ASTM A516 Gr60 so với Gr70 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A516 Cấp 60 và 70 là hai trong số những tấm thép cacbon được chỉ định phổ biến nhất để chế tạo thiết bị chịu áp lực, đặc biệt là nồi hơi, bình chịu áp lực và bồn chứa. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn giữa hai cấp này. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn cấp cho áp suất vận hành cao hơn (ưu tiên độ bền) so với ưu tiên độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp hoặc khả năng hàn tốt hơn (ưu tiên hàm lượng cacbon thấp hơn và độ dẻo).

Sự khác biệt chính giữa A516 Cấp 60 và Cấp 70 là mức độ bền cơ học cần thiết: Cấp 70 được chỉ định để đáp ứng độ bền tối thiểu cao hơn Cấp 60. Vì các cấp này có chung thành phần hóa học cơ bản và quy trình xử lý nên chúng thường được so sánh khi thiết kế yêu cầu sự cân bằng giữa khả năng chịu áp suất, khả năng chống gãy và tính kinh tế trong chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Thông số kỹ thuật chính: ASTM A516 / ASME SA-516 — “Tấm bình chịu áp suất, thép cacbon, dùng cho dịch vụ ở nhiệt độ trung bình và thấp hơn”.
• Mã liên quan: Mã nồi hơi và bình chịu áp suất ASME (Phần II và VIII) khi sử dụng trong bình chịu áp suất.
• Tiêu chuẩn quốc tế tương đương (dùng để tham khảo chéo): EN 10028 (tấm thép bình chịu áp lực), JIS G3115 (tấm thép bình chịu áp lực) và các biến thể GB/T 3274/7131 trong tiêu chuẩn Trung Quốc. Sự tương đương chính xác phụ thuộc vào các đặc tính và thử nghiệm cần thiết (ví dụ: yêu cầu về năng lượng va đập).
• Phân loại: Cả A516 Gr60 và Gr70 đều là thép cacbon-mangan (thép cacbon không hợp kim). Chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao HSLA theo nghĩa là hợp kim hóa vi mô đáng kể; một số nhà máy thương mại có thể thêm các nguyên tố hợp kim hóa vi mô với lượng nhỏ để đạt được các đặc tính mong muốn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng minh họa về các phạm vi thành phần điển hình (wt%). Đây là các phạm vi thương mại tiêu biểu cho các loại tấm A516; thành phần hóa học thực tế được đảm bảo phải được xác nhận trên giấy chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy cho mỗi mẻ nung.

Yếu tố	Phạm vi điển hình hoặc tối đa (wt%)
C (Cacbon)	0,18 – 0,28 (Tùy thuộc vào cấp độ và nhà máy)
Mn (Mangan)	0,60 – 1,35
Si (Silic)	0,10 – 0,35
P (Phốt pho)	≤ 0,035 (tối đa)
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,035 (tối đa)
Cr (Crom)	dấu vết – ~0,30 (nếu có)
Ni (Niken)	dấu vết – ~0,40 (nếu có)
Mo (Molypden)	dấu vết – ~0,10 (nếu có)
V (Vanadi)	thường theo dõi (nếu hợp kim vi mô)
Nb (Niobi)	thường theo dõi (nếu hợp kim vi mô)
Ti (Titan)	thường theo dõi (nếu có để khử oxy)
B (Bo)	theo dõi nếu sử dụng cố ý
N (Nitơ)	thấp (ppm)

Ghi chú: - ASTM A516 không yêu cầu bổ sung hợp kim đáng kể; thép chủ yếu là thành phần cacbon-mangan. Một số nhà sản xuất áp dụng hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) hoặc xử lý có kiểm soát để tối ưu hóa độ bền và độ dẻo dai. - Độ bền cao hơn (Gr70) thường đạt được bằng phương pháp hóa học được kiểm soát cộng với quá trình xử lý nhiệt cơ học hoặc thực hành cán thay vì bằng phương pháp hợp kim nặng.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. Hàm lượng carbon vừa phải duy trì sự cân bằng. - Mangan cải thiện khả năng làm cứng và độ bền kéo, thúc đẩy quá trình khử oxy nhưng nếu quá nhiều có thể làm tăng khả năng làm cứng và ảnh hưởng đến độ dẻo dai. - Silic hỗ trợ quá trình khử oxy; lượng nhỏ không làm thay đổi mạnh tính chất cơ học. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) làm mịn kích thước hạt, thúc đẩy quá trình kết tủa tăng cường và có thể tăng cường độ mà không làm giảm độ dẻo dai theo tỷ lệ khi sử dụng với lượng có kiểm soát.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Tấm A516 cán nóng thường thể hiện cấu trúc vi mô ferit-pearlit ở trạng thái sản xuất. Sự khác biệt giữa Cấp 60 và Cấp 70 chủ yếu mang tính định lượng (độ dốc cacbon và Mn, kích thước hạt, mật độ sai lệch) hơn là định tính. - Quá trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) có thể tạo ra các hạt ferit có kích thước mịn hơn và một số thành phần bainit, cải thiện cả độ bền và độ dẻo dai so với tấm cán thông thường.

Phản ứng xử lý nhiệt: - A516 thường được cung cấp ở trạng thái cán chuẩn hóa; tôi và ram hoàn toàn không phải là phương pháp điển hình cho thông số kỹ thuật này vì sản phẩm được thiết kế để sử dụng ở nhiệt độ trung bình và kết cấu hàn. - Chuẩn hóa (nhiệt độ trên mức tới hạn và làm nguội có kiểm soát) làm mịn kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; đây là phương pháp được chấp nhận để cải thiện độ dẻo dai của rãnh mà không cần hợp kim hóa quá mức. - Làm nguội và ram có thể đạt được mức độ bền cao hơn và các cấu hình độ dẻo dai khác nhau nhưng thường không được chỉ định cho tấm A516 tiêu chuẩn; các phương pháp xử lý như vậy làm thay đổi loại sản phẩm và có thể ảnh hưởng đến quy trình hàn và độ dẻo dai của khía. - Các nhà máy sử dụng các tuyến đường nhiệt cơ học (cán có kiểm soát + làm nguội nhanh) để tạo ra các đặc tính Gr70 với cấu trúc vi mô hạt mịn và độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ thấp.

4. Tính chất cơ học

Giới hạn định lượng trong thông số kỹ thuật thay đổi tùy theo cấp, độ dày và thử nghiệm va đập tùy chọn. Thay vì khẳng định giá trị tối thiểu chính xác (phải được trích xuất từ ​​thông số kỹ thuật ASTM/ASME hiện hành và báo cáo thử nghiệm tại nhà máy), so sánh tương đối được tóm tắt dưới đây.

Tài sản	A516 Cấp 60	A516 Cấp 70
Độ bền kéo	Phạm vi thấp hơn (đủ cho áp suất vừa phải)	Cao hơn (được thiết kế cho dịch vụ áp suất cao hơn)
Cường độ chịu kéo	Năng suất tối thiểu thấp hơn	Năng suất tối thiểu cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Có thể so sánh được; độ dẻo thường cao hơn một chút ở cùng độ dày	Độ dẻo thấp hơn một chút do độ bền cao hơn, nhưng vẫn thích hợp để tạo hình
Độ bền va đập	Được chỉ định theo yêu cầu của Charpy V-notch khi cần thiết; tốt với quá trình xử lý phù hợp	Có thể đạt độ dẻo dai tương đương hoặc cao hơn tùy thuộc vào quá trình xử lý; thường được chỉ định cho các phần dày hơn, chịu áp suất cao hơn
Độ cứng	Thấp hơn một chút	Cao hơn một chút

Giải thích: - Cấp 70 cung cấp biên độ bền cao hơn, cho phép tạo ra các phần mỏng hơn với cùng áp suất hoặc áp suất cho phép cao hơn với cùng độ dày. - Độ dẻo dai được kiểm soát bởi tính chất hóa học, độ dày và quá trình gia công của nhà máy — Gr70 được xử lý đúng cách có thể có độ dẻo dai ngang bằng hoặc vượt trội hơn Gr60, nhưng khi độ bền tăng lên, cần phải chú ý cẩn thận đến độ dẻo dai khía và thử nghiệm va đập. - Nhà thiết kế nên tham khảo các chứng chỉ về tính chất cơ học thực tế và thử nghiệm va đập cần thiết (nhiệt độ, năng lượng) cho ứng dụng của họ.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố liên quan đến khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, độ tôi và hợp kim còn lại. Hai công thức tương đương cacbon phổ biến được sử dụng để ước tính khả năng hàn được trình bày dưới đây và nên được sử dụng để định tính:

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

Và

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

Giải thích: - Giá trị thấp hơn của $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cho thấy khả năng hàn dễ hơn và nguy cơ nứt nguội thấp hơn; cả hai loại A516 thường có hàm lượng carbon tương đương từ thấp đến trung bình. - Cấp 70 có thể có hàm lượng cacbon tương đương cao hơn một chút so với Cấp 60 tùy thuộc vào tính chất hóa học và quy trình xử lý, do đó, việc gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn có thể thường được khuyến nghị cho các phần dày hơn hoặc hàn ở nhiệt độ môi trường thấp. - Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) ít khi được yêu cầu đối với hầu hết các tấm bình thép cacbon nhưng có thể được yêu cầu theo quy định thiết kế hoặc điều kiện dịch vụ; các quyết định phải tuân theo các yêu cầu của quy định ASME và tiêu chuẩn quy trình hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Thép A516 Cấp 60 và 70 là thép cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn vốn có chỉ giới hạn ở thép nền và môi trường. Các chiến lược bảo vệ chống ăn mòn bao gồm lớp phủ (sơn, epoxy), mạ kẽm (nhúng nóng hoặc sơn lót giàu kẽm) và bảo vệ catốt cho ứng dụng chôn ngầm hoặc ngập nước.
• Chỉ số ăn mòn thép không gỉ như PREN không áp dụng cho A516 vì đây không phải là hợp kim chống ăn mòn. Để tham khảo, PREN được tính như sau:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

nhưng chỉ số này chỉ áp dụng cho thép không gỉ austenit và thép không gỉ duplex. - Việc lựa chọn vật liệu bảo vệ bề mặt nên cân nhắc đến lưu chất vận hành, nhiệt độ và độ mài mòn cơ học. Đối với môi trường khắc nghiệt, hãy cân nhắc vật liệu thép không gỉ hoặc các giải pháp lót/phủ thay vì chỉ sử dụng thép cacbon thông thường.

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

• Cắt: Cả hai loại thép này đều dễ cắt bằng lửa và cắt bằng ngọn lửa; cắt plasma và laser là phổ biến. Độ bền cao hơn một chút ở thép Gr70 có thể đòi hỏi lực hoặc độ mài mòn dụng cụ cao hơn một chút.
• Uốn/Tạo hình: Gr60 thường dễ uốn hơn cho các thao tác tạo hình do độ dẻo cao hơn một chút ở cùng độ dày. Gr70 có thể được tạo hình nhưng có thể cần bán kính uốn lớn hơn hoặc ứng suất uốn thấp hơn.
• Khả năng gia công: Cả hai loại đều không phải là hợp kim có khả năng gia công cao; áp dụng dụng cụ và tốc độ gia công tiêu chuẩn. Độ bền cao hơn một chút ở Gr70 có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ.
• Hoàn thiện bề mặt (mài, đánh bóng) có tác dụng tương tự nhau đối với cả hai loại; xử lý trước và sau khi hàn cũng tương tự nhau.

8. Ứng dụng điển hình

A516 Cấp 60 — Công dụng điển hình	A516 Cấp 70 — Công dụng điển hình
Bồn chứa, bình chịu áp suất thấp đến trung bình, các bộ phận nồi hơi trong đó độ bền được ưu tiên hơn áp suất tối đa cho phép	Nồi hơi và bình chịu áp suất cao, bể chứa và lò phản ứng khi cần ứng suất cho phép cao hơn hoặc tiết diện mỏng hơn
Các thành phần chế tạo có khả năng định hình được cải thiện sẽ hữu ích	Các ứng dụng đòi hỏi ứng suất thiết kế cao hơn hoặc tiết kiệm trọng lượng thông qua độ dày giảm
Dịch vụ nhiệt độ thấp với thử nghiệm va đập phù hợp nếu cần	Tấm dày hơn và dịch vụ áp suất cao hơn với quy trình xử lý được kiểm soát để duy trì độ dẻo dai

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại có độ bền và độ dẻo dai đáp ứng được yêu cầu về ứng suất thiết kế, biên độ an toàn cần thiết và yêu cầu về nhiệt độ va đập đồng thời giảm thiểu chi phí và độ phức tạp trong chế tạo.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép Cấp 70 thường có giá cao hơn một chút so với thép Cấp 60 do độ bền cao hơn và đôi khi được gia công kiểm soát chặt chẽ hơn (TMCP). Tuy nhiên, nếu thép Cấp 70 cho phép tạo ra tấm mỏng hơn mà vẫn đáp ứng được cùng một thiết kế, tổng chi phí vật liệu và chi phí chế tạo có thể thấp hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều được sản xuất rộng rãi và có sẵn với độ dày và chiều rộng tấm thép tiêu chuẩn cho bình chịu áp lực. Độ dày cụ thể, độ hoàn thiện bề mặt và khả năng kiểm tra va đập ở nhiệt độ thấp sẽ khác nhau tùy theo nhà máy; bộ phận mua hàng cần xác nhận thời gian giao hàng và chứng nhận kiểm tra.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	A516 Gr60	A516 Gr70
Khả năng hàn	Tuyệt vời (dễ hơn một chút)	Rất tốt (có thể cần làm nóng trước nhiều hơn đối với các phần dày)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Rất tốt cho các ứng dụng chung	Độ bền cao hơn; có thể đạt được độ dẻo dai nếu được xử lý đúng cách
Trị giá	Chi phí vật liệu thấp hơn	Chi phí vật liệu cao hơn nhưng có thể giảm tổng trọng lượng/chi phí thông qua các phần mỏng hơn

Khuyến nghị: - Chọn A516 Cấp 60 nếu: - Thiết kế có độ dẻo cao hơn và dễ chế tạo. - Áp suất vận hành và ứng suất cho phép ở mức vừa phải và cho phép sử dụng loại có độ bền thấp hơn. - Kiểm soát chi phí và quy trình hàn đơn giản hơn là ưu tiên hàng đầu. - Có thể đáp ứng được yêu cầu về độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp bằng quy trình xử lý Cấp 60.

• Chọn A516 Cấp 70 nếu:
• Cần có độ bền tối thiểu cao hơn để đáp ứng các yêu cầu về áp suất hoặc kết cấu, hoặc nếu muốn giảm trọng lượng thông qua các tấm mỏng hơn.
• Nhà thiết kế yêu cầu giá trị ứng suất cho phép cao hơn khi thiết kế tàu và sẵn sàng chỉ định thử nghiệm va đập thích hợp và có thể kiểm soát hàn chặt chẽ hơn.
• Máy nghiền có thể cung cấp cho Gr70 độ dẻo dai cần thiết (thông qua TMCP hoặc cán có kiểm soát).

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều phù hợp cho kết cấu bình chịu áp lực khi được chỉ định và cung cấp theo tiêu chuẩn ASTM A516 và quy chuẩn hiện hành (ASME). Đối với bất kỳ lựa chọn quan trọng nào, các kỹ sư nên xem xét thông số kỹ thuật ASTM/ASME hiện hành, yêu cầu báo cáo thử nghiệm tại nhà máy (hóa học và cơ học), xác minh tài liệu thử nghiệm va đập ở nhiệt độ vận hành yêu cầu và xác nhận quy trình hàn cho loại thép và độ dày đã chọn.