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

Giới thiệu

ASTM A516 Cấp 60 và Cấp 70 là hai trong số những loại thép cacbon dùng cho bình chịu áp lực được chỉ định phổ biến nhất trên toàn thế giới. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên lựa chọn giữa chúng khi thiết kế nồi hơi, bộ trao đổi nhiệt, bồn chứa và các thiết bị chịu áp suất hàn khác. Những yếu tố đánh đổi điển hình thúc đẩy việc lựa chọn bao gồm độ bền yêu cầu so với độ dễ chế tạo, chi phí so với hiệu suất, và khả năng hàn so với độ bền phụ thuộc vào độ dày.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là thép Cấp 70 được chỉ định cung cấp độ bền tối thiểu cao hơn thép Cấp 60 trong khi vẫn duy trì độ dẻo và đặc tính chịu va đập tương đương khi được sản xuất và xử lý nhiệt theo thông số kỹ thuật áp dụng. Vì cả hai loại thép đều thuộc cùng một tiêu chuẩn ASTM/ASME (A516/A516M), chúng thường được so sánh trong thiết kế và mua sắm như những lựa chọn có thể thay thế cho nhau khi cần cân bằng giữa độ bền kết cấu hoặc độ dẻo dai phụ thuộc vào độ dày với chi phí chế tạo và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn kỹ thuật chính: ASTM A516 / ASME SA‑516 (Tấm thép bình chịu áp lực, thép cacbon, dùng cho môi trường nhiệt độ trung bình và thấp). Các cấp trong tiêu chuẩn này bao gồm 55, 60, 65 và 70; trong đó cấp 60 và 70 là phổ biến nhất.
• Tiêu chuẩn tương đương quốc tế và các tiêu chuẩn liên quan:
• EN: Không có tiêu chuẩn EU chính xác nào giống nhau, nhưng các loại thép bình chịu áp suất tương đương bao gồm loạt EN 10028 (ví dụ: P235GH, P265GH) và các biến thể EN 10025 dành cho thép kết cấu tùy thuộc vào ứng dụng.
• JIS/GB: Các quy định về nồi hơi và bình chịu áp suất tại địa phương chỉ định các cấp độ tương đương; các nhà thiết kế nên lập bản đồ các yêu cầu về cơ học và độ bền thay vì giả định sự tương đương trực tiếp.
• Phân loại vật liệu: Cả A516 Gr60 và Gr70 đều là thép cacbon thông thường/cacbon nhẹ với hợp kim được kiểm soát và được coi là thép cacbon (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ và không phải là hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) theo nghĩa chặt chẽ nhất, mặc dù có thể có một số hợp kim vi mô).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Tiêu chuẩn A516 tập trung vào việc đảm bảo các đặc tính chịu kéo và va đập đầy đủ thông qua việc kiểm soát giới hạn hàm lượng carbon, mangan và tạp chất thay vì hợp kim hóa quá mức. Các giới hạn thành phần cụ thể được quy định bởi ASTM A516/A516M; nhà sản xuất thường cung cấp chứng chỉ nhà máy chi tiết.

Bảng: Các yếu tố cấu thành điển hình — sự hiện diện định tính | Nguyên tố | Sự hiện diện và vai trò điển hình (A516 Gr60 / Gr70) | |---|---| | C (Carbon) | Thấp đến trung bình. Cấp 70 thường được chỉ định để đạt được độ bền cao hơn và do đó có thể có hàm lượng carbon hoặc hợp kim vi mô cao hơn một chút so với Cấp 60. Carbon kiểm soát độ bền và độ cứng cơ bản nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai ở mức cao. | | Mn (Mangan) | Trung bình. Mn làm tăng độ cứng và độ bền, hỗ trợ quá trình khử oxy; được kiểm soát để cân bằng độ dẻo dai và khả năng hàn. | | Si (Silic) | Thấp. Được sử dụng làm chất khử oxy; thường bị hạn chế. | | P (Phốt pho) | Vết (giới hạn tối đa). Giữ ở mức thấp để tránh giòn. | | S (Lưu huỳnh) | Dấu vết (giới hạn tối đa). Giữ ở mức thấp; có thể cố ý giảm thiểu để tăng độ bền và chất lượng mối hàn. | | Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti | Thông thường hàm lượng này rất thấp hoặc không có trong thành phần hóa học tiêu chuẩn A516. Một số nhà máy có thể thêm hợp kim vi mô được kiểm soát (ví dụ: V, Nb, Ti) với lượng nhỏ để tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ mà không làm tăng hàm lượng cacbon đáng kể—đặc biệt là ở các biến thể Cấp 70. | | B (Boron) | Không điển hình trong A516; khi có mặt ở lượng nhỏ, ảnh hưởng đến khả năng làm cứng. | | N (Nitơ) | Vết. Được kiểm soát để có các đặc tính được kiểm soát và tinh chế hạt trong một số quy trình. |

Lưu ý: Giới hạn số và giá trị tối đa chính xác cho C, Mn, P, S và các nguyên tố khác được quy định trong ASTM A516/A516M và các chứng chỉ nhà máy. Bảng trên mô tả chiến lược hợp kim hóa: hàm lượng cacbon vừa phải và Mn được kiểm soát để tăng cường độ, giới hạn tạp chất chặt chẽ để tăng độ dai, và lượng hợp kim bổ sung tối thiểu để duy trì khả năng hàn thuận lợi.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Độ bền: Cacbon và mangan là những nguyên tố chính tạo nên độ bền kéo và độ bền chảy. Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) có thể tăng độ bền thông qua quá trình tinh luyện hạt và gia cường kết tủa với ít ảnh hưởng của cacbon hơn. - Khả năng chống ăn mòn: Cả hai loại đều không phải thép không gỉ; hợp kim ở đây không mang lại khả năng chống ăn mòn đáng kể — cần phải bảo vệ bề mặt. - Khả năng làm cứng: Mn và cacbon làm tăng khả năng làm cứng; sự gia tăng nhẹ các nguyên tố này trong Cấp 70 làm cho nó dễ bị làm cứng hơn một chút ở vùng HAZ khi làm nguội nhanh.

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

Cấu trúc vi mô điển hình của thép A516 là ferit + peclit (hoặc bainit tùy thuộc vào thành phần và lịch sử cán/nhiệt). Vì thép A516 được thiết kế để sử dụng trong môi trường áp suất nhiệt độ trung bình, chúng thường được cung cấp ở trạng thái thường hóa hoặc cán để đảm bảo cấu trúc vi mô đồng đều và độ dẻo dai cần thiết.

• So sánh điểm:
• Gr60: Cấu trúc vi mô nói chung là ferit với perlit phân tán; cán và chuẩn hóa có kiểm soát tạo ra ma trận ferit-perlit mịn được tối ưu hóa về độ dẻo dai.
• Gr70: Cấu trúc vi mô cơ bản tương tự nhưng có thể chứa hàm lượng perlit cao hơn một chút hoặc kết tủa mịn hơn nếu được hợp kim hóa vi mô; điều này mang lại năng suất và độ bền kéo cao hơn mà không làm giảm đáng kể độ dẻo nếu được xử lý đúng cách.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa/tinh chỉnh: Chuẩn hóa sau khi cán nóng tạo ra cấu trúc hạt mịn đồng đều ở cả hai cấp, tăng cường độ dẻo dai.
• Làm nguội và ram: Không điển hình đối với sản phẩm cuối cùng A516 được sử dụng trong bình chịu áp suất; sẽ chuyển đổi cấu trúc vi mô thành martensite/martensite ram và tạo ra độ cứng và độ bền cao hơn nhưng không phải là phương pháp tiêu chuẩn cho thép chịu áp suất A516.
• Cán nhiệt cơ học (cán có kiểm soát): Được một số nhà máy sử dụng để đạt được độ bền và độ dẻo dai cao hơn thông qua quá trình tinh chế hạt và kiểm soát lượng mưa; có lợi cho Cấp 70 để đạt được mục tiêu độ bền cao hơn mà không làm giảm độ dẻo dai.

4. Tính chất cơ học

Thay vì cung cấp các giá trị số cụ thể (được thiết lập theo tiêu chuẩn hiện hành và phụ thuộc vào độ dày, hướng thử nghiệm và xử lý nhiệt), bảng sau đây tóm tắt các hành vi cơ học tương đối có liên quan nhất đến thiết kế và mua sắm.

Bảng: Xu hướng tính chất cơ học so sánh | Bất động sản | A516 Cấp 60 | A516 Cấp 70 | Ghi chú | |---|---:|---:|---| | Giới hạn chảy (tương đối) | Thấp hơn | Cao hơn | Cấp 70 được chỉ định cung cấp giới hạn chảy tối thiểu cao hơn Cấp 60. | | Độ bền kéo (tương đối) | Thấp hơn | Cao hơn | Cấp 70 thường có độ bền kéo tối thiểu cao hơn. | | Độ giãn dài / độ dẻo | Có thể so sánh | Có thể so sánh | Khi được cung cấp theo thông số kỹ thuật và có độ dày tương đương, các yêu cầu về độ giãn dài là tương tự nhau. | | Độ bền va đập (tương đối) | Tương tự | Tương tự | Các yêu cầu về năng lượng va đập của Charpy được thiết lập theo thông số kỹ thuật và điều kiện sản xuất; cả hai loại đều có thể đạt được độ bền tương đương nếu được sản xuất đúng cách. | | Độ cứng | Tương đương (Cấp 70 có thể cao hơn một chút) | Cao hơn một chút | Cấp 70 có thể cứng hơn một chút do có độ bền cao hơn; độ cứng vẫn ở mức vừa phải so với thép tôi. |

Giải thích: Sự khác biệt về thiết kế nằm ở độ bền: Cấp 70 được thiết kế cho ứng suất thiết kế cao hơn. Các yêu cầu về độ bền và độ dẻo trong ASTM A516 đảm bảo rằng cả hai cấp đều đáp ứng các giá trị năng lượng va đập tối thiểu cho các nhiệt độ làm việc quy định, do đó độ bền không nhất thiết bị ảnh hưởng khi chọn Cấp 70 khi sản xuất tấm theo thông số kỹ thuật.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép A516 nhìn chung tốt nhờ hàm lượng cacbon tương đối thấp và các nguyên tố hợp kim khác được kiểm soát chặt chẽ. Tuy nhiên, khi độ bền (và hàm lượng cacbon tương đương ngầm) tăng lên, các hạn chế về khả năng hàn cũng được thắt chặt.

Các yếu tố dự đoán khả năng hàn và lượng cacbon tương đương hữu ích: - Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (để dự đoán nhu cầu nung nóng trước trong hợp kim phức tạp): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả A516 Gr60 và Gr70 đều có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương đối thấp so với thép hợp kim có độ bền cao, điều này có nghĩa là các quy trình hàn hồ quang thông thường (SMAW, GMAW, SAW) có thể dễ dàng áp dụng. - Cấp 70 có thể có $CE_{IIW}$ cao hơn một chút do hàm lượng carbon/mn hoặc hợp kim vi mô cao hơn; do đó, đối với các phần dày hoặc khi sử dụng quy trình cấp nhiệt cao, nhiệt độ nung nóng trước vừa phải và nhiệt độ giữa các lớp được kiểm soát thường được khuyến nghị cho Gr70 để tránh hiện tượng cứng HAZ và dễ bị nứt nguội. - Việc sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, xử lý nhiệt sau hàn (khi được chỉ định) và tuân thủ các quy trình WPS/đạt chuẩn là điều phổ biến đối với cả hai loại thiết bị chịu áp suất.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A516 Gr60 và Gr70 đều không phải thép không gỉ; chúng sẽ bị ăn mòn nếu tiếp xúc với môi trường hoặc chất lỏng ăn mòn. Các chiến lược bảo vệ chống ăn mòn bao gồm lớp phủ (epoxy, polyurethane), hệ thống sơn, bảo vệ catốt và mạ kẽm nhúng nóng (tùy thuộc vào các hạn chế về độ dày và chuẩn bị bề mặt).
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) áp dụng cho hợp kim thép không gỉ và không liên quan đến thép cacbon A516. Chỉ mang tính chất minh họa: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng cho cấp A516 vì Cr, Mo và N có ở mức vết hoặc mức bằng không và không mang lại khả năng chống ăn mòn cục bộ.
• Cơ sở lựa chọn: Chọn biện pháp bảo vệ bề mặt dựa trên môi trường hoạt động (khí quyển, nước biển, tiếp xúc với hóa chất) thay vì cấp độ — cả hai cấp độ đều yêu cầu các biện pháp kiểm soát ăn mòn tương tự.

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

• Cắt: Cắt bằng plasma, oxy-nhiên liệu và cắt bằng ngọn lửa thường được sử dụng; Độ bền cao hơn một chút của Gr70 có thể yêu cầu công suất lớn hơn một chút nhưng không làm thay đổi lựa chọn quy trình.
• Khả năng gia công: Cả hai loại đều gia công tương tự nhau; Độ bền và độ cứng cao hơn một chút của loại 70 có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ một chút.
• Tạo hình và uốn: Cấp 60 có khả năng tạo hình tốt hơn một chút do giới hạn chảy thấp hơn; Cấp 70 yêu cầu lực tạo hình cao hơn và bán kính uốn hẹp hơn. Đối với các hoạt động tạo hình nguội ở bán kính hẹp, Cấp 60 thường được ưu tiên khi độ bền không phải là yếu tố chính.
• Hoàn thiện: Chuẩn bị bề mặt, mài và xử lý cạnh theo các thông lệ tiêu chuẩn; khi cần xử lý nhiệt sau hàn để chịu áp lực, cần phải có sự cho phép trong trình tự chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng chung của từng loại | A516 Cấp 60 | A516 Cấp 70 | |---|---| | Nồi hơi và bình chứa áp suất thấp đến trung bình, nơi chi phí và khả năng tạo hình là quan trọng | Nồi hơi, bể chứa và bình chứa áp suất cao hơn, nơi yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn | | Bộ trao đổi nhiệt và các thành phần chế tạo cần tạo hình hoặc uốn cong dễ dàng hơn | Bình chứa và đường ống chịu ứng suất cao hơn hoặc biên độ an toàn mỏng hơn khi năng suất cao hơn có lợi | | Ứng dụng kết cấu đòi hỏi độ dẻo dai ở nhiệt độ vừa phải nhưng không yêu cầu độ bền tối đa | Cải tạo hoặc sửa chữa khi cần sử dụng vật liệu có độ bền cao hơn ban đầu |

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Cấp 60 khi độ phức tạp trong chế tạo, uốn/tạo hình hoặc chi phí thấp hơn một chút là ưu tiên và ứng suất thiết kế cho phép năng suất thấp hơn. - Chọn Cấp 70 khi thiết kế yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn, tiết diện mỏng hơn nhưng vẫn có cùng độ bền hoặc khi quy định hoặc khách hàng chỉ định Cấp 70 cho dịch vụ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép loại 60 thường rẻ hơn thép loại 70 một chút tính theo tấn do quá trình xử lý để đạt được mục tiêu về độ bền thấp hơn; tuy nhiên, chênh lệch về chi phí thường không đáng kể và phụ thuộc vào điều kiện thị trường và hậu cần chuỗi cung ứng.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi tại các nhà máy cán thép tấm và nhà phân phối với kích thước và độ dày thép tấm thông dụng để sản xuất bình chịu áp lực. Tính khả dụng về độ dày, độ hoàn thiện bề mặt và chiều rộng thép tấm khác nhau tùy theo nhà máy địa phương; thép tấm loại 70 có thể được dự trữ phổ biến hơn cho các ứng dụng áp suất cao ở một số khu vực.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh | Hệ mét | A516 Cấp 60 | A516 Cấp 70 | |---|---:|---:| | Khả năng hàn | Rất tốt | Rất tốt (cần chú ý nhiều hơn một chút đối với các phần dày) | | Cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai | Độ bền vừa phải với độ dẻo dai tốt | Độ bền cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai khi sản xuất theo thông số kỹ thuật | | Chi phí | Thấp hơn (thường xuyên) | Cao hơn (thường xuyên) |

Khuyến nghị kết luận: - Chọn thép A516 Cấp 60 nếu bạn cần tạo hình/uốn dễ dàng hơn, chi phí vật liệu thấp hơn một chút, hoặc ứng suất thiết kế cho phép được đáp ứng nhờ giới hạn chảy thấp hơn. Thép này rất phù hợp cho các bình chịu áp suất trung bình, các chi tiết đòi hỏi chế tạo đáng kể và các dự án ưu tiên tốc độ chế tạo và khả năng uốn. - Chọn thép A516 Cấp 70 nếu thiết kế của bạn yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu và độ bền kéo cao hơn (cho phép tiết diện mỏng hơn hoặc áp suất làm việc cao hơn) trong khi vẫn đáp ứng các tiêu chí về độ bền trong thông số kỹ thuật. Thép Cấp 70 được ưu tiên sử dụng cho bình chịu áp suất cao hơn, tấm dày hơn khi biên độ bền là yếu tố quan trọng, hoặc khi quy chuẩn hoặc yêu cầu của khách hàng yêu cầu cấp cao hơn.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận chính xác các giới hạn hóa học, yêu cầu tối thiểu về cơ học và độ bền từ phiên bản hiện hành của ASTM A516/A516M và từ chứng nhận vật liệu của nhà máy. Đối với thiết bị chịu áp lực hàn, hãy tuân thủ các quy chuẩn thiết kế hiện hành (ASME Phần VIII hoặc quy định địa phương), quy trình WPS đủ điều kiện và các phương pháp xử lý nhiệt trước/sau hàn được xác định bằng cách tính toán $CE_{IIW}$ / $P_{cm}$ và theo độ dày và nhiệt độ làm việc.