AH40 so với DH40 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

AH40 và DH40 là các loại thép kết cấu cường độ cao thường được chỉ định cho các ứng dụng đóng tàu và tấm thép nặng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn: ưu tiên độ bền va đập ở nhiệt độ thấp được đảm bảo và khả năng chống gãy xuyên suốt chiều dày cao hơn, hay ưu tiên chi phí mua sắm và gia công thấp hơn với độ bền và khả năng hàn chấp nhận được trong môi trường khắc nghiệt. Đặc điểm phân biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở hiệu suất va đập được chỉ định của chúng — về cơ bản là các yêu cầu về năng lượng Charpy và nhiệt độ tối thiểu mà năng lượng đó phải được thể hiện. Do thành phần hóa học danh nghĩa và giới hạn kéo/giới hạn chảy của chúng gần như tương đương nhau, nên quyết định lựa chọn giữa AH40 và DH40 thường phụ thuộc vào các yêu cầu về độ bền va đập, nhiệt độ làm việc dự kiến ​​và các ràng buộc chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và hệ thống phân loại phổ biến tham chiếu đến danh pháp kiểu AH/DH bao gồm các tiêu chuẩn đóng tàu và bình chịu áp lực quốc gia và các ký hiệu của hiệp hội phân loại (ví dụ: CCS, ABS, LR). Các loại thép tương đương hoặc tương tự có thể được liệt kê theo các tiêu chuẩn ASTM/ASME, EN, JIS hoặc GB với các mã chữ số khác nhau.
• Phân loại theo họ thép:
• AH40: Thép kết cấu/đóng tàu có độ bền cao với khả năng chịu va đập được cải thiện (thép cacbon hợp kim siêu nhỏ, giống HSLA).
• DH40: Thép kết cấu/đóng tàu có độ bền cao với các yêu cầu về khả năng chịu va đập tiêu chuẩn (giống HSLA, thép cacbon/hợp kim siêu nhỏ).
• Cả hai đều không phải là thép không gỉ hoặc thép dụng cụ; chúng thuộc loại thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) hợp kim siêu nhỏ cacbon được thiết kế cho các ứng dụng tấm.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Chiến lược hợp kim tổng quát và vai trò của từng nguyên tố (định tính). Bảng này mô tả sự hiện diện/chiến lược thay vì tỷ lệ phần trăm chính xác.

Yếu tố	AH40 (chiến lược điển hình)	DH40 (chiến lược điển hình)
C	Mục tiêu carbon thấp để cân bằng độ bền và khả năng hàn; kiểm soát chặt chẽ hơn để cải thiện độ dẻo dai	Hàm lượng carbon thấp hỗ trợ khả năng hàn và tạo hình
Mn	Mn vừa phải để cung cấp độ bền và khả năng làm cứng	Mn vừa phải tương tự AH40
Si	Chất khử oxy; mức độ được kiểm soát để tránh giòn	Vai trò tương tự; thường bị hạn chế
P	Giữ ở mức rất thấp để có độ dẻo dai và khả năng hàn	Giữ ở mức thấp để sử dụng cho kết cấu chung
S	Giảm thiểu; kiểm soát sunfua để tăng độ dẻo dai	Thu nhỏ; có thể tương tự như AH40
Cr	Có thể có mặt với số lượng nhỏ để hỗ trợ khả năng làm cứng	Thường là tối thiểu hoặc không có
Ni	Thỉnh thoảng được sử dụng để cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp (trong các biến thể AH)	Hiếm hoặc thấp; không phải là hợp kim có độ bền chính
Mo	Có thể bổ sung thêm một số thành phần nhỏ để kiểm soát độ cứng và độ bền	Thông thường thấp hoặc không có
V	Hợp kim vi mô để tinh chỉnh hạt và tăng cường độ	Có thể có mặt để tăng cường lượng mưa
Lưu ý	Kiểm soát kích thước hạt thông qua hợp kim vi mô; có lợi cho độ dẻo dai	Có thể được sử dụng nhưng đôi khi ở mức thấp hơn các biến thể AH
Ti	Kiểm soát quá trình khử oxy và tạp chất; tinh chế hạt	Sử dụng khiêm tốn tương tự
B	Có thể thêm dấu vết để tăng khả năng làm cứng	Hiếm; được kiểm soát nếu có
N	Được kiểm soát; liên quan đến lượng mưa và độ dẻo dai	Được kiểm soát; giữ ở mức thấp để tránh tác dụng phụ

Giải thích: - Cả hai loại đều dựa trên nền cacbon thấp đến trung bình, với Mn là thành phần chính tạo nên độ bền. Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) được sử dụng để tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ kết tủa, giúp cải thiện độ bền mà không cần hàm lượng cacbon dư thừa. - Chiến lược AH40 nhấn mạnh việc kiểm soát chặt chẽ hơn các thành phần tạp chất và có thể bao gồm các điều chỉnh nhỏ về hợp kim (ví dụ: Ni, Mo hoặc mức hợp kim vi mô được tối ưu hóa) để đáp ứng các yêu cầu về va đập nghiêm ngặt hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp hơn. DH40 tập trung vào việc cung cấp hiệu suất kéo và hiệu suất chảy cần thiết cho nhiệt độ hoạt động tiêu chuẩn với hóa chất tiết kiệm chi phí.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình được sản xuất:
• Đối với cả AH40 và DH40 được sản xuất bằng quy trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ học hiện đại (TMCP): ma trận ferit-pearlit hoặc ferit-bainit hạt mịn với ferit hình kim được kiểm soát và hợp kim siêu nhỏ cacbua/nitrit phân tán.
• Khi cần độ dẻo dai nghiêm ngặt hơn (AH40), quá trình xử lý nhằm mục đích thúc đẩy ferit hình kim mịn và hạn chế các đảo bainite hoặc martensite-austenit (M–A) thô.
• Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến:
• Chuẩn hóa: Tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và đồng nhất cấu trúc vi mô; có lợi cho độ dẻo dai nếu tiếp theo là quá trình làm nguội có kiểm soát.
• Làm nguội và ram: Thông thường không được sử dụng cho các tấm AH/DH tiêu chuẩn (đắt tiền), nhưng có thể tăng độ bền và điều chỉnh độ dẻo dai nếu cần cho các thành phần cụ thể.
• TMCP (cán có kiểm soát + làm nguội nhanh): Được sử dụng rộng rãi để tạo ra các cấu trúc vi mô hạt mịn với độ bền cao và độ dẻo dai được cải thiện ở nhiệt độ thấp. Tấm AH40 dành cho nhiệt độ va đập thấp hơn sẽ được áp dụng các thông số TMCP chặt chẽ hơn để thúc đẩy ferit hình kim và kiểm soát tạp chất.
• Đòn bẩy kiểm soát cấu trúc vi mô để tăng độ dẻo dai: giảm cacbon, tạp chất sunfua/oxit mịn, tối ưu hóa quá trình kết tủa hợp kim vi mô và giảm thiểu thành phần M–A.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Tính chất cơ học định tính so sánh (mô tả tương đối).

Tài sản	AH40	DH40
Độ bền kéo	Tương đương với DH40 (cả hai đều là thép kết cấu có độ bền cao)	Tương đương với AH40
Sức chịu lực	Có thể so sánh được; giá trị năng suất thiết kế tương tự nhau	Có thể so sánh
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tương tự hoặc cao hơn một chút nếu sử dụng phương pháp xử lý tập trung vào độ dẻo dai	Tương tự; độ dẻo tiêu chuẩn cho thép tấm
Độ bền va đập	Hiệu suất Charpy V-notch được đảm bảo cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn	Hiệu suất tác động tiêu chuẩn ở nhiệt độ nhẹ hơn
Độ cứng	Độ cứng danh nghĩa tương tự; AH40 có thể kiểm soát độ cứng chặt chẽ hơn để tránh giòn	Độ cứng danh nghĩa tương tự

Giải thích: - Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy danh nghĩa của các loại thép này gần bằng nhau vì cả hai đều hướng đến cùng một cấp độ bền (ký hiệu "40" biểu thị dải giới hạn bền kéo/giới hạn chảy tương tự trong nhiều hệ thống). Sự khác biệt cơ học đáng kể nằm ở độ bền va đập và nhiệt độ kiểm định tối thiểu. AH40 được sản xuất và thử nghiệm để đáp ứng năng lượng va đập cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn, giúp thép có khả năng chống gãy tốt hơn trong điều kiện lạnh hoặc tiết diện dày. DH40 cung cấp độ bền tĩnh tương tự với chi phí có thể thấp hơn khi không yêu cầu độ bền cực cao.

5. Khả năng hàn

• Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng hàn: hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (ảnh hưởng đến khả năng tôi luyện) và các nguyên tố hợp kim vi mô ảnh hưởng đến hành vi của vùng chịu nhiệt (HAZ).
• Chỉ số khả năng hàn được sử dụng rộng rãi:
• $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
• $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Diễn giải (định tính):
• Cả AH40 và DH40 đều được thiết kế với hàm lượng carbon thấp và bổ sung hợp kim được kiểm soát để duy trì khả năng hàn tốt. Các biến thể AH40 có độ bền cao hơn có thể bao gồm các thành phần có độ cứng cao hơn một chút hoặc kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn; điều này có thể làm tăng độ cứng vùng HAZ một chút và có thể yêu cầu các quy trình xử lý nhiệt trước/sau hàn (PWHT) được kiểm soát chặt chẽ hơn cho các tiết diện dày.
• DH40, với mục tiêu độ bền tiêu chuẩn, thường mang lại khả năng hàn dễ dàng hơn với ít hạn chế hơn, đặc biệt đối với các ứng dụng tấm mỏng hơn hoặc nhiệt độ làm việc nhẹ hơn.
• Hướng dẫn thực tế: Đối với mối hàn quan trọng, tiết diện dày hoặc nhiệt độ thấp, hãy tuân theo quy trình xác nhận với nhiệt độ đầu vào được kiểm soát, gia nhiệt trước thích hợp và cân nhắc sử dụng kim loại hàn phù hợp để đảm bảo độ bền.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả AH40 và DH40 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép carbon/HSLA.
• Các chiến lược bảo vệ được đề xuất:
• Lớp phủ bề mặt (epoxy, polyurethane), mạ kẽm nhúng nóng (nếu có) và sơn hy sinh là tiêu chuẩn.
• Đối với môi trường ngoài khơi hoặc có tính ăn mòn cao, hãy cân nhắc sử dụng thêm các rào cản hoặc chuyển sang hợp kim chống ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép kết cấu không phải thép không gỉ, nhưng để tham khảo:
• $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Chỉ sử dụng PREN khi đánh giá thép không gỉ hoặc thép không gỉ song công, không sử dụng thép kết cấu AH/DH.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều có khả năng gia công tương tự như các loại thép tấm hợp kim vi lượng hàm lượng carbon thấp khác. Hợp kim vi lượng có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công so với thép carbon thấp thông thường nhưng lại cải thiện hiệu suất cường độ trên trọng lượng.
• Khả năng tạo hình: Hàm lượng carbon thấp và quy trình cán cẩn thận duy trì khả năng uốn cong và tạo hình nguội hợp lý. AH40 có thể cần chú ý nhiều hơn đến bán kính uốn và gia nhiệt trước khi tạo hình các tiết diện rất dày ở nhiệt độ thấp để tránh nứt.
• Cắt và hoàn thiện: Các kỹ thuật cắt plasma, oxy-nhiên liệu và laser là tiêu chuẩn. Chất lượng cạnh, hàm lượng oxit và kiểm soát tạp chất ảnh hưởng đến quá trình hoàn thiện.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình

AH40 – Ứng dụng điển hình	DH40 – Ứng dụng điển hình
Tấm vỏ tàu dành cho khí hậu lạnh hơn hoặc tấm dày hơn khi độ bền gãy ở nhiệt độ thấp là rất quan trọng	Các công trình tàu và ngoài khơi có độ bền tiêu chuẩn đủ và chi phí là một yếu tố
Các cấu trúc hỗ trợ Bắc Cực, ống đứng ngoài khơi và các nút yêu cầu độ bền ở nhiệt độ thấp được đảm bảo	Cầu, cần cẩu và các công trình xây dựng nặng hoạt động trong môi trường ôn đới
Thiết bị chịu áp suất và các thành phần thân tàu có kế hoạch kiểm soát nứt gãy nghiêm ngặt	Tấm kết cấu chung, kết cấu sàn và kết cấu thượng tầng nơi mức độ va chạm tiêu chuẩn được chấp nhận
Các mối hàn và phần hàn quan trọng với các tấm dày	Các cụm hàn ít quan trọng hơn hoặc tấm mỏng hơn, nơi hàn ít bị hạn chế hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn AH40 khi nhiệt độ làm việc, nguy cơ gãy giòn hoặc yêu cầu về độ bền HAZ của tiết diện dày là những mối quan tâm hàng đầu. Chọn DH40 khi yêu cầu độ bền tĩnh tương đương nhưng không cần độ bền cực cao ở nhiệt độ thấp và chi phí/khả năng cung cấp ưu tiên loại tiêu chuẩn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: AH40 thường đắt hơn DH40 do kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn, quy trình xử lý khắt khe hơn (thông số TMCP) và thử nghiệm mở rộng hơn (thử nghiệm va đập ở nhiệt độ thấp hơn). DH40 thường tiết kiệm chi phí hơn cho các ứng dụng chung.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Thép tấm, thép cắt theo chiều dài và thép tấm được xử lý sơ bộ có sẵn rộng rãi cho cả hai loại từ các nhà máy lớn. Sản lượng AH40 có thể thấp hơn ở một số thị trường, dẫn đến thời gian giao hàng lâu hơn đối với các đơn hàng lớn hoặc độ dày đặc biệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Hệ mét	AH40	DH40
Khả năng hàn	Tốt, có thể cần kiểm soát nhiệt độ trước khi gia nhiệt cho các phần dày	Nói chung là tốt với ít ràng buộc hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Ưu tiên độ bền được đảm bảo cao hơn ở nhiệt độ thấp	Ưu tiên sức mạnh tiết kiệm chi phí với độ bền tiêu chuẩn
Trị giá	Cao hơn (xử lý/kiểm tra chặt chẽ hơn)	Thấp hơn (xử lý/kiểm tra tiêu chuẩn)

Chọn AH40 nếu: - Cấu trúc hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp hoặc có các phần dày, trong đó vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và độ bền xuyên suốt là rất quan trọng. - Các kế hoạch kiểm soát nứt gãy hoặc các quy tắc của hiệp hội phân loại yêu cầu năng lượng Charpy V-notch cao hơn ở nhiệt độ thấp được chỉ định. - Bạn cần một lựa chọn thận trọng cho các mối hàn quan trọng về an toàn và các ứng dụng làm lạnh.

Chọn DH40 nếu: - Ứng dụng này yêu cầu độ bền tĩnh cao nhưng có thể hoạt động ở nhiệt độ vừa phải, chỉ cần độ dẻo dai tiêu chuẩn là đủ. - Chi phí, thời gian hoàn thành và khả năng hàn là những yếu tố cần cân nhắc hàng đầu. - Quá trình chế tạo bao gồm nhiều cụm hàn, trong đó việc kiểm soát HAZ ít nghiêm ngặt hơn giúp đơn giản hóa các quy trình.

Lưu ý cuối cùng: Khi chỉ định AH40 hoặc DH40, hãy luôn tham khảo các tiêu chuẩn hiện hành và quy định của hiệp hội phân loại để biết chính xác nhiệt độ thử nghiệm và yêu cầu năng lượng va đập. Phối hợp với các nhóm xử lý nhiệt và chế tạo tại nhà máy để xác nhận lịch trình TMCP, quy trình hàn và kế hoạch thử nghiệm không phá hủy để loại thép được chọn đáp ứng cả yêu cầu cơ học và vận hành.