AH32 so với AH36 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

AH32 và AH36 là những loại thép kết cấu cường độ cao được sử dụng rộng rãi trong đóng tàu và chế tạo nặng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan khi lựa chọn giữa các mác thép có chi phí thấp hơn, dễ chế tạo hơn và các mác thép có cường độ cao hơn, cho phép tiết diện mỏng hơn hoặc trọng lượng nhẹ hơn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn giữa khả năng hàn và dễ tạo hình so với lợi ích của năng suất cao hơn với độ dày tấm giảm, hoặc so sánh chi phí vòng đời khi xem xét khả năng chống ăn mòn và sửa chữa.

Điểm khác biệt thực tế cốt lõi giữa hai loại thép này là thép AH36 được thiết kế để cung cấp giới hạn chảy tối thiểu cao hơn thép AH32, cho phép chịu tải trọng lớn hơn hoặc giảm độ dày tiết diện cho cùng một ứng suất thiết kế. Vì cả hai loại thép này đều được thiết kế cho các ứng dụng kết cấu hàng hải, chúng thường được so sánh khi tối ưu hóa kết cấu vỏ tàu, kết cấu boong, giá đỡ và các cấu kiện kết cấu chính khác.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tổ chức phân loại và cơ quan tiêu chuẩn thường áp dụng cấp AH: ABS (Cục Hàng hải Hoa Kỳ), DNV‑GL / DNV, Lloyd's Register, Bureau Veritas.
• Tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia tham chiếu đến các cấp thép đóng tàu tương đương hoặc quy định về thép kết cấu: ASTM A131 (Thép kết cấu thân tàu), cùng nhiều thông số kỹ thuật quốc gia và bảng dữ liệu nhà cung cấp khác nhau. Có thể tìm thấy các loại thép tương đương hoặc tương tự trong hệ thống EN và JIS, nhưng tên cấp thép chính xác sẽ khác nhau.
• Phân loại vật liệu: AH32 và AH36 là thép kết cấu hợp kim thấp (HSLA) có độ bền cao, cacbon-mangan, dùng cho đóng tàu và xây dựng hàng hải (không phải thép không gỉ, không phải thép công cụ).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dòng sản phẩm AH được thiết kế để cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai ở nhiệt độ vận hành thấp và khả năng hàn. Hợp kim vi lượng (Ti, Nb, V) và việc bổ sung Mn và Si một cách có kiểm soát thường được sử dụng để tạo ra các đặc tính cơ học mong muốn mà không chứa quá nhiều carbon.

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%) — mang tính chỉ dẫn và đại diện cho thông lệ nhà máy thông thường; giới hạn thực tế được đảm bảo do cơ quan phân loại hoặc chỉ định kỹ thuật đặt ra.

Yếu tố	AH32 (phạm vi điển hình)	AH36 (phạm vi điển hình)
C (cacbon)	~0,10 – 0,20	~0,10 – 0,22
Mn (mangan)	~0,50 – 1,60	~0,50 – 1,60
Si (silicon)	~0,10 – 0,50	~0,10 – 0,50
P (phốt pho)	≤ ~0,035 (tối đa)	≤ ~0,035 (tối đa)
S (lưu huỳnh)	≤ ~0,035 (tối đa)	≤ ~0,035 (tối đa)
Cr (crom)	dấu vết – ~0,30	dấu vết – ~0,30
Ni (niken)	dấu vết – ~0,50	dấu vết – ~0,50
Mo (molypden)	dấu vết – ~0,10	dấu vết – ~0,10
V (vanadi)	dấu vết (hợp kim nhỏ)	dấu vết (hợp kim nhỏ)
Nb (niobi)	dấu vết (hợp kim nhỏ)	dấu vết (hợp kim nhỏ)
Ti (titan)	dấu vết (hợp kim nhỏ)	dấu vết (hợp kim nhỏ)
B (bo)	dấu vết (thỉnh thoảng)	dấu vết (thỉnh thoảng)
N (nitơ)	dấu vết (~0,010–0,015)	dấu vết (~0,010–0,015)

Ghi chú: - Những phạm vi này chỉ mang tính chất tham khảo. Thành phần chính xác phụ thuộc vào quy trình sản xuất, độ dày, yêu cầu của người mua và quy định của tổ chức phân loại. - AH36 đạt được độ bền kéo cao hơn thông thường nhờ kiểm soát chặt chẽ hơn quá trình cán/nhiệt cơ và trong một số trường hợp, nhờ sự khác biệt nhỏ trong chiến lược hợp kim hóa vi mô hoặc làm mát thay vì những thay đổi lớn theo từng bước về hàm lượng carbon.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo nếu tăng quá mức. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) làm mịn kích thước hạt và tăng cường độ kết tủa, cho phép sản lượng cao hơn với hàm lượng cacbon vừa phải—đây là con đường quan trọng để có độ bền cao hơn mà không làm giảm đáng kể độ dẻo dai. - Việc bổ sung Si và dấu vết Cu/Ni có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khí quyển một cách khiêm tốn và có thể tăng cường độ khi kết hợp với TMCP (xử lý kiểm soát nhiệt cơ).

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

Cấu trúc vi mô điển hình - AH32/AH36 cán và chuẩn hóa: chủ yếu là ferit mịn và perlit với ferit bainit hoặc ferit kim được kéo theo trong các dạng sản phẩm TMCP. Cấu trúc vi mô hướng đến hạt ferit mịn để duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp. - TMCP (gia công kiểm soát nhiệt cơ học) được sử dụng rộng rãi để sản xuất cả hai loại thép ở mức cường độ cao hơn mà vẫn giữ được độ dẻo dai tốt. TMCP tạo ra ferit đa giác mịn và các phân tán đặc tính bainit/bainit trên, đồng thời thúc đẩy sự hình thành hạt ferit hình kim trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn.

Phản ứng xử lý nhiệt - Các loại thép này thường được cung cấp ở dạng cán; xử lý nhiệt sau hàn không phổ biến đối với các kết cấu tàu lớn. - Chuẩn hóa (nung nóng lại ở nhiệt độ trên A3 và làm mát bằng không khí) có thể tinh chỉnh hạt thô khi cán và khôi phục độ dẻo dai sau quá trình xử lý nặng nhưng thường không được thực hiện trên các tấm lớn đang sử dụng. - Làm nguội và ram không phải là quy trình sản xuất/sửa chữa tiêu chuẩn cho các loại thép AH và thường được dành riêng cho các loại thép chuyên dụng có độ bền cao; làm nguội và ram sẽ thay đổi phân loại và các cân nhắc về khả năng hàn/giòn hydro. - TMCP và các chiến lược làm mát tăng tốc cho phép tăng năng suất mà không cần tăng hàm lượng carbon—đây là con đường phổ biến được sử dụng để đạt được mức hiệu suất AH36.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình (mang tính chất tham khảo; giá trị đảm bảo chính xác được xác định theo thông số kỹ thuật, độ dày và thử nghiệm).

Tài sản	AH32 (điển hình)	AH36 (điển hình)
Cường độ chịu kéo tối thiểu (MPa)	~315 MPa	~355 MPa
Độ bền kéo (MPa)	~430 – 570 MPa	~460 – 610 MPa
Độ giãn dài (A, % theo 200 mm hoặc cỡ đo được chỉ định)	~20 – 22%	~18 – 22%
Độ bền va đập Charpy (J)	Được chỉ định ở nhiệt độ thấp (ví dụ: -20 đến -40°C); tùy thuộc vào độ dày	Được chỉ định ở nhiệt độ thấp (ví dụ: -20 đến -40°C); tương đương nhưng có thể yêu cầu kiểm soát quy trình
Độ cứng (HB)	Phạm vi điển hình phụ thuộc vào điều kiện; trung bình (thấp hơn thép tôi)	Cao hơn một chút so với mức trung bình do năng suất cao hơn

Giải thích: - AH36 được chỉ định có giới hạn chảy tối thiểu cao hơn, khiến nó trở thành loại thép có độ bền cao hơn về mặt giới hạn thiết kế đàn hồi/dẻo và cho phép tạo ra các mặt cắt mỏng hơn hoặc khả năng chịu tải cao hơn. - Độ dẻo dai được kiểm soát bằng quy trình xử lý và hóa học; cả hai loại đều có thể được cung cấp với đặc tính chịu va đập ở nhiệt độ thấp tốt, nhưng mục tiêu có độ bền cao hơn (AH36) yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn quá trình cán và làm mát để tránh mất độ dẻo dai. - Độ dẻo (độ giãn dài) tương tự nhau ở cả hai loại, mặc dù các tấm rất dày và yêu cầu về độ dẻo cao hơn có thể làm giảm độ dẻo nếu quá trình xử lý không được quản lý.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố cần xem xét về khả năng hàn tập trung vào hàm lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Hàm lượng cacbon thấp hơn và hợp kim được kiểm soát có lợi cho hàn; độ cứng cao hơn làm tăng nguy cơ hình thành martensite HAZ và nứt nguội.

Công thức tính khả năng hàn phổ biến (giải thích theo định tính đối với thép AH): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (chi tiết hơn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả AH32 và AH36 đều được thiết kế để hàn; hàm lượng cacbon tương đương của chúng được giữ ở mức vừa phải bằng cách hạn chế cacbon và kiểm soát mức Mn/Cr/Ni. - AH36, do mục tiêu về giới hạn chảy/cường độ cao hơn, có thể có hàm lượng cacbon tương đương hoặc hợp kim vi mô cao hơn một chút và do đó nhạy cảm hơn với quá trình làm cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt do hydro gây ra. Điều này có thể đòi hỏi các quy trình trước và sau hàn cẩn thận hơn (ví dụ: gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và kiểm soát hydro) đối với các tiết diện dày hơn. - Sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, thiết kế mối nối phù hợp và kiểm soát quá trình hạn chế và gia nhiệt trước thường giúp kiểm soát rủi ro nứt mối hàn ở cả hai cấp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả AH32 và AH36 đều không gỉ; khả năng chống ăn mòn trong khí quyển hoặc nước biển đạt được thông qua lớp phủ, bảo vệ catốt hoặc lớp phủ chống ăn mòn bằng kim loại.
• Hệ thống bảo vệ điển hình: sơn lót giàu kẽm, lớp phủ epoxy và polyurethane, mạ kẽm nhúng nóng (cho các thành phần nhỏ hơn) và lớp phủ hàng hải chuyên dụng cho thân tàu.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép cacbon này vì PREN được thiết kế để xếp hạng hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với thân tàu và các kết cấu lộ thiên, việc lựa chọn được quyết định bởi tuổi thọ và khả năng sửa chữa của hệ thống sơn phủ hơn là khả năng chống ăn mòn kim loại của thép AH cơ bản.

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

• Cắt: Sử dụng phương pháp cắt plasma, oxy-nhiên liệu và laser; độ bền và độ cứng cao hơn một chút của AH36 có thể làm tăng lực cắt và giảm độ mài mòn cho vật tư tiêu hao.
• Tạo hình và uốn: Cả hai loại thép này đều có thể được tạo hình bằng máy ép và cán uốn tấm thông thường; AH36 có thể cần bán kính uốn lớn hơn hoặc lực tạo hình cao hơn cho cùng độ dày do năng suất tăng.
• Khả năng gia công: Cấp AH không được tối ưu hóa để gia công—độ bền cao hơn (AH36) làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và lực cắt cần thiết.
• Hoàn thiện: Việc chuẩn bị bề mặt để phủ lớp phủ tương tự nhau đối với cả hai loại; việc mài và chỉnh sửa mối hàn đòi hỏi nhiều hơn một chút đối với AH36 khi muốn đạt được các đường viền góc cạnh mịn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng phổ biến theo từng cấp độ

AH32 (sử dụng phổ biến)	AH36 (sử dụng phổ biến)
Lớp vỏ tàu chung cho thiết kế có độ bền vừa phải	Lớp vỏ tàu chính và các thành phần kết cấu cần có độ bền cao hơn
Tấm sàn và kết cấu thượng tầng ưu tiên chi phí và khả năng tạo hình	Giá đỡ chịu tải cao, khung lưới, vách ngăn được thiết kế để giảm độ dày
Bộ phận gia cố bên trong, giá đỡ, đồ đạc không quan trọng	Khung nặng, dầm, các thành phần vách ngăn va chạm, các khu vực cần biên độ lớn hơn để nhường đường
Các thành phần chế tạo cần phải uốn/tạo hình rộng rãi	Các phần tàu nơi giảm trọng lượng thông qua tấm mỏng hơn được theo đuổi

Cơ sở lựa chọn: - Chọn AH32 khi định hình, uốn cong hoặc chi phí quan trọng hơn và tải trọng kết cấu cho phép sản lượng thấp hơn. Ưu điểm của AH32 là dễ chế tạo hơn một chút và chi phí vật liệu thấp hơn một chút, có thể rút ngắn thời gian và chi phí sản xuất. - Chọn AH36 khi tải trọng thiết kế, giảm tiết diện (tiết kiệm trọng lượng) hoặc các yêu cầu về quy định/thành viên đòi hỏi giới hạn chảy cao hơn. Trong nhiều thiết kế hiện đại, AH36 cho phép mạ mỏng hơn để đáp ứng cùng tiêu chí kết cấu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: AH36 thường có giá cao hơn AH32 một chút do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn, yêu cầu về hợp kim hoặc xử lý TMCP có thể cao hơn và phân loại hiệu suất cao hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn trên toàn thế giới dưới dạng tấm, dạng cắt theo chiều dài, và đôi khi dưới dạng mặt cắt định hình. Các tấm thép rất dày hoặc độ dày đặc biệt có thể có thời gian giao hàng lâu hơn, và tính khả dụng của các loại thép tôi luyện đặc biệt hoặc thép tấm đã được kiểm tra va đập ở nhiệt độ cực thấp có thể bị hạn chế hơn.
• Mẹo mua sắm: Chỉ định độ dày, nhiệt độ thử nghiệm va đập cần thiết và điều kiện cung cấp (ví dụ: TMCP) để nhận được báo giá chính xác và ước tính thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: ảnh chụp nhanh so sánh

Loại	AH32	AH36
Khả năng hàn	Tuyệt vời (rất tốt)	Rất tốt (yêu cầu HAZ/kiểm soát nhiều hơn một chút ở các phần dày)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt	Năng suất cao hơn; yêu cầu kiểm soát quy trình để đạt được độ dẻo dai tương đương
Trị giá	Thấp hơn (thường)	Cao hơn (thường)

Sự giới thiệu: - Chọn AH32 nếu thiết kế của bạn ưu tiên tạo hình, uốn cong và chi phí mua thấp hơn, và nếu thiết kế kết cấu cho phép cường độ chịu kéo thấp hơn (phù hợp với nhiều thành phần kết cấu phụ và các khu vực thân tàu không quan trọng). - Chọn AH36 nếu bạn cần cường độ chịu kéo tối thiểu cao hơn để giảm độ dày của tiết diện hoặc đáp ứng các yêu cầu về kết cấu nghiêm ngặt hơn (phù hợp với lớp vỏ thân tàu chính, các bộ phận chịu tải chính và khi mục tiêu chính là tiết kiệm trọng lượng hoặc tăng biên độ thiết kế).

Ghi chú kết luận: Sự khác biệt thực tế giữa AH32 và AH36 chủ yếu nằm ở việc tăng giới hạn chảy quy định của AH36, đạt được thông qua quá trình xử lý hóa học và nhiệt cơ được kiểm soát chặt chẽ hơn là thay đổi thành phần cơ bản. Việc lựa chọn nên cân bằng giữa khả năng gia công chế tạo, khả năng hàn, yêu cầu kiểm tra va đập và chi phí vòng đời. Trong các thông số kỹ thuật mua sắm và thiết kế, hãy luôn tham khảo các quy tắc của tổ chức phân loại và chứng chỉ vật liệu có liên quan để đảm bảo tuân thủ các yêu cầu về đặc tính phụ thuộc vào độ dày.