.
• Độ cứng: tương đối thấp so với thép hợp kim; hợp kim hóa vi mô và kiểm soát CE giúp hạn chế khả năng hình thành các cấu trúc HAZ hàn cứng, giòn.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Đặc tính cơ học so sánh (thực hành điển hình; luôn xác nhận với ASTM A516 và báo cáo thử nghiệm tại nhà máy)

Tài sản	A516 Gr60 (điển hình)	A516 Gr70 (điển hình)	Bình luận
Độ bền kéo	Phạm vi thấp hơn so với Gr70 (được sử dụng để giảm ứng suất thiết kế)	Phạm vi kéo tối thiểu cao hơn Gr60	Số cấp độ tương quan với yêu cầu độ bền kéo tối thiểu cao hơn đối với Gr70
Sức chịu lực	Năng suất tối thiểu thấp hơn Gr70	Năng suất tối thiểu cao hơn Gr60	Năng suất cao hơn cho phép tạo ra các phần mỏng hơn cho cùng một tải trọng thiết kế
Độ giãn dài (%)	Cao hơn một chút (độ dẻo tốt hơn trong nhiều trường hợp)	Thấp hơn một chút (như mong đợi đối với sức mạnh cao hơn)	Độ giãn dài phụ thuộc vào độ dày và thực hành của nhà cung cấp
Độ bền va đập	Nói chung là tốt; có thể dễ dàng đạt được độ dẻo dai cần thiết ở nhiệt độ thấp đối với các phần mỏng hơn	Tốt, nhưng việc đạt được các yêu cầu về tác động ở nhiệt độ thấp được chỉ định trong các phần dày có thể yêu cầu xử lý thêm	Các yêu cầu của Charpy thường được viện dẫn theo hợp đồng và phụ thuộc vào độ dày và nhiệt độ thử nghiệm được chỉ định
Độ cứng	Độ cứng điển hình thấp hơn	Độ cứng điển hình cao hơn một chút	Cả hai đều nằm trong giới hạn gia công/độ cứng cho thép bình chịu áp lực

Giải thích: - Cấp 70 là cấp bền hơn trong hai cấp và thường được chỉ định khi cần ứng suất cho phép cao hơn hoặc tấm mỏng hơn. Cấp 60 được chọn khi không yêu cầu độ bền cao và ưu tiên chi phí hoặc độ dẻo. - Độ dẻo dai (khả năng chống gãy giòn) bị ảnh hưởng bởi thành phần hóa học, quá trình cán, độ dày và bất kỳ quá trình xử lý hậu kỳ nào (ví dụ: chuẩn hóa). Đối với ứng dụng ở nhiệt độ thấp, thường yêu cầu thử nghiệm va đập ở nhiệt độ quy định bất kể cấp độ.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của tấm A516 nhìn chung tốt khi sử dụng vật tư tiêu hao và quy trình hàn bình chịu áp lực thông dụng, miễn là quá trình gia nhiệt trước, nhiệt độ lớp hàn và lượng nhiệt đầu vào được kiểm soát theo độ dày. Các yếu tố quan trọng cần xem xét về khả năng hàn bao gồm hàm lượng cacbon, CE (tương đương cacbon) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô.

Biểu thức tương đương carbon hữu ích (diễn giải theo hướng định tính; không thay thế cho việc xác định quy trình): - Viện Hàn Quốc tế CE (mẫu ví dụ): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Thông số toàn diện hơn về khả năng hàn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Lượng cacbon tương đương (CE) thấp hơn tương quan với khả năng hàn dễ hơn và nguy cơ vùng ảnh hưởng nhiệt cứng (HAZ) và nứt nguội thấp hơn, do đó làm giảm yêu cầu gia nhiệt trước. - Cấp A516 được thiết kế và xử lý để duy trì CE ở mức tương đối thấp. Cấp 70, có độ bền cao hơn, có thể có CE cao hơn một chút trong một số quy trình cán, do đó, các tiết diện dày hơn hoặc một số điều kiện hàn nhất định có thể yêu cầu kiểm soát quá trình nung nóng sơ bộ và kiểm soát quá trình hàn xen kẽ thận trọng hơn. - Luôn xác định quy trình hàn (WPS/PQR) dựa trên độ dày, cấp độ và nhiệt độ làm việc thực tế của tấm. Sử dụng các khuyến nghị về xử lý nhiệt trước và sau khi hàn từ các quy chuẩn (ví dụ: ASME) và hướng dẫn của nhà cung cấp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Thép A516 là thép cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon không hợp kim và cần có hệ thống bảo vệ khi tiếp xúc với khí quyển, nước bắn hoặc chôn dưới đất.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến: chuẩn bị bề mặt sau đó là sơn lót và sơn phủ, mạ kẽm (nếu phù hợp với dịch vụ và chế tạo), lớp lót chống ăn mòn cho bề mặt bên trong hoặc bảo vệ catốt cho các công trình chôn dưới đất hoặc ngập nước.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ liên quan đến hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• PREN không áp dụng cho thép A516 vì chúng không phải là thép không gỉ. Việc giảm thiểu ăn mòn cho thép A516 phụ thuộc vào lớp phủ, lớp lót hoặc kim loại thay thế (thép không gỉ hoặc hợp kim chống ăn mòn) trong trường hợp dự kiến ​​xảy ra ăn mòn nghiêm trọng.

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

• Cắt: cắt plasma, oxy-nhiên liệu hoặc laser là phương pháp phổ biến để cắt tấm; các thông số và dung sai cắt nhiệt phải phản ánh độ dày và cấp độ.
• Tạo hình/uốn cong: cả hai loại thép đều có thể được tạo hình nguội trong giới hạn cho phép. Độ bền cao hơn của thép Gr70 làm giảm khả năng uốn cong cho phép hoặc tăng bán kính uốn cong yêu cầu so với thép Gr60 ở cùng độ dày.
• Khả năng gia công: đặc trưng của thép cacbon hợp kim thấp; độ bền cao hơn (và độ cứng cao hơn một chút) ở Gr70 có thể làm giảm đáng kể khả năng gia công so với Gr60.
• Khoan, ren và tạo ren tuân theo các thông lệ tiêu chuẩn đối với thép cacbon; hãy cân nhắc độ cứng và độ dẻo dai khi chỉ định xử lý nhiệt hoặc mài sau gia công.

8. Ứng dụng điển hình

A516 Cấp 60 — Công dụng điển hình	A516 Cấp 70 — Công dụng điển hình
Nồi hơi, bể chứa và bình chứa áp suất thấp đến trung bình, nơi ứng suất thiết kế được bảo tồn và chi phí là một yếu tố	Bình chịu áp suất cao, tấm dày hơn hoặc thiết kế đòi hỏi ứng suất cho phép cao hơn hoặc độ dày tiết diện giảm
Các thành phần cấu trúc trong thiết bị nhà máy phụ trợ, nơi độ dẻo dai và dễ chế tạo được ưu tiên	Vỏ bình chịu áp suất, tấm trống hơi và các ứng dụng có yêu cầu về độ bền kéo/độ bền chảy tối thiểu cao hơn được chỉ định theo quy định hoặc thiết kế
Chế tạo chung trong đó yêu cầu tác động ở nhiệt độ thấp là khiêm tốn	Các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao hơn với độ dẻo dai chấp nhận được sau khi xử lý được kiểm soát; thường được sử dụng khi trọng lượng hoặc độ dày tấm tiết kiệm là vấn đề quan trọng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép đáp ứng ứng suất cho phép theo quy định, giới hạn độ dày tấm và bất kỳ yêu cầu va đập nhiệt độ thấp nào được chỉ định. Phương pháp chế tạo, quy trình hàn và các cân nhắc về lớp phủ/tuổi thọ cũng quyết định lựa chọn cuối cùng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: A516 Gr70 thường đắt hơn Gr60 một chút do yêu cầu kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn để đáp ứng các yêu cầu cơ học cao hơn và đôi khi đòi hỏi khắt khe hơn về đảm bảo chất lượng. Mức giá chênh lệch tùy thuộc vào thị trường, nhà máy và độ dày tấm.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép đều là thép tiêu chuẩn và được các nhà phân phối thép tấm dự trữ rộng rãi với độ dày thông thường. Các loại thép tấm rất dày hoặc kết hợp độ dày/hóa chất đặc biệt có thể mất thời gian giao hàng; tình trạng sẵn có phụ thuộc vào năng lực nhà máy và kho dự trữ khu vực.
• Các dạng sản phẩm: dạng tấm (tiêu chuẩn), dạng phôi cắt theo kích thước, và đôi khi có cả phiên bản chuẩn hóa hoặc đạt chuẩn kiểm tra. Việc kiểm tra va đập tùy chỉnh ở nhiệt độ quy định có thể làm tăng chi phí và thời gian thực hiện.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Diện mạo	A516 Gr60	A516 Gr70
Khả năng hàn	Rất tốt; dễ hơn một chút trong một số bài tập	Rất tốt; có thể cần kiểm soát nhiệt độ trước nhiều hơn một chút ở những phần dày
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền quy định thấp hơn, độ dẻo nói chung tốt	Độ bền cao hơn theo quy định, vẫn có độ dẻo dai tốt nếu được xử lý/kiểm soát
Trị giá	Thấp hơn (thường)	Cao hơn (thường)

Kết luận — hướng dẫn thực tế: - Chọn A516 Gr60 nếu: - Thiết kế của bạn cho phép cường độ thấp hơn và bạn ưu tiên tiết kiệm chi phí, cải thiện độ dẻo một chút hoặc tạo hình dễ dàng hơn cho độ dày nhất định. - Quy trình hàn và yêu cầu chịu va đập ở nhiệt độ thấp ở mức vừa phải và bạn thích tấm kim loại tiết kiệm nhất đáp ứng được tiêu chuẩn. - Chọn A516 Gr70 nếu: - Thiết kế của bạn yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn, độ dày tấm giảm vì lý do trọng lượng/khoảng hở hoặc các yêu cầu cụ thể của mã yêu cầu cấp độ cao hơn. - Bạn cần giá trị độ bền kéo và độ chảy tối thiểu cao hơn và sẵn sàng áp dụng các biện pháp kiểm soát hàn phù hợp (thử nghiệm nung nóng trước, thử nghiệm xuyên qua và thử nghiệm va đập khi cần thiết).

Lưu ý cuối cùng: Các loại thép A516 được chỉ định và mua sắm theo khuôn khổ hợp đồng và quy định; luôn xác minh các giới hạn hóa học và cơ học chính xác, các yêu cầu thử nghiệm va đập và thực hành sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM A516/A516M, báo cáo thử nghiệm tại nhà máy và quy định thiết kế chi phối (ASME hoặc tương đương) trước khi lựa chọn vật liệu cuối cùng và đủ điều kiện WPS.