AH36 so với AH40 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

AH36 và AH40 là các loại thép kết cấu hàng hải thường được sử dụng cho vỏ tàu, kết cấu ngoài khơi và các ứng dụng tấm thép nặng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên đánh giá các loại thép này khi cân bằng các yêu cầu về độ bền kết cấu, khả năng chống gãy, khả năng hàn, khả năng sản xuất và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn tấm thép nặng hơn, dẻo hơn để chống gãy giòn trong môi trường lạnh so với tấm thép có độ bền cao hơn để giảm độ dày và trọng lượng tiết diện.

Sự khác biệt thực tế cơ bản giữa AH36 và AH40 nằm ở cấp độ bền thiết kế và các biện pháp luyện kim được sử dụng để đạt được cấp độ bền đó: AH40 được sản xuất ở cấp độ bền tối thiểu cao hơn AH36, điều này ảnh hưởng đến quá trình hợp kim hóa cần thiết, quá trình xử lý nhiệt-cơ học, và sự cân bằng giữa độ dẻo/độ bền. Những khác biệt này khiến hai cấp độ này trở thành đối tượng so sánh tự nhiên khi các nhà thiết kế phải lựa chọn giữa thép dày hơn, dẻo hơn và thép mỏng hơn, có độ bền cao hơn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung và quy định lớp học:
• ABS (Cục Hàng hải Hoa Kỳ) — AH36, AH40 là các cấp kết cấu thân tàu ABS.
• ASTM/ASME — ASTM A131 dùng để chỉ các loại thép đóng tàu có tên mác tương tự.
• JIS (Nhật Bản) và EN (Châu Âu) có danh pháp khác nhau nhưng cấp HSLA/hàng hải tương đương nhau.
• Tiêu chuẩn tương đương của Anh (Trung Quốc) có trong thông số kỹ thuật đóng tàu quốc gia.
• Phân loại luyện kim:
• Cả AH36 và AH40 đều là thép hợp kim thấp (HSLA) có độ bền cao gốc cacbon-mangan, được thiết kế riêng cho các ứng dụng kết cấu hàng hải (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ).
• Chúng được thiết kế để mang lại sự kết hợp cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai hơn là độ cứng hoặc khả năng chống mài mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là so sánh định tính về các phương pháp hợp kim thông thường thay vì các con số cụ thể được đảm bảo (giới hạn hóa chất thực tế thay đổi tùy theo tiêu chuẩn, nhà máy và dạng sản phẩm—hãy tham khảo giấy chứng nhận của nhà máy để quyết định mua hàng).

Yếu tố	AH36 (thực hành điển hình)	AH40 (thực hành điển hình)
C	Thấp (được kiểm soát để duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai)	Thấp đến trung bình (có thể cao hơn một chút để đạt được sức mạnh)
Mn	Trung bình (sức mạnh chính trước đây)	Trung bình – cao hơn (để tăng cường độ và khả năng làm cứng)
Si	Kiểm soát (khử oxy)	Được kiểm soát (vai trò tương tự)
P	Rất thấp (dư thừa, giảm thiểu để tăng độ dẻo dai)	Rất thấp (tối thiểu hóa)
S	Rất thấp (còn lại)	Rất thấp (còn lại)
Cr	Có hoặc không có dấu vết (thỉnh thoảng có thêm một ít)	Dấu vết hoặc thấp (đôi khi được sử dụng trong các chiến lược hợp kim vi mô)
Ni	Thường không được thêm vào (dấu vết)	Có thể theo dõi nếu cần thiết theo yêu cầu của hóa chất nhà máy cụ thể
Mo	Nói chung là không cần thiết (theo dõi)	Có thể theo dõi khả năng làm cứng trong một số công thức
V	Dấu vết hợp kim vi mô trong một số lần chạy (tinh chế hạt)	Có nhiều khả năng xuất hiện dưới dạng hợp kim vi mô để tăng cường độ bền
Lưu ý	Hợp kim vi mô theo dõi để kiểm soát hạt	Thường có mặt với số lượng nhỏ trong các biến thể có cường độ cao hơn
Ti	Dấu vết (kiểm soát N, sự phát triển của hạt)	Theo dõi (sử dụng có chọn lọc)
B	Dấu vết nếu sử dụng trong thép đặc biệt	Hiếm; lượng nhỏ có thể ảnh hưởng đến khả năng làm cứng
N	Thấp (được kiểm soát)	Thấp (được kiểm soát)

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng, nhưng hàm lượng cacbon cao làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. Cả hai loại đều kiểm soát cacbon để cân bằng các đặc tính. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) được sử dụng với lượng nhỏ để tinh chỉnh kích thước hạt, tăng cường độ bền thông qua quá trình gia cường kết tủa và duy trì độ dẻo dai mà không cần tăng lượng cacbon lớn. - Silic chủ yếu là chất khử oxy và có tác dụng tăng cường độ bền nhỏ. - Hợp kim chống ăn mòn (Cr, Ni, Mo) rất ít hoặc không có trong các loại thép kết cấu hàng hải không gỉ này; khả năng chống ăn mòn đạt được thông qua lớp phủ và các biện pháp catốt.

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

• Tuyến sản xuất điển hình:
• Cả AH36 và AH40 thường được sản xuất bằng phương pháp cán và làm nguội có kiểm soát (xử lý kiểm soát nhiệt cơ, TMCP). Chúng thường được cung cấp ở trạng thái cán hoặc chuẩn hóa thay vì được tôi và ram.
• Cấu trúc vi mô:
• AH36: Cấu trúc vi mô ferit-pearlit hoặc ferit-bainit mịn với kích thước hạt được kiểm soát nhờ TMCP và hợp kim hóa vi mô. Ma trận này nhấn mạnh tính dẻo dai và độ dai nhiệt độ thấp tốt.
• AH40: Họ vi cấu trúc tương tự nhưng thường có tỷ lệ thành phần bainit mịn hơn và/hoặc cường độ kết tủa mạnh hơn từ quá trình vi hợp kim hóa. Điều này mang lại mức độ bền cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai chấp nhận được.
• Độ nhạy xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa (nung nóng trên nhiệt độ tới hạn và làm mát bằng không khí) có thể cải thiện độ dẻo dai và tinh chỉnh hạt cho cả hai loại nhưng không phải lúc nào cũng áp dụng được cho các tấm lớn do chi phí.
• Quá trình làm nguội và ram không phổ biến đối với các loại thép đóng tàu này vì nó làm tăng chi phí và có thể làm giảm khả năng hàn; khi sử dụng, nó sẽ làm tăng đáng kể độ bền nhưng đòi hỏi phải kiểm soát quy trình nghiêm ngặt.
• Cán nhiệt cơ học và làm nguội nhanh là phương pháp được ưa chuộng để tăng độ bền trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai tốt.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các so sánh về mặt định tính; các giá trị đảm bảo phụ thuộc vào độ dày và tiêu chuẩn và phải được lấy từ thông số kỹ thuật hiện hành hoặc chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy.

Tài sản	AH36	AH40
Độ bền kéo	Tiêu chuẩn cao (mức cơ sở cho mảng biển)	Cao hơn AH36 (được thiết kế theo đẳng cấp cao hơn)
Sức chịu lực	Thấp hơn so với AH40	Cao hơn (phân biệt chính)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao hơn (dẻo hơn, độ giãn dài đồng đều lớn hơn)	Thấp hơn AH36 (giảm độ giãn dài nhưng cường độ cao hơn)
Độ bền va đập	Tốt, được thiết kế để có độ bền khía ở nhiệt độ sử dụng	Tốt nhưng có thể nhạy cảm hơn với quá trình xử lý—phải được kiểm soát để đáp ứng các yêu cầu về tác động
Độ cứng	Trung bình (hướng dịch vụ)	Cao hơn một chút (tương ứng với sức mạnh cao hơn)

Giải thích: - AH40 đạt được độ bền cao hơn thông qua việc hợp kim hóa cao hơn một chút và/hoặc kiểm soát TMCP chặt chẽ hơn; điều này thường làm giảm độ dẻo và có thể thay đổi độ bền va đập nếu không được xử lý cẩn thận. - Các nhà thiết kế chọn AH36 khi khả năng biến dạng và hấp thụ năng lượng cao hơn (ví dụ, đối với các tình huống va chạm hoặc dịch vụ ở nhiệt độ thấp) là ưu tiên. - AH40 được lựa chọn khi việc giảm tiết diện và tiết kiệm trọng lượng được ưu tiên, với điều kiện đáp ứng được các yêu cầu về độ bền và khả năng hàn.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố cần xem xét về khả năng hàn của các loại thép này phụ thuộc vào hàm lượng carbon, khả năng tôi cứng hiệu quả và hàm lượng hợp kim vi mô. Hai chỉ số hàm lượng kết hợp thường được sử dụng để đánh giá khả năng hàn được thể hiện dưới đây:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn và ít bị nứt nguội do hydro hỗ trợ. AH36 thường có chỉ số độ cứng hiệu dụng thấp hơn AH40 do thành phần hóa học và quy trình xử lý của AH40 giúp tăng cường độ. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V) và Mn cao hơn một chút có thể làm tăng khả năng tôi cứng và nguy cơ xuất hiện các vùng martensitic trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) ở tốc độ làm nguội cao; do đó, nhiệt độ giữa các lớp được kiểm soát và nung nóng trước thường được yêu cầu nhiều hơn đối với AH40 trong các phần dày. - Cả hai loại thép đều có thể hàn bằng các quy trình hàn thông thường (SMAW, GMAW, SAW), nhưng thông số kỹ thuật quy trình hàn phải tính đến độ dày tấm, thiết kế mối hàn và khả năng tôi cứng hiệu quả của thép. Xử lý nhiệt sau hàn hiếm khi được sử dụng cho các tấm đóng tàu; thay vào đó, người ta sử dụng vật tư tiêu hao được kiểm soát và gia nhiệt trước.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép AH này là thép cacbon/hợp kim không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại là tối thiểu. Khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào lớp phủ, lớp bảo vệ catốt và các chi tiết thiết kế tránh các khe hở hoặc nước đọng.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng (nếu cần cho các bộ phận hoặc linh kiện mỏng hơn), lớp phủ công nghiệp (epoxy, polyurethane) và anot hy sinh cho các kết cấu chìm.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này; để tham khảo, PREN được tính như sau: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ nhưng sẽ không có ý nghĩa đối với AH36/AH40 vì hàm lượng Cr và Mo không đáng kể.

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

• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• AH36 dẻo hơn, dễ tạo hình và uốn cong theo bán kính mà không bị nứt; độ đàn hồi thấp hơn.
• AH40 yêu cầu chế tạo dụng cụ và uốn cong cẩn thận hơn; bán kính uốn nhỏ hơn và các hoạt động tạo hình nguội phải được đánh giá dựa trên độ giãn dài giảm.
• Cắt và gia công:
• Độ bền cao hơn ở AH40 có thể làm tăng lực cắt và độ mài mòn dụng cụ một chút so với AH36; tuy nhiên, cả hai đều có thể gia công dễ dàng bằng các phương pháp tiêu chuẩn khi sử dụng dụng cụ và nguồn cấp dữ liệu phù hợp.
• Hoàn thiện:
• Quá trình mài, phun bi và chuẩn bị bề mặt có diễn biến tương tự nhau; tránh quá nhiệt trong quá trình cắt hoặc mài để ngăn ngừa hiện tượng cứng hoặc ram bề mặt.
• Kiểm soát kích thước:
• Các phần mỏng hơn có thể tạo ra bằng AH40 nên được đánh giá dựa trên độ nhạy biến dạng trong quá trình hàn và hoàn thiện.

8. Ứng dụng điển hình

AH36 — Công dụng điển hình	AH40 — Công dụng điển hình
Lớp vỏ tàu cho tàu thương mại, nơi độ dẻo dai và độ bền ở nhiệt độ thấp là rất quan trọng	Vỏ tàu và lớp vỏ boong tàu khi cần giảm trọng lượng và giảm độ dày tiết diện dưới tải trọng tương đương
Các thành phần cấu trúc mà việc tạo hình và hàn dễ dàng hơn được ưu tiên	Các thành phần kết cấu hoặc cốt thép có cường độ cao hơn cho phép tiết diện nhỏ hơn
Vách ngăn, giá đỡ và phụ kiện có nhu cầu chế tạo cao	Các giàn khoan ngoài khơi, các phần nặng hơn của tàu và các cấu trúc có thể chấp nhận ứng suất thiết kế cao hơn
Các thành phần tiếp xúc với tác động mạnh hoặc điều kiện nhiệt độ thấp (ưu tiên)	Các ứng dụng được thiết kế cho mức độ ứng suất cho phép cao hơn và quá trình xử lý được kiểm soát để đảm bảo độ dẻo dai

Cơ sở lựa chọn: - Chọn AH36 khi khả năng biến dạng, hiệu suất nhiệt độ thấp và chế tạo/hàn đơn giản hơn là yếu tố quyết định. - Chọn AH40 khi cần giảm trọng lượng vật liệu, ứng suất cho phép cao hơn hoặc hạn chế về không gian để sử dụng tấm có độ bền cao hơn và khi các biện pháp kiểm soát sản xuất có thể đảm bảo độ bền và tính toàn vẹn của mối hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• AH40 thường có giá cao hơn tính theo tấn so với AH36 do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và có thể cần bổ sung thêm hợp kim siêu nhỏ để đạt được cấp độ bền cao hơn.
• Tổng chi phí linh kiện có thể thấp hơn với AH40 nếu việc giảm độ dày của mặt cắt dẫn đến giảm trọng lượng vật liệu và tiết kiệm chi phí sau này.
• Khả dụng:
• AH36 được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các loại thép tấm đóng tàu và các dòng sản phẩm cán tiêu chuẩn.
• AH40 cũng phổ biến nhưng tính khả dụng có thể hạn chế hơn đối với độ dày, chiều rộng và cấp độ đặc biệt yêu cầu lịch trình TMCP cụ thể; thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với kích thước tấm không chuẩn.
• Ghi chú mua sắm:
• Đánh giá tổng chi phí vòng đời bao gồm chế tạo, chuẩn bị hàn, lớp phủ và khả năng tiết kiệm từ việc giảm trọng lượng khi chỉ định AH40 thay vì AH36.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tham số	AH36	AH40
Khả năng hàn	Dễ hơn (chỉ số độ cứng thấp hơn)	Tốt nhưng có thể cần kiểm soát chặt chẽ hơn (làm nóng trước/vật tư tiêu hao)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền thiết kế thấp hơn, biên độ dẻo dai/độ bền cao hơn	Thiết kế có độ bền cao hơn, phải kiểm soát quá trình xử lý để duy trì độ dẻo dai
Trị giá	Chi phí vật liệu thấp hơn trên mỗi tấn; chế tạo dễ dàng hơn (chi phí gián tiếp thấp hơn)	Chi phí vật liệu cao hơn trên mỗi tấn; tổng chi phí tiềm năng có thể tiết kiệm thông qua các phần mỏng hơn

Sự giới thiệu: - Chọn AH36 nếu yêu cầu chính của bạn nhấn mạnh vào tính dẻo dai, dễ chế tạo và hàn, độ bền cao ở nhiệt độ thấp và dễ mua (ứng dụng điển hình trong đóng tàu tấm dày). - Chọn AH40 nếu bạn cần độ bền thiết kế cao hơn để giảm độ dày tấm và trọng lượng kết cấu, và bạn có thể chấp nhận (và quản lý) các đánh đổi: độ giãn dài giảm nhẹ, kiểm soát quá trình hàn và gia công chặt chẽ hơn, và chi phí vật liệu trên một đơn vị có thể cao hơn.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Luôn xác nhận tiêu chuẩn áp dụng và xem xét các chứng chỉ kiểm tra nhà máy về thành phần hóa học và các đặc tính cơ học được đảm bảo cho độ dày và nhiệt độ tấm cụ thể. Thông số kỹ thuật quy trình hàn và các bài kiểm tra chất lượng nên được lấy từ cấp độ, độ dày và môi trường làm việc đã chọn để đảm bảo hiệu suất và sự tuân thủ.