AH32 so với DH32 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

AH32 và DH32 là hai loại thép hợp kim thấp (HSLA) cường độ cao/đóng tàu phổ biến được sử dụng cho kết cấu thân tàu, sàn tàu và các bộ phận chịu lực khác trong kỹ thuật hàng hải và ngoài khơi. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa độ bền, độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn loại thép tấm cho ứng dụng khí hậu ôn đới so với khí hậu lạnh, cân bằng giữa tính dễ chế tạo và hiệu suất chịu va đập cần thiết, và chỉ định vật liệu cho các kết cấu hàn đòi hỏi độ dẻo dai sau hàn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa AH32 và DH32 là dải nhiệt độ hoạt động dự kiến ​​và các yêu cầu về độ bền liên quan: DH32 được thiết kế và xử lý để mang lại độ bền va đập được đảm bảo cao hơn ở nhiệt độ hoạt động thấp hơn AH32. Do đó, DH32 thường yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn về thành phần và quy trình xử lý (quy trình kiểm soát nhiệt cơ, TMCP) để đảm bảo hiệu suất nhiệt độ thấp đáng tin cậy, trong khi AH32 được tối ưu hóa cho hoạt động ở nhiệt độ trung bình với độ bền tĩnh nhìn chung tương tự nhưng yêu cầu về độ bền va đập ở nhiệt độ thấp ít khắt khe hơn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Phân loại chính và tiêu chuẩn quốc gia bao gồm các cấp đóng tàu kiểu AH32 và DH32:
• Các tổ chức phân loại: ABS, DNV/GL, Lloyd's Register (các ký hiệu tương đương xuất hiện trên khắp các tổ chức).
• Tiêu chuẩn quốc gia: GB (Trung Quốc), JIS (Nhật Bản) và các tài liệu kỹ thuật ISO; nhiều hiệp hội cung cấp các ký hiệu cấp độ tương đương.
• Loại vật liệu: Cả AH32 và DH32 đều là thép HSLA vi hợp kim carbon thấp, không gỉ, được phát triển cho các ứng dụng kết cấu trên tàu và giàn khoan ngoài khơi. Chúng không phải là thép công cụ hoặc thép không gỉ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	AH32 (chiến lược điển hình)	DH32 (chiến lược điển hình)
C	Hàm lượng carbon thấp giúp hàn và tăng độ bền	Hàm lượng carbon thấp, thường tương tự hoặc thấp hơn một chút so với AH32 để tăng độ bền ở nhiệt độ thấp
Mn	Mn vừa phải để cung cấp độ bền và khả năng làm cứng	Mn vừa phải, được kiểm soát để hạn chế khả năng tôi cứng và giảm nguy cơ nứt nguội
Si	Một lượng nhỏ như chất khử oxy	Một lượng nhỏ như chất khử oxy
P	Giữ ở mức thấp (kiểm soát tạp chất)	Giữ ở mức thấp; giới hạn nghiêm ngặt về độ dẻo dai
S	Giữ ở mức thấp (kiểm soát tạp chất)	Giữ ở mức thấp; giới hạn nghiêm ngặt về độ dẻo dai
Cr	Nói chung là tối thiểu; chỉ sử dụng khi cần thiết	Nói chung là tối thiểu; không phải là hợp kim làm cứng chính
Ni	Thông thường không có số lượng đáng kể	Tối thiểu hoặc không có trong các công thức thương mại điển hình
Mo	Thông thường không đáng kể	Thông thường không đáng kể
V	Có thể có mặt như một nguyên tố hợp kim vi mô để tăng cường độ	Có thể được sử dụng như hợp kim vi mô để tinh chế hạt và cải thiện độ dẻo dai
Nb (Cb)	Được sử dụng làm hợp kim vi mô (tinh chế hạt, tăng cường kết tủa)	Thường được chỉ định hoặc kiểm soát chính xác để tối ưu hóa độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp với TMCP
Ti	Lượng nhỏ để kiểm soát quá trình khử oxy/kết tủa	Lượng nhỏ; được kiểm soát để tránh tác động bất lợi đến độ dẻo dai
B	Thông thường không có hoặc kiểm soát chặt chẽ	Thông thường không có hoặc kiểm soát chặt chẽ
N	Được kiểm soát (thấp) để tránh sự giảm độ dẻo dai liên quan đến nitride	Được kiểm soát (thấp); kiểm soát chất lượng quan trọng để có độ dẻo dai cao hơn

Ghi chú: - Cả hai loại thép đều được thiết kế là thép hợp kim vi lượng hàm lượng C thấp. Chiến lược hợp kim nhấn mạnh vào việc kiểm soát tạp chất (P, S, N) và bổ sung hợp kim vi lượng (Nb, V, Ti) để đạt được cấu trúc vi mô ferit hạt mịn, cho phép độ bền cao và độ dẻo dai tốt. - Thông số kỹ thuật DH32 có xu hướng áp dụng các biện pháp kiểm soát chặt chẽ hơn đối với mức độ tạp chất và đôi khi là phạm vi chặt chẽ hơn đối với việc bổ sung hợp kim vi mô để đảm bảo hiệu suất ở nhiệt độ thấp hơn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• AH32: Ferit hạt mịn và ferit đa giác với các thành phần peclit hoặc bainit phân tán tùy thuộc vào TMCP. Cấu trúc vi mô cân bằng về độ bền và độ dẻo ở nhiệt độ trung bình.
• DH32: Cấu trúc vi mô tương tự ferritic-pearlitic hoặc ferritic-bainitic, nhưng được xử lý (TMCP) để thúc đẩy kích thước hạt mịn hơn và các sản phẩm chuyển đổi có lợi giúp tăng cường độ bền va đập ở nhiệt độ thấp.
• Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến:
• Chuẩn hóa: Tăng độ đồng đều và tinh chỉnh kích thước hạt so với vật liệu cán; có thể áp dụng cho cả hai loại nhưng TMCP phổ biến hơn và tiết kiệm chi phí hơn cho sản xuất tấm.
• Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): Được sử dụng rộng rãi cho cả hai loại thép trên các máy cán tấm hiện đại. Đối với DH32, lịch trình xử lý TMCP thường được điều chỉnh để đạt được tỷ lệ vi cấu trúc ferit/bainit hình kim cao hơn và kích thước hạt austenit tiền xử lý mịn hơn, cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp hơn.
• Làm nguội & ram: Không phổ biến đối với các tấm thép tàu lớn; nếu áp dụng, sẽ tăng cường độ nhưng có thể làm giảm độ dẻo và làm phức tạp quy trình hàn. Cả hai loại thép này chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp cán có kiểm soát và làm nguội nhanh thay vì chu trình làm nguội và ram hoàn toàn.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	AH32 (kỳ vọng chung)	DH32 (kỳ vọng chung)
Độ bền kéo	Độ bền cao tương đương với loại tấm HSLA "32"	Có thể so sánh được; không cao hơn đáng kể so với AH32 về độ bền tĩnh
Sức chịu lực	Tương tự như AH32 (mức năng suất của lớp tấm)	Tương tự; DH32 phù hợp với yêu cầu về lớp năng suất
Độ giãn dài	Độ dẻo tốt đặc trưng của tấm HSLA	Độ dẻo tốt; tương đương với AH32
Độ bền va đập	Được chỉ định cho hiệu suất nhiệt độ thấp vừa phải	Độ bền va đập được cải thiện ở nhiệt độ thấp hơn (điểm khác biệt chính)
Độ cứng	Trung bình (tương thích với hàn và tạo hình)	Tương tự; không được thiết kế như thép có độ cứng cao

Giải thích: - Tính chất độ bền tĩnh (độ bền chảy và độ bền kéo) của cả hai loại nhìn chung là tương đương nhau vì cả hai đều thuộc cùng một cấp độ bền; sự khác biệt cơ học chính là độ bền va đập ở nhiệt độ thấp hơn, trong khi DH32 được chỉ định để duy trì khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn. - Độ dẻo và độ giãn dài tương tự nhau; hợp kim vi mô và kiểm soát TMCP nhằm duy trì độ dẻo trong khi cải thiện độ dai khi sử dụng lạnh cho DH32.

5. Khả năng hàn

• Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hàn: hàm lượng cacbon, khả năng tôi cứng hiệu quả (Mn và hợp kim), hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) và mức độ tạp chất (P, S, N). Khả năng tôi cứng cao hơn và hàm lượng cacbon tương đương (CE) cao hơn làm tăng nguy cơ nứt nguội và yêu cầu gia nhiệt trước.
• Chỉ số tương đương cacbon và khả năng hàn chung để giải thích về mặt định tính:
• $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Giải thích:
• Cả AH32 và DH32 đều được thiết kế để có khả năng hàn tốt: hàm lượng carbon thấp và hợp kim được kiểm soát giúp giữ $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ ở mức tương đối thấp so với thép tôi và ram.
• Khả năng kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn của DH32 và cấu trúc vi mô được điều khiển bởi TMCP có thể làm giảm nguy cơ nứt nguội, nhưng một số lựa chọn xử lý (hàm lượng và độ dày vi hợp kim) có thể làm tăng nhẹ độ tôi so với AH32. Do đó, các thông số kỹ thuật của quy trình hàn (gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn, vật tư tiêu hao và xử lý nhiệt sau hàn nếu cần) nên dựa trên độ dày tấm, năng lượng hàn và tính toán CE/Pcm.
• Hiệu quả thực tế: Dự kiến ​​cả hai loại thép đều có thể hàn dễ dàng bằng các quy trình tiêu chuẩn dành cho thép tấm tàu, nhưng DH32 có thể yêu cầu kiểm soát quá trình nung nóng trước/kiểm soát đường hàn xen kẽ thận trọng hơn một chút ở các phần dày hoặc mối nối được hạn chế cao khi phải duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả AH32 và DH32 đều là thép carbon/HSLA (không phải thép không gỉ). Chúng dựa trên hệ thống bảo vệ bề mặt để chống ăn mòn:
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: làm sạch bằng phun cát và sơn lót/epoxy/polyurethane, mạ kẽm nhúng nóng (cho các thành phần nhỏ) và anot hy sinh trong môi trường biển để kiểm soát sự ăn mòn trên các công trình ngoài khơi.
• Các chỉ số đặc trưng của thép không gỉ (ví dụ: PREN) không áp dụng cho các loại thép tấm không phải thép không gỉ này. Nếu cần hiệu suất thép không gỉ, nên chọn loại thép không gỉ có tính toán PREN:
• Ví dụ về PREN đối với hợp kim không gỉ (không áp dụng ở đây): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Ghi chú lựa chọn:
• Chiến lược chống ăn mòn không phụ thuộc vào việc lựa chọn AH32 hay DH32; lựa chọn DH32 phụ thuộc vào yêu cầu về cơ học/độ bền. Đối với thân tàu hở và môi trường biển khắc nghiệt, hãy chọn lớp phủ và lớp bảo vệ catốt phù hợp với tuổi thọ dự kiến ​​và chu kỳ bảo dưỡng.

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

• Chế tạo:
• Cả hai loại thép này đều có khả năng định hình và uốn cong tốt trong giới hạn tạo hình tấm thông thường; độ đàn hồi và bán kính uốn cong đều tuân theo các hướng dẫn HSLA tiêu chuẩn. DH32 có thể đòi hỏi khắt khe hơn một chút đối với việc tạo hình rất lạnh, do tập trung vào độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp, nhưng sự khác biệt là không đáng kể.
• Khả năng gia công:
• Cả hai đều không được tối ưu hóa cho gia công tốc độ cao; khả năng gia công là đặc trưng của thép HSLA hàm lượng carbon thấp—tốt với dụng cụ và chất làm mát phù hợp. Các nguyên tố vi hợp kim làm tăng độ bền có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công.
• Hoàn thiện:
• Việc mài, vát mép và chuẩn bị cạnh được thực hiện theo các quy trình tiêu chuẩn. Vật liệu hàn được lựa chọn phải phù hợp với độ bền và thành phần hóa học của kim loại cơ bản cho cả hai loại.

8. Ứng dụng điển hình

AH32 (sử dụng điển hình)	DH32 (sử dụng điển hình)
Vỏ tàu và boong tàu cho điều kiện hoạt động ôn đới	Vỏ tàu và các thành phần kết cấu được thiết kế cho vùng khí hậu lạnh hơn hoặc dịch vụ ở Bắc Cực/gần Bắc Cực
Các thành phần kết cấu tàu nói chung có độ bền ở nhiệt độ thấp vừa phải là đủ	Các giàn khoan và tàu ngoài khơi yêu cầu hiệu suất tác động được đảm bảo ở nhiệt độ thấp hơn
Các kết cấu thượng tầng và kết cấu bên trong có nhu cầu nhiệt độ thấp ít nghiêm trọng hơn	Các khu vực có nhu cầu độ dẻo dai cao (ví dụ: đáy đôi, đáy trong nơi có nguy cơ gãy giòn cao hơn khi thời tiết lạnh)
Các dự án nhạy cảm về chi phí, nơi hiệu suất HSLA tiêu chuẩn là đủ	Các dự án ưu tiên an toàn gãy xương ở nhiệt độ thấp và khoảng cách giữ gãy xương dài hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn AH32 cho các ứng dụng kết cấu có độ bền cao, tiết kiệm chi phí trong môi trường ôn đới, đáp ứng các yêu cầu về va đập tiêu chuẩn. - Chọn DH32 khi tải trọng thiết kế và nhiệt độ làm việc yêu cầu biên độ độ bền va đập được đảm bảo cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn—lựa chọn này là biện pháp giảm thiểu rủi ro gãy giòn trong quá trình làm việc lạnh.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• AH32 thường rẻ hơn một chút so với DH32 tính theo tấn vì DH32 có thể yêu cầu kiểm soát sản xuất thép chặt chẽ hơn, TMCP chính xác hơn và kiểm tra/thử nghiệm nghiêm ngặt hơn về độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Tấm và, ở một số thị trường, cuộn thép AH32 và DH32 thường có sẵn tại các nhà máy cán thép đóng tàu; tình trạng cung cấp phụ thuộc vào khả năng cung cấp tấm TMCP của nhà máy và nhu cầu của khu vực.
• Thời gian giao hàng: DH32 có thể có thời gian giao hàng hoặc số lượng đặt hàng tối thiểu dài hơn nếu nhà máy cần lên lịch kiểm soát quy trình cụ thể hoặc thử nghiệm bổ sung.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	AH32	DH32
Khả năng hàn	Cao (thực hành HSLA tiêu chuẩn)	Cao, nhưng có thể cần phải gia nhiệt/xuyên qua bảo thủ hơn một chút ở các mối nối dày, kín
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Mạnh mẽ với độ dẻo dai tốt cho nhiệt độ vừa phải	Độ bền tĩnh tương tự với độ bền nhiệt độ thấp được đảm bảo vượt trội
Trị giá	Thấp hơn (nói chung)	Cao hơn (phí bảo hiểm quy trình và thử nghiệm)

Sự giới thiệu: - Chọn AH32 nếu bạn cần tấm thép HSLA bền chắc, tiết kiệm cho hoạt động ở nhiệt độ cao, nơi các đặc tính chống va đập tiêu chuẩn đáp ứng các yêu cầu thiết kế và nơi tính dễ chế tạo và chi phí là ưu tiên hàng đầu. - Chọn DH32 nếu kết cấu sẽ hoạt động trong môi trường dịch vụ lạnh hơn hoặc nếu quy định thiết kế/khách hàng yêu cầu độ bền va đập được đảm bảo cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn; chọn DH32 khi giảm thiểu rủi ro gãy giòn và khả năng ngăn ngừa gãy cao hơn là quan trọng.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Luôn tham khảo thông số kỹ thuật của tổ chức phân loại cụ thể hoặc tiêu chuẩn quốc gia để biết giới hạn hóa học chính xác, bảng tính chất cơ học và nhiệt độ thử nghiệm va đập cần thiết cho các sản phẩm tương đương AH32 và DH32. Thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS), giới hạn nhiệt đầu vào và các yêu cầu thử nghiệm không phá hủy nên được xây dựng dựa trên chứng chỉ nhà máy cán tấm thực tế và yêu cầu nhiệt độ thiết kế dự án.