A653 SS-Gr33 so với Gr37 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Tiêu chuẩn ASTM A653 bao gồm thép cacbon mạ kẽm (mạ kẽm) và thép tấm hợp kim thấp cường độ cao. Trong phạm vi ký hiệu nhà máy, bạn sẽ thấy các cấp thép được dán nhãn theo giới hạn chảy tối thiểu—ví dụ thường gặp là ký hiệu kết cấu Gr33 và Gr37. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất phải quyết định giữa các cấp độ bền hơi khác nhau trong khi vẫn cân bằng giữa khả năng hàn, khả năng tạo hình, khả năng chống ăn mòn và chi phí.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là mức độ bền tối thiểu được đảm bảo: ký hiệu Gr37 tương ứng với cấp độ bền kết cấu cao hơn Gr33. Vì cả hai đều rất giống nhau về mặt hóa học và mục đích gia công (thép cacbon thấp cán nguội dùng để phủ), nên việc lựa chọn thường phụ thuộc vào khả năng chịu tải yêu cầu so với tính dễ chế tạo và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME: ASTM A653 / A653M — Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thép tấm, mạ kẽm (mạ kẽm) hoặc mạ hợp kim kẽm-sắt (mạ kẽm ủ) bằng quy trình nhúng nóng. Các ký hiệu mác thép như SS-Gr33 và SS-Gr37 phản ánh giới hạn chảy tối thiểu (tính bằng ksi) dùng cho kết cấu.
• EN: Các loại sản phẩm tương đương được quy định trong EN 10346 (sản phẩm thép phẳng mạ kẽm nhúng nóng liên tục) và EN 10142/EN 10147 dành cho các sản phẩm mạ cụ thể, nhưng tên gọi của từng loại sản phẩm trực tiếp thì khác nhau.
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn của Nhật Bản và Trung Quốc có các họ sản phẩm tương đương riêng (ví dụ: JIS G3302 dành cho tấm thép mạ kẽm nhúng nóng; GB/T 2518/2518M dành cho tấm thép tương đương), nhưng quy ước đặt tên thì khác nhau—so sánh theo yêu cầu về mặt cơ học thay vì tên cấp chính xác.
• Phân loại: Cả SS-Gr33 và SS-Gr37 đều là thép kết cấu cacbon thấp dùng cho các sản phẩm tấm phủ. Chúng không phải là thép không gỉ hoặc thép dụng cụ; chúng là thép cacbon/hợp kim thấp, chủ yếu được sử dụng làm tấm phủ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dòng sản phẩm này được chế tạo từ thép cacbon-mangan hàm lượng cacbon thấp, được tối ưu hóa về khả năng định hình, khả năng phủ và độ bền chấp nhận được. Giới hạn thành phần chính xác được quy định bởi tiêu chuẩn sản xuất và chứng nhận nhà máy, nhưng các loại nguyên tố điển hình cần xem xét được trình bày bên dưới.

Yếu tố	Vai trò / sự liên quan điển hình
C (cacbon)	Kiểm soát độ bền và khả năng tôi cứng của đế. Giữ ở mức thấp để duy trì khả năng tạo hình và hàn.
Mn (mangan)	Tăng cường độ bền và khả năng tôi luyện một cách khiêm tốn; được sử dụng để đạt được năng suất mục tiêu mà không cần hàm lượng C quá cao.
Si (silicon)	Chất khử oxy; hàm lượng nhỏ có thể ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ và phản ứng nhiệt.
P (phốt pho)	Nói chung là hạn chế; có thể tăng độ bền nhưng lại làm giảm độ dẻo và khả năng chống ăn mòn.
S (lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo và khả năng tạo hình; S cao cải thiện khả năng gia công nhưng làm giảm hiệu suất.
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Thông thường không có hoặc chỉ xuất hiện ở dạng vết/vi hợp kim trong các mác thép kết cấu tiêu chuẩn A653. Hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) có thể được sử dụng trong một số biến thể có độ bền cao hơn để tăng năng suất/độ dẻo dai thông qua quá trình gia cường kết tủa.
N (nitơ)	Được kiểm soát; có thể góp phần kiểm soát độ bền và khả năng tạo hình của thép hợp kim siêu nhỏ.

Lưu ý: Đối với các loại tấm kết cấu mạ kẽm, hàm lượng carbon được cố ý giữ ở mức thấp để tối đa hóa khả năng định hình và hiệu suất mạ. Các nhà sản xuất cung cấp các dải thành phần được chứng nhận; hãy tham khảo báo cáo thử nghiệm của nhà máy để biết giá trị chính xác. Bất kỳ thành phần vi hợp kim nào được sử dụng để đạt được Gr37 phải được nhà máy công bố và sẽ ảnh hưởng đến độ cứng và độ bền.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Tăng Mn, thêm hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) hoặc tăng C làm tăng năng suất và độ bền kéo nhưng có thể làm giảm độ dẻo và tăng độ tương đương cacbon. - Hàm lượng C thấp và Si/P/S được kiểm soát giúp duy trì khả năng tạo hình nguội và thúc đẩy quá trình mạ kẽm và phủ lớp mạ đồng đều.

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

Cấu trúc vi mô điển hình cho cả hai loại, sau các chu trình cán nguội và ủ thông thường được sử dụng cho tấm phủ, là: - Ma trận chủ yếu là ferit với các đảo perlit mịn có thể có nếu cacbon hướng tới giới hạn trên. - Trong các biến thể hợp kim vi mô, có thể có các kết tủa mịn của NbC, TiC hoặc VC, giúp tăng cường kết tủa.

Xử lý phản hồi: - Ủ liên tục + ủ mẻ: Tạo ra cấu trúc vi mô ferritic hoàn toàn hoặc ferit + perlit rất mịn có độ dẻo và bề mặt tốt để mạ kẽm. - Thường hóa và làm nguội & ram: Không điển hình đối với tấm phủ trong nhóm A653; những quy trình này được áp dụng cho tấm và thanh để có sản phẩm có độ bền cao hơn, không áp dụng cho tấm mạ kẽm tiêu chuẩn. - Xử lý nhiệt cơ học (TMCP): Nếu Gr37 đạt được một phần nhờ TMCP, cấu trúc vi mô sẽ cho thấy ferit tinh chế và kết tủa phân tán, cải thiện năng suất và độ dẻo dai so với sản phẩm cán nguội/ủ đơn giản ở mức cacbon tương tự.

Ý nghĩa thực tiễn: Cả hai loại đều được thiết kế để sản xuất theo phương pháp cán nguội và ủ thông thường; Gr37 có thể sử dụng ứng suất cao hơn, TMCP hoặc hợp kim vi mô để đạt được năng suất cao hơn mà không làm giảm độ dẻo.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là bản tóm tắt so sánh tập trung vào các kết quả cơ học điển hình mà bạn sẽ thấy khi lựa chọn Gr33 so với Gr37. Giá trị hợp đồng chính xác phải được lấy từ báo cáo thử nghiệm được chứng nhận của nhà cung cấp.

Tài sản	SS-Gr33 (điển hình)	SS-Gr37 (điển hình)	Bình luận
Độ bền kéo tối thiểu	~33 ksi (≈228 MPa)	~37 ksi (≈255 MPa)	Gr37 đảm bảo năng suất cao hơn cho thiết kế kết cấu.
Độ bền kéo (phạm vi điển hình)	Chồng chéo: độ bền kéo vừa phải (ví dụ, điển hình là 45–60 ksi tùy thuộc vào độ dày/quy trình)	Trùng lặp: giới hạn trên tương tự hoặc cao hơn một chút	Độ bền kéo thay đổi tùy theo quá trình gia công nguội, nhiệt độ và độ dày.
Độ giãn dài (%), độ dẻo	Độ dẻo cao hơn ở độ dày tương đương	Độ giãn dài thấp hơn một chút do cường độ cao hơn	Năng suất thấp hơn thường mang lại hiệu suất kéo giãn/tạo hình tốt hơn.
Độ bền va đập	Tốt cho cả hai nếu được xử lý đúng cách; tùy thuộc vào độ dày và quá trình ủ	Tương đương nhưng có thể thấp hơn một chút nếu hợp kim vi mô hoặc CE cao hơn	Không phải là yếu tố phân biệt chính cho các loại giấy này.
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn một chút	Có tương quan với xu hướng độ bền kéo/giới hạn chảy.

Diễn giải: Gr37 là loại thép cứng hơn, có khả năng chịu tải cao hơn trên một đơn vị diện tích. Gr33 thường có khả năng định hình và hấp thụ năng lượng (độ bền) tốt hơn trong các quá trình biến dạng nặng.

5. Khả năng hàn

Cả hai loại thép này thường có khả năng hàn cao vì chúng là thép phủ có hàm lượng carbon thấp, được thiết kế để chế tạo thông thường. Các yếu tố chính: - Hàm lượng carbon danh nghĩa thấp và khả năng làm cứng thấp có nghĩa là giảm nguy cơ nứt nguội và hàn nóng chảy đơn giản với vật tư tiêu hao tiêu chuẩn. - Nếu Gr37 được sản xuất bằng cách sử dụng hợp kim vi mô hoặc Mn cao hơn để đạt được năng suất cao hơn, lượng cacbon tương đương sẽ cao hơn và có thể cần điều chỉnh quy trình hàn (làm nóng trước, kiểm soát đường hàn) ở các phần dày.

Các chỉ số tương đương carbon hữu ích (để đánh giá định tính): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ và một tham số bao hàm hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Hướng dẫn giải thích: - Cả SS-Gr33 và SS-Gr37 thường có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp vì C và hợp kim thấp—mang lại hiệu suất hàn hồ quang tốt. - Nếu thử nghiệm nhà máy của nhà cung cấp cho thấy hàm lượng Mn hoặc hợp kim vi mô cao đối với Gr37, hãy dự đoán số CE cao hơn một chút và lập kế hoạch các thông số hàn cho phù hợp (có thể gia nhiệt trước ở mức thấp đối với các phần dày, kiểm soát lượng nhiệt đầu vào). - Lớp mạ kẽm cần lưu ý: sự bay hơi kẽm có thể gây ra hiện tượng rỗ khí và đòi hỏi kỹ thuật hàn, hút khói và bảo hộ cá nhân phù hợp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Các loại thép này được sản xuất đặc biệt để được phủ lớp kim loại bảo vệ (mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ kẽm ủ). Chúng không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn được tạo ra bởi hệ thống phủ chứ không phải bởi hàm lượng hợp kim.

• Các phương pháp bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng (Z), mạ kẽm ủ (ZA) hoặc sơn phủ/lớp phủ cuộn sau khi phủ. Lựa chọn lớp phủ phụ thuộc vào môi trường và tuổi thọ yêu cầu.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) có liên quan đến hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho thép cacbon mạ kẽm A653: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng cho thép cacbon tráng kẽm.

Ghi chú thực tế: - Chọn lớp mạ kẽm khối và/hoặc lớp phủ kép (kẽm + sơn) để bảo vệ chống ăn mòn lâu dài trong môi trường khắc nghiệt. - Đối với hoạt động tạo hình, hãy cân nhắc việc sửa chữa sau khi tạo hình hoặc sử dụng lớp phủ chịu được quá trình tạo hình mà không bị nứt.

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

• Cắt: Laser, plasma hoặc cắt cơ học đều có tác dụng tương tự đối với cả hai loại; Gr37 sẽ cần lực cắt cao hơn một chút khi cắt nguội do có độ bền cao hơn.
• Uốn/Tạo hình: Gr33 có khả năng tạo hình tốt hơn và độ đàn hồi thấp hơn; Gr37 có độ đàn hồi cao hơn và cần bán kính uốn lớn hơn hoặc lực cao hơn để có cùng độ biến dạng.
• Khả năng gia công: Cả hai đều không được tối ưu hóa để gia công (so với thép dễ cắt). Độ bền cao hơn có thể làm tăng nhẹ độ mài mòn của dụng cụ; các cân nhắc về gia công cũng tương tự nhau.
• Hoàn thiện: Bề mặt mạ kẽm phải được xử lý để tránh làm hỏng lớp phủ; quá trình tạo hình có thể làm nứt lớp phủ nếu bán kính uốn quá nhỏ—quan trọng hơn đối với các tấm có độ bền cao hơn (Gr37).

8. Ứng dụng điển hình

SS-Gr33 (sử dụng điển hình)	SS-Gr37 (sử dụng điển hình)
Tấm vỏ bao che tòa nhà, mái nhà, lớp ốp nơi mà hiệu suất tạo hình và ốc vít quan trọng	Các phần chịu lực trong các ứng dụng kết cấu nhẹ, đinh tán, xà gồ nơi năng suất cao hơn giúp giảm khổ
Tấm ốp bên trong ô tô, các thành phần ô tô không có cấu trúc cần phải được kéo sâu	Dập kết cấu ô tô khi cần thêm biên độ bền mà không cần khổ dày hơn
Hệ thống ống gió và thiết bị HVAC trong đó độ bám dính của lớp phủ và khả năng định hình là chính	Các cấu hình, giá đỡ và các thành phần được tạo hình nguội khi cần độ cứng cao hơn theo độ dày
Các sản phẩm tấm kim loại chế tạo chung, trong đó chi phí và hình thành được ưu tiên	Các ứng dụng cần giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện bằng cách sử dụng vật liệu có năng suất cao hơn

Cơ sở lựa chọn: Sử dụng Gr33 khi dự kiến ​​có hiện tượng tạo hình/kéo giãn đáng kể hoặc hấp thụ va đập, hoặc khi tối đa hóa tính toàn vẹn của lớp phủ trong các hoạt động tạo hình khắc nghiệt. Sử dụng Gr37 khi thiết kế yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu cao hơn để đáp ứng tải trọng kết cấu hoặc cho phép sử dụng các lớp mỏng hơn mà vẫn đảm bảo hiệu suất.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Gr37 thường có giá cao hơn Gr33 một chút do cần xử lý và/hoặc hợp kim hóa vi mô để đạt được thông số kỹ thuật năng suất cao hơn. Sự chênh lệch này không đáng kể so với tổng chi phí vật liệu, nhưng có thể đáng kể khi sản xuất số lượng lớn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều phổ biến ở dạng cuộn và dạng tấm; tính khả dụng của từng loại lớp phủ, độ rộng và độ dày cụ thể phụ thuộc vào sản lượng của nhà máy và hàng tồn kho của nhà phân phối. Thời gian giao hàng cho các lớp phủ đặc biệt hoặc dung sai chặt chẽ có thể lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	SS-Gr33	SS-Gr37
Khả năng hàn	Tuyệt vời (rất tốt)	Xuất sắc đến rất tốt (cẩn thận hơn một chút nếu dùng hợp kim vi mô)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Khả năng định hình và độ dẻo dai tốt	Độ bền kéo cao hơn; độ dẻo giảm nhẹ
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn một chút

Khuyến nghị: - Chọn SS-Gr33 nếu ưu tiên của bạn là kéo/tạo hình sâu, độ toàn vẹn lớp phủ tối đa sau khi tạo hình, độ giãn dài/độ bền vượt trội ở các bộ phận chế tạo hoặc chi phí vật liệu thấp hơn. - Chọn SS-Gr37 nếu thiết kế của bạn yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn để giảm độ dày tiết diện hoặc đáp ứng tiêu chí tải trọng kết cấu và nếu khả năng tạo hình giảm nhẹ là chấp nhận được.

Lưu ý cuối cùng: Luôn yêu cầu chứng chỉ kiểm tra nhà máy và xác nhận các giới hạn hóa học và cơ học cho lô cuộn hoặc tấm cụ thể mà bạn định mua. Sự thay đổi nhỏ về hàm lượng Mn hoặc sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô có thể thay đổi quy trình hàn và kết quả tạo hình; hãy chỉ định loại lớp phủ và khối lượng để dự đoán tuổi thọ chống ăn mòn.