D vs E – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự đánh đổi giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn, khả năng chống ăn mòn và chi phí khi lựa chọn mác thép. Các quyết định thường phát sinh trong các bối cảnh như thông số kỹ thuật của bình chịu áp lực, khung kết cấu trong điều kiện khí hậu lạnh, thiết bị dưới biển và máy móc hạng nặng, nơi hiệu suất vật liệu dưới tải trọng và nhiệt độ khắc nghiệt phải được cân bằng với chi phí chế tạo và vòng đời.

Bài viết này so sánh hai nhóm thép nguyên mẫu được ký hiệu ở đây là "D" và "E". Việc so sánh này mang tính thực tế hơn là bị ràng buộc bởi một tiêu chuẩn duy nhất: Thép loại D đại diện cho các loại thép được tối ưu hóa để có độ bền và khả năng tôi cứng cao hơn thông qua việc bổ sung carbon và hợp kim; Thép loại E đại diện cho các loại thép được thiết kế để có hiệu suất vượt trội ở nhiệt độ thấp (độ dẻo dai được cải thiện) bằng cách sử dụng hợp kim và quy trình xử lý giúp giảm độ nhạy của rãnh khía. Hai loại thép này thường được so sánh khi các nhà thiết kế phải lựa chọn giữa khả năng chịu tải tối đa và độ dẻo dai được đảm bảo trong môi trường làm việc lạnh.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các ký hiệu cấp độ chữ cái như D và E xuất hiện trong nhiều thông số kỹ thuật khác nhau và có thể tương ứng với các yêu cầu hóa học và cơ học khác nhau tùy thuộc vào thân máy tiêu chuẩn và hình thức sản phẩm. Các tiêu chuẩn điển hình và cách chúng xử lý các cấp độ chữ cái bao gồm:

• ASTM / ASME: Các cấp độ chữ cái xuất hiện trong một số thông số kỹ thuật vật liệu (ví dụ: thép bình chịu áp lực, cấp độ tôi và ram). Việc liên kết chữ cái với yêu cầu về thành phần/cơ học là tùy thuộc vào thông số kỹ thuật cụ thể.
• EN (Châu Âu): Sử dụng ký hiệu số X-XX (ví dụ: X70), nhưng đôi khi các loại chữ cái cũng được sử dụng trong thông số kỹ thuật quốc gia hoặc ngành; áp dụng các so sánh chức năng tương tự (độ bền so với độ dẻo dai).
• JIS (Nhật Bản) và GB (Trung Quốc): Sử dụng cả phân loại số và chữ trong một số nhóm sản phẩm nhất định; mục đích chức năng của một cấp độ (độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống ăn mòn) được ghi lại trong từng tiêu chuẩn.
• Tiêu chuẩn OEM hoặc ngành khác: Có thể định nghĩa "Cấp D" hoặc "Cấp E" cho thiết bị cụ thể có tính chất và thành phần hóa học riêng.

Phân loại chức năng: - Cấp D: thường thuộc loại thép hợp kim / HSLA / tôi và ram—được thiết kế để tối đa hóa độ bền và khả năng chống mài mòn/độ cứng. - Cấp E: thường là thép hợp kim cacbon tập trung vào độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp hoặc thép hợp kim thấp có niken/hợp kim vi mô và tạp chất được kiểm soát—được thiết kế để sử dụng ở nhiệt độ cực thấp hoặc dưới nhiệt độ môi trường xung quanh.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các chiến lược hợp kim phổ biến cho cấp độ bền tối ưu (D) so với cấp độ dẻo dai tối ưu ở nhiệt độ thấp (E). Các giá trị là các mô tả định tính cho biết phương pháp tiếp cận điển hình chứ không phải là các con số chính xác, theo tiêu chuẩn.

Yếu tố	Cấp D (tập trung vào độ bền/khả năng làm cứng)	Cấp E (tập trung vào độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp)
C (Cacbon)	Trung bình đến cao hơn (để tăng khả năng tôi luyện và độ bền có thể đạt được)	Thấp đến trung bình (để hạn chế độ cứng của martensite và cải thiện độ dẻo dai)
Mn (Mangan)	Trung bình (hỗ trợ khả năng làm cứng và độ bền)	Trung bình (làm mịn hạt, tăng độ dai)
Si (Silic)	Dấu vết-trung bình (khử oxy, có thể tăng cường độ)	Dấu vết thấp (giữ ở mức thấp khi độ dẻo dai là quan trọng)
P (Phốt pho)	Kiểm soát thấp (tạp chất)	Kiểm soát chặt chẽ mức thấp (nhạy cảm với độ dẻo dai)
S (Lưu huỳnh)	Kiểm soát thấp (đánh đổi khả năng gia công)	Rất thấp (sulfua là các vị trí giòn ở nhiệt độ thấp)
Cr (Crom)	Có trong lượng vừa phải trong thép hợp kim (cải thiện khả năng tôi, độ bền)	Thấp hoặc không có (trừ khi thép không gỉ hoặc nhu cầu ăn mòn cụ thể)
Ni (Niken)	Thấp-trung bình (cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn nhưng làm tăng chi phí)	Thường được nâng cao (hợp kim chính để cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp)
Mo (Molypden)	Được sử dụng để làm cứng và chịu được nhiệt độ cao	Thấp-trung bình (có thể tinh chỉnh cấu trúc vi mô mà không bị giòn)
V / Nb / Ti (hợp kim vi mô)	Có tác dụng tăng cường sức mạnh thông qua quá trình kết tủa và tinh chế hạt	Có mặt với số lượng được kiểm soát để tinh chế hạt và cải thiện độ dẻo dai
B (Bo)	Dấu vết bổ sung trong một số loại thép có thể tôi cứng	Hiếm; được kiểm soát nếu có khả năng làm cứng mà không bị giòn
N (Nitơ)	Được kiểm soát (kết hợp với Ti/Nb để tạo thành nitrua ổn định)	Rất thấp hoặc ổn định (N tự do có thể giòn)

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Việc tăng C, Cr, Mo và một số nguyên tố hợp kim vi mô sẽ làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền kéo/giới hạn chảy nhưng cũng làm tăng nguy cơ gãy giòn nếu kích thước hạt và độ dẻo dai không được kiểm soát. - Hàm lượng cacbon thấp kết hợp với niken và kiểm soát chặt chẽ P, S và N tự do thường cải thiện các đặc tính tác động ở nhiệt độ thấp bằng cách thúc đẩy các cấu trúc vi mô dẻo và giảm các vị trí bắt đầu phân cắt.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng xử lý nhiệt khác nhau tùy theo mục đích thiết kế.

Hạng D: - Cấu trúc vi mô điển hình sau khi tôi và ram hoặc xử lý nhiệt cơ học cẩn thận: ram martensite, bainit và ferit gia cường bằng hợp kim vi mô. - Hóa học hướng đến khả năng làm cứng hỗ trợ quá trình làm cứng sâu hơn trong quá trình làm nguội, cho phép tăng cường độ ở các phần dày. - Làm nguội và ram (Q&T) là một phương pháp phổ biến: austenit hóa → làm nguội để tạo thành martensite/bainit → ram để điều chỉnh độ dẻo dai so với độ bền.

Hạng E: - Cấu trúc vi mô được tối ưu hóa cho ma trận ferritic/bainit tôi luyện hạt mịn với thành phần martensite giòn tối thiểu. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) hoặc cán có kiểm soát tiếp theo là làm nguội nhanh tạo ra kích thước hạt tinh tế hơn và khả năng chống va đập được cải thiện. - Xử lý nhiệt ưu tiên các chiến lược tinh luyện và ram hạt để duy trì độ dẻo; thường tránh làm cứng bằng cách làm nguội mạnh trừ khi sau đó ram cẩn thận để khôi phục độ dẻo dai.

Ảnh hưởng của quá trình xử lý: - Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt ở cả hai cấp; tuy nhiên, Cấp D dựa nhiều hơn vào quá trình chuyển đổi martensitic/bainit để đạt được độ bền trong khi Cấp E dựa vào quá trình tinh chỉnh hạt và hóa học được kiểm soát để duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp. - Quá trình tôi thép D có độ bền cao phải được lựa chọn cẩn thận để tránh hiện tượng giòn khi tôi; thép cấp E tập trung vào việc duy trì độ dẻo dai của khía sau bất kỳ lần tiếp xúc nhiệt nào.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây tóm tắt hành vi cơ học tương đối; các giá trị mang tính chất định tính (cao hơn/thấp hơn) và đại diện cho sự khác biệt về chức năng điển hình chứ không phải là thông số kỹ thuật số cụ thể.

Tài sản	Hạng D	Hạng E
Độ bền kéo	Cao hơn (được thiết kế để có sức mạnh tối đa lớn hơn)	Trung bình (cân bằng về độ dai)
Cường độ chịu kéo	Cao hơn (tăng lên nhờ hợp kim và xử lý nhiệt)	Trung bình đến cao (nhưng nhìn chung thấp hơn D đối với cùng độ dày)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Trung bình đến thấp hơn (sức mạnh đánh đổi với độ dẻo dai)	Cao hơn (được thiết kế để duy trì độ dẻo ở nhiệt độ thấp)
Độ bền va đập	Thấp hơn ở mức T rất thấp trừ khi được xử lý đặc biệt	Vượt trội ở nhiệt độ dưới môi trường xung quanh (ít mất năng lượng hơn)
Độ cứng	Cao hơn (có thể nâng cao độ cứng bề mặt và lõi)	Thấp đến trung bình (để tránh giòn ở nhiệt độ T thấp)

Tại sao có sự khác biệt: - Cấp D đạt được độ bền cao hơn thông qua khả năng làm cứng cao hơn và gia cường kết tủa, có xu hướng làm giảm độ giãn dài đồng đều và độ bền va đập trừ khi sử dụng quá trình tôi luyện rộng rãi và kiểm soát cấu trúc vi mô. - Cấp E giảm thiểu các pha giòn và nồng độ tạp chất, thường bao gồm niken hoặc hợp kim tinh luyện hạt; điều này duy trì năng lượng va đập cao ở nhiệt độ thấp trong khi hy sinh một số độ bền tối đa.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và kiểm soát tạp chất. Hai chỉ số thường được sử dụng:

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

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

Giải thích: - $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy khả năng làm cứng cao hơn và nguy cơ nứt nguội (có sự hỗ trợ của hydro) cao hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ), đòi hỏi phải nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và có thể phải xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). - Tác dụng điển hình của các cấp độ này: - Cấp D: có xu hướng cho thấy hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn → hàm lượng cacbon tương đương cao hơn → yêu cầu quy trình hàn nghiêm ngặt hơn, bao gồm cả nung nóng trước và PWHT trên các phần dày hơn. - Cấp E: được thiết kế với hàm lượng carbon thấp hơn và cân bằng hợp kim cẩn thận (thường có niken) → hàm lượng carbon tương đương thấp hơn cho một mức độ bền nhất định → nhìn chung khả năng hàn tốt hơn và giảm nguy cơ nứt, nhưng vẫn phải kiểm soát quy trình hàn để duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) ở bất kỳ cấp độ nào cũng cần được chú ý để tránh sự phát triển của hạt HAZ hoặc kết tủa có thể làm giảm độ dẻo dai; việc kiểm soát hydro trong quá trình hàn là rất quan trọng đối với cả hai cấp độ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Các loại không phải thép không gỉ: - Cả D và E thường không phải thép không gỉ; các chiến lược bảo vệ chống ăn mòn bao gồm mạ kẽm, sơn, sơn phủ bột và xử lý tại chỗ (ví dụ, mạ kim loại). - Việc bổ sung hợp kim như Cr, Mo hoặc Ni với lượng nhỏ đến vừa phải có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn nói chung nhưng không thể thay thế cho việc lựa chọn hợp kim thép không gỉ.

Các biến thể chuyên dụng chống ăn mòn hoặc không gỉ: - Nếu Cấp E hoặc D là thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ song pha, hãy sử dụng PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) để đánh giá khả năng chống ăn mòn cục bộ: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ - PREN không áp dụng cho thép cacbon thông thường hoặc thép hợp kim thấp.

Lựa chọn bảo vệ: - Đối với dịch vụ chôn ngầm hoặc hàng hải, nơi yêu cầu cả độ bền ở nhiệt độ thấp và khả năng chống ăn mòn, có thể cần đến hợp kim chống ăn mòn ở nhiệt độ thấp hoặc loại thép không gỉ; nếu không, hãy áp dụng lớp phủ công nghiệp kết hợp với bảo vệ catốt và bảo trì định kỳ.

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

• Khả năng gia công: Cấp D (độ bền/độ cứng cao hơn) thường mài mòn dụng cụ nhiều hơn và có thể yêu cầu tốc độ chạy dao chậm hơn, cấp độ dụng cụ cứng hơn và chiến lược làm mát. Cấp E, với độ cứng thấp hơn, thường dễ gia công hơn.
• Khả năng tạo hình: Giới hạn chảy thấp hơn và độ dẻo cao hơn của Cấp E giúp cải thiện hiệu suất uốn và tạo hình nguội; Cấp D có thể yêu cầu bán kính lớn hơn, tạo hình nóng hoặc ủ trước khi tạo hình để tránh nứt.
• Hoàn thiện bề mặt: Các loại thép cứng hơn có thể cần phải mài hoặc phun bi để tăng tuổi thọ chịu mỏi; các loại thép cứng hơn có độ cứng thấp hơn thường dễ dàng chấp nhận các phương pháp xử lý bề mặt tiêu chuẩn hơn.

8. Ứng dụng điển hình

Lớp D – Công dụng điển hình	Lớp E – Công dụng điển hình
Các thành phần kết cấu nặng cần có cường độ cao và kích thước tiết diện nhỏ (cầu, cần cẩu)	Bình chứa khí lạnh, lưu trữ và vận chuyển LNG, đường ống nhiệt độ thấp và bình chịu áp suất
Các thành phần chống mài mòn, bánh răng, trục và các bộ phận đã tôi và ram	Các giàn khoan ngoài khơi và các công trình ngầm đòi hỏi độ bền cao ở nhiệt độ môi trường thấp
Bình chịu áp suất tiết diện dày, nơi ứng suất cho phép cao hơn giúp tiết kiệm vật liệu	Bể chứa và các công trình cần giảm thiểu nguy cơ gãy giòn ở vùng khí hậu lạnh
Các bộ phận dễ bị mài mòn và khung máy móc hạng nặng	Các mối nối kết cấu chịu được khí hậu lạnh, toa xe bồn chở hàng đông lạnh

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Cấp D khi giảm thiểu kích thước tiết diện, cải thiện tuổi thọ chịu mỏi dưới ứng suất cao và tăng khả năng chống mài mòn là điều tối quan trọng. - Chọn loại E khi nhiệt độ sử dụng gần hoặc giảm xuống dưới 0°C (và đặc biệt là gần phạm vi nhiệt độ cực thấp), và việc duy trì khả năng chống va đập và độ dẻo là rất quan trọng để kiểm soát gãy.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí vật liệu: Loại D có thể tiết kiệm hơn về mặt chi phí trên mỗi hiệu suất khi độ bền cho phép giảm trọng lượng/độ dày tiết diện. Hợp kim và xử lý nhiệt làm tăng chi phí so với thép cacbon cơ bản.
• Thép loại E có thể đắt hơn trên mỗi tấn nếu sử dụng niken hoặc các nguyên tố tăng độ dẻo dai khác; tuy nhiên, việc tiết kiệm được vòng đời nhờ giảm nguy cơ gãy xương và chi phí sửa chữa/kiểm tra thấp hơn có thể biện minh cho mức phí bảo hiểm này.
• Tính khả dụng: Cả hai chiến lược này đều được cung cấp rộng rãi từ các nhà sản xuất thép lớn, nhưng một số loại hóa chất cụ thể (ví dụ: thép chịu nhiệt độ thấp hàm lượng Ni cao) có thể có thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu. Các dạng sản phẩm tấm và ống thường có sẵn trong kho; các sản phẩm tôi và ram theo yêu cầu có thể bị hạn chế về thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Hệ mét	Hạng D	Hạng E
Khả năng hàn	Trung bình-thách thức (CE cao hơn)	Tốt hơn (CE thấp hơn cho độ dày tương tự)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao / độ dẻo dai vừa phải	Độ dẻo dai được tối ưu hóa ở T thấp / độ bền trung bình
Trị giá	Trung bình–cao (chi phí chế biến và hợp kim)	Trung bình-cao (có thể bao gồm Ni)

Khuyến nghị kết luận: - Chọn Cấp D nếu mục tiêu chính của bạn là tối đa hóa độ bền tĩnh và độ bền mỏi, giảm kích thước tiết diện hoặc đạt được tính chất chống mài mòn khi nhiệt độ vận hành nằm trong phạm vi độ bền của vật liệu và rủi ro gãy giòn ở nhiệt độ thấp được quản lý chấp nhận được thông qua thiết kế và kiểm tra. - Chọn Cấp E nếu dịch vụ liên quan đến nhiệt độ dưới mức môi trường xung quanh hoặc nhiệt độ cực thấp, nếu độ dẻo dai khi gãy ở nhiệt độ thấp là một ràng buộc an toàn quan trọng hoặc nếu bạn cần vật liệu chịu được va đập và tải trọng khía mà không bị mất độ dẻo đáng kể.

Lưu ý cuối cùng: Luôn tham khảo thông số kỹ thuật vật liệu chính xác (tiêu chuẩn ASTM/EN/JIS/GB hoặc OEM), thực hiện đánh giá cơ học gãy vỡ tại chỗ cho các bộ phận chịu nhiệt, và xác nhận quy trình hàn và xử lý nhiệt bằng mô hình hoặc thử nghiệm quy trình đạt chuẩn. Các so sánh định tính nêu trên nên được đối chiếu với thông số kỹ thuật sản phẩm thực tế và được xác nhận bằng tài liệu và thử nghiệm của nhà cung cấp cho ứng dụng cụ thể của bạn.