DH32 so với EH32 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

DH32 và EH32 là thành viên của dòng thép kết cấu cường độ cao thường được sử dụng trong đóng tàu và các ứng dụng kết cấu nặng. Các kỹ sư và nhóm mua sắm thường cân nhắc các cấp thép này khi cân nhắc các yêu cầu như độ bền ở nhiệt độ thấp, khả năng hàn, khả năng sản xuất và chi phí vòng đời. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm kết cấu thân tàu và boong, khung ngoài khơi và chế tạo hàn, trong đó nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc nhiệt độ vận hành và khả năng chống va đập là yếu tố quan trọng.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại này là mục đích thiết kế của chúng đối với hiệu suất va đập trong điều kiện lạnh hơn: một loại được điều chỉnh để tăng cường độ bền ở nhiệt độ thấp (cải thiện khả năng chống gãy giòn), trong khi loại còn lại được hiệu chuẩn để có độ bền tương đương, ít chú trọng hơn đến hiệu suất va đập ở nhiệt độ cực thấp. Do mức độ bền danh nghĩa của chúng gần bằng nhau, việc lựa chọn thường phụ thuộc vào yêu cầu về độ bền, các ràng buộc về quy trình hàn và chi phí/tính khả dụng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và bối cảnh chung mà DH32 và EH32 (hoặc các cấp độ có tên gọi tương tự) xuất hiện:
• Các quy tắc của tổ chức phân loại và tiêu chuẩn đóng tàu (ví dụ: ABS, DNV, Lloyd's Register) xác định thép kết cấu thân tàu.
• Tiêu chuẩn khu vực và quốc gia và thông số kỹ thuật sản phẩm (ví dụ: họ ASTM A131 dành cho đóng tàu, nhiều tài liệu JIS và GB/T và ký hiệu EN cho thép kết cấu).
• Giấy chứng nhận và thông số kỹ thuật của nhà sản xuất được các xưởng đóng tàu hoặc nhà chế tạo sử dụng để tham chiếu đến các tên loại này.
• Phân loại vật liệu: Cả DH32 và EH32 đều là thép kết cấu cường độ cao (không phải thép không gỉ). Chúng thường được coi là thép vi hợp kim hoặc thép hạt mịn, được phát triển để cân bằng giữa giới hạn chảy và độ dẻo dai cho các kết cấu hàn (thường được phân loại với ký hiệu "32" biểu thị giới hạn chảy danh nghĩa trong nhóm mác thép).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Lưu ý: Giới hạn hóa chất cụ thể thay đổi tùy theo tiêu chuẩn, hiệp hội phân loại và nhà máy. Bảng dưới đây tóm tắt các nguyên tố hợp kim phổ biến và vai trò hoặc xu hướng tương đối của từng nguyên tố trong DH32 so với EH32. Luôn tham khảo giấy chứng nhận hoặc tiêu chuẩn nhà máy để biết thành phần chính xác.

Yếu tố	DH32 — vai trò điển hình / cấp độ tương đối	EH32 — vai trò điển hình / cấp độ tương đối
C (cacbon)	Kiểm soát hàm lượng carbon thấp để có độ bền cao và khả năng hàn tốt	Nói chung được kiểm soát ở mức thấp hoặc thấp hơn một chút so với DH32 để cải thiện độ dẻo dai và giảm khả năng tôi cứng
Mn (mangan)	Yếu tố chịu lực chính và khử oxy; mức độ vừa phải để hỗ trợ độ bền kéo/giới hạn chảy	Mức độ tương tự; được điều chỉnh để cân bằng sức mạnh và độ dẻo dai
Si (silicon)	Chất khử oxy; hạn chế khả năng hàn	Tương tự, thấp đến trung bình
P (phốt pho)	Giữ ở mức rất thấp để tránh bị giòn	Giữ ở mức rất thấp; quan trọng đối với độ dẻo dai
S (lưu huỳnh)	Thấp về khả năng hàn và độ dẻo dai	Thấp; kiểm soát sunfua cải thiện độ dẻo dai
Cr, Ni, Mo	Thông thường không có hoặc chỉ có ở lượng rất nhỏ; không phải là nguyên tố tăng cường chính	Có thể có mặt ở dạng vết hoặc lượng nhỏ trong một số thông số kỹ thuật để hỗ trợ khả năng tôi luyện/độ dẻo dai
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Có thể sử dụng các chất bổ sung hợp kim siêu nhỏ để tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ	Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) thường được sử dụng một cách chiến lược để tinh chỉnh hạt và tăng cường độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp
B (bo)	Hiếm ở các cấp độ này; nếu sử dụng, chỉ dùng với lượng nhỏ để tăng độ cứng	Giống như DH32 — thường không phải là yếu tố quyết định
N (nitơ)	Thấp; được kiểm soát như một phần của quá trình tinh chế và hợp kim hóa vi mô	Thấp; được kiểm soát để hỗ trợ độ dẻo dai và kiểm soát thúc đẩy

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon và mangan kiểm soát độ bền cơ bản và khả năng làm cứng. Hàm lượng cacbon thấp hơn cải thiện khả năng hàn và độ dẻo dai. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) thúc đẩy quá trình tinh luyện hạt và tăng cường kết tủa, có thể tăng cường độ mà không làm giảm độ dẻo dai. - Kiểm soát chặt chẽ tạp chất (P, S) là điều cần thiết để đạt hiệu suất va đập cao ở nhiệt độ thấp. - Việc thêm hoặc loại bỏ Cr/Ni/Mo sẽ ảnh hưởng đến khả năng tôi và khả năng hàn; những yếu tố này thường được giảm thiểu trong thép kết cấu hàng hải để duy trì khả năng hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng xử lý đối với các loại thép này phản ánh thiết kế của chúng là thép kết cấu HSLA (hợp kim thấp cường độ cao) hạt mịn.

• Điều kiện khi cuộn/chuẩn hóa:
• Cả hai loại này thường thể hiện cấu trúc vi mô ferit-pearlit hoặc ferit đa giác tinh chế sau khi cán có kiểm soát và làm nguội nhanh. Việc thường hóa hoặc cán có kiểm soát sẽ tinh chỉnh kích thước hạt và phân tán các kết tủa hợp kim siêu nhỏ.
• Xử lý nhiệt cơ học:
• Quá trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) tạo ra hạt ferit có kích thước mịn hơn với các chất kết tủa phân tán (NbC, VC, TiN), cải thiện độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp mà không cần chu kỳ làm nguội và ram nhiều.
• Làm nguội và làm dịu:
• Thông thường không áp dụng cho thép đóng tàu DH32/EH32 tiêu chuẩn, vốn dựa trên TMCP và cán có kiểm soát. Nếu cần độ bền và độ dẻo dai cao hơn, có thể sử dụng phương pháp tôi và ram, nhưng điều này sẽ làm thay đổi độ dẻo dai, ứng suất dư và khả năng hàn.
• Phản ứng so sánh:
• Các loại thép EH32 thường được xử lý hoặc chỉ định theo các lộ trình nhiệt/cơ học và kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn để đảm bảo năng lượng va đập cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn. DH32 có thể đạt được độ bền tương tự với quy trình kiểm soát độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp ít nghiêm ngặt hơn một chút.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học chính xác phụ thuộc vào quá trình chế tạo, độ dày tấm và chứng nhận cụ thể. Bảng dưới đây so sánh các tính chất về mặt định tính.

Tài sản	DH32	EH32
Độ bền kéo	Cao (điển hình cho thép loại 32)	Tương đương với DH32
Sức chịu lực	Về danh nghĩa là tương tự; mục tiêu nằm trong cùng một dải sức mạnh	Tương tự hoặc bằng nhau; cả hai đều được thiết kế để đáp ứng cùng một dải năng suất
Độ giãn dài (%)	Độ dẻo tốt để sử dụng cho kết cấu	Độ dẻo tương đương; đôi khi cao hơn một chút ở EH32 nếu được xử lý để tăng độ dẻo dai
Độ bền va đập (Charpy)	Tốt ở nhiệt độ vừa phải; có thể được chỉ định ở nhiệt độ tối thiểu cao hơn	Độ bền va đập ở nhiệt độ thấp vượt trội; được chỉ định cho nhiệt độ thử nghiệm thấp hơn hoặc năng lượng tối thiểu cao hơn
Độ cứng	Vừa phải và thuận lợi cho gia công/hàn	Tương tự; sự khác biệt nhỏ phụ thuộc vào quá trình hợp kim hóa và chế biến

Giải thích: - Cả hai loại đều được thiết kế để đáp ứng dải cường độ quy định; điểm khác biệt chính là độ bền va đập ở nhiệt độ thấp. EH32 thường được lựa chọn khi cần cải thiện khả năng chống gãy giòn trong điều kiện lạnh. - Tính chất dẻo và độ bền kéo tương đương nhau khi cả hai loại đều đáp ứng các thông số kỹ thuật tương ứng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn là một mối quan tâm quan trọng trong chế tạo hàn. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là hệ số tương đương cacbon IIW và công thức Pcm của Viện Hàn Quốc tế để đánh giá khả năng nứt nguội.

• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Chỉ số $CE_{IIW}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn tổng thể tốt hơn và khả năng làm cứng thấp hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ).
• Pcm (đối với nguy cơ nứt lạnh): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Giá trị $P_{cm}$ thấp hơn tương ứng với khả năng giảm nứt lạnh do hydro hỗ trợ.

Giải thích định tính cho DH32 so với EH32: - Cả hai loại thép đều được thiết kế để có khả năng hàn tốt; do đó, hàm lượng carbon tương đương thường được giữ ở mức thấp. EH32, được tối ưu hóa về độ bền, có thể có hàm lượng carbon thấp hơn một chút và kiểm soát chặt chẽ hơn các nguyên tố làm tăng $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$, điều này có thể cải thiện độ bền HAZ nhưng vẫn phải được quản lý trong quá trình hàn và xử lý nhiệt trước/sau. - Nên gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và kiểm soát hydro trong vật liệu hàn cho các phần dày hơn hoặc cho EH32 khi đáp ứng các yêu cầu về va đập ở nhiệt độ thấp. - Chứng nhận quy trình hàn (WPS/PQR) phải tham chiếu chính xác đến thành phần hóa học của máy cán và độ dày của tấm để đảm bảo độ bền HAZ và tránh nứt nguội.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả DH32 và EH32 đều là thép kết cấu cacbon/hợp kim vi mô không gỉ và không có khả năng chống ăn mòn vốn có.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Hệ thống sơn phủ bề mặt (sơn lót giàu kẽm, sơn phủ epoxy/urethane) để tiếp xúc với khí quyển.
• Mạ kẽm nhúng nóng cho các công trình chế tạo nhỏ hơn, nơi có thể mạ kẽm và đáp ứng được các yêu cầu về độ dày và độ bền của kim loại cơ bản.
• Bảo vệ catốt và lớp phủ chuyên dụng cho môi trường ngoài khơi/trên mặt nước.
• Các chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này chỉ hữu ích đối với hợp kim thép không gỉ được thiết kế để chống clorua.

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

• Cắt: Cả hai loại thép đều dễ dàng cắt bằng phương pháp oxy-nhiên liệu, plasma hoặc laser. Chất lượng cạnh và nhiệt đầu vào phải được kiểm soát để duy trì độ bền của thép EH32.
• Tạo hình và uốn: Có thể tạo hình có kiểm soát với bán kính uốn phù hợp. EH32 có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn một chút hoặc ứng suất uốn thấp hơn tùy thuộc vào độ dày tấm và xử lý nhiệt để tránh nứt.
• Khả năng gia công: Cả hai loại đều tương đương nhau; độ cứng từ thấp đến trung bình hỗ trợ gia công thông thường. Hợp kim vi mô có thể ảnh hưởng nhẹ đến độ mòn của dụng cụ.
• Hoàn thiện: Áp dụng các biện pháp xử lý sau hàn tiêu chuẩn (mài, giảm ứng suất khi cần thiết); phun bi và chuẩn bị lớp phủ là phổ biến.

8. Ứng dụng điển hình

DH32 — Công dụng điển hình	EH32 — Công dụng điển hình
Cấu trúc thân tàu chung, sàn tàu và khung bên trong trong điều kiện hoạt động ôn đới	Cấu trúc thân tàu và mặt trên dành cho khí hậu lạnh hơn hoặc nơi yêu cầu khả năng chống va đập ở nhiệt độ hoạt động thấp hơn
Các bộ phận gia cố, vách ngăn và các thành phần nhiệt độ thấp không quan trọng được chế tạo	Tàu dịch vụ Bắc Cực, các công trình liền kề LNG/lạnh hoặc các công trình có nguy cơ gãy giòn cao
Cầu và các thành phần kết cấu hàn nặng ở những nơi có độ bền tiêu chuẩn là đủ	Các nền tảng và cấu trúc ngoài khơi yêu cầu độ bền HAZ ở nhiệt độ thấp đã được xác minh

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại vật liệu có độ bền bao phủ nhiệt độ vận hành thấp nhất và khả năng chịu lỗi/dung sai dự kiến. Nếu quan tâm đến nhiệt độ vận hành và các ứng dụng quan trọng dễ gãy, vật liệu loại EH32 được ưu tiên mặc dù chi phí có thể cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Các biến thể EH32 đòi hỏi kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn và xử lý bổ sung để đạt độ bền ở nhiệt độ thấp thường có giá cao hơn một chút so với các biến thể DH32. Mức giá cao hơn này phụ thuộc vào nhà sản xuất, độ dày và mức độ thử nghiệm va đập cần thiết.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường có sẵn tại các nhà máy thép chuyên dụng và các nhà cung cấp thép tấm phục vụ thị trường đóng tàu và chế tạo nặng. Tính khả dụng của từng loại thép tấm với độ dày, chiều rộng và quy trình sản xuất cụ thể (TMCP so với thép tấm chuẩn hóa) sẽ khác nhau tùy theo khu vực - hãy tham khảo danh sách các nhà phân phối và tổ chức phân loại thép địa phương.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	DH32	EH32
Khả năng hàn	Tốt	Rất tốt (chú ý đến các quy trình để tăng độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền tốt, độ dẻo dai tiêu chuẩn	Sức mạnh tương tự, độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp được tăng cường
Trị giá	Thấp đến trung bình	Trung bình đến cao hơn (tùy thuộc vào quá trình xử lý)

Khuyến nghị: - Chọn DH32 nếu ứng dụng của bạn là kết cấu, hàn và hoạt động trong môi trường ôn đới, nơi độ bền va đập tiêu chuẩn và hiệu quả về chi phí là ưu tiên hàng đầu. - Chọn EH32 nếu kết cấu sẽ tiếp xúc với nhiệt độ làm việc thấp, có mối hàn hoặc chi tiết quan trọng dễ gãy hoặc yêu cầu hiệu suất Charpy đã được chứng minh ở nhiệt độ thấp hơn; EH32 cung cấp biên độ độ dẻo dai an toàn hơn cho hoạt động lạnh.

Lưu ý thực hành cuối cùng: Luôn ghi rõ nhiệt độ thử nghiệm va đập, phạm vi độ dày tấm và giới hạn quy trình hàn cần thiết trong tài liệu mua sắm, đồng thời yêu cầu chứng chỉ nhà máy và phê duyệt của tổ chức phân loại nếu có. Đối với bất kỳ thiết kế quan trọng nào, hãy xác minh kết quả phân tích hóa học và thử nghiệm cơ học chính xác từ nhà cung cấp và, nếu cần, hãy tiến hành xác minh độ bền WPS/PQR và HAZ cho cấu hình chế tạo cuối cùng.